SaPI ( острова патогенности Staphylococcus aureus ) представляют собой семейство мобильных генетических элементов размером ~ 15 т.п.н., резидентных в геномах подавляющего большинства штаммов S. aureus . [1] [2] Как и бактериофаги , SaPI могут переноситься в неинфицированные клетки и интегрироваться в хромосому хозяина. Однако, в отличие от бактериальных вирусов, интегрированные SaPI мобилизуются путем инфицирования хозяина «вспомогательными» бактериофагами (для мобилизации определенных SaPI могут потребоваться определенные вспомогательные бактериофаги, хотя фаг Staphylococcus 80alpha, по-видимому, мобилизует все известные SaPI). SaPI используются бактериями-хозяевами, чтобы кооптировать цикл размножения фагов для своих собственныхгенетической трансдукции, а также подавляют воспроизводство фагов в процессе. [2]
SaPI могут инфицировать многие штаммы, устойчивые к фагам, и могут легко передаваться Listeria monocytogenes, даже если стафилококковые фаги не могут расти в клетках Listeria. [3] SaPI нечасто встречаются у других видов стафилококков, но SaPI-подобные элементы распространены и широко распространены в других грамположительных кокках . [4]
Механизм
ДНК SaPI поддерживается в профагоподобном состоянии под контролем главного репрессора и индуцируется для вырезания и репликации фагами-помощниками, кодирующими белки, которые противостоят репрессору SaPI . [5] Один набор SaPI индуцируется другими со-резидентными SaPI, которые должны сначала индуцироваться фагами-помощниками, создавая 3- сторонний каскад. [6] Для большинства SaPI после репликации конкатемерная ДНК SaPI упаковывается с помощью головного механизма. , используя небольшой terminase субъединицу (TERS) , кодируемой SAPI [7] в фаг-подобных частиц , которые высвобождаются в числах , приближающихся к 10 9 / мл с помощью фага-индуцированной лизиса. [8] Подмножество SaPI приобрело сайт cos и использует TerS фага для упаковки по механизму cos . [9] «Высвободившиеся частицы SaPI инфицируют другие стафилококковые клетки, вводя их ДНК, которая интегрируется в определенный участок прикрепления хромосомы [10], из которых 5 у S. aureus . [10] SaPI предками родственны Siphoviridae и обладают генами, связанными с фагами, обеспечивающими их интеграцию / удаление, репликацию и упаковку. [2] У них отсутствуют структурные белки фага и белки лизиса, и они используют белки фага-помощника, которые они модифицируют, чтобы сформировать маленькие капсиды, соизмеримые с их геномами.
Функция
Их эволюционное отклонение от предкового профага включало не только потерю структурных и литических белков, но также развитие (или приобретение) нескольких различных средств частичного блокирования репродукции их фагов-помощников. [11] [12] Эти функции фаговой интерференции выгодны как для клетки-хозяина, поскольку они (частично) блокируют хищничество экзогенных фагов, так и для SaPI, поскольку они позволяют ему идти в ногу с воспроизводством фага-помощника. В отличие от CRISPR , которые просто уничтожают инфицирующие фаги и, таким образом, полностью блокируют опосредованный фагами горизонтальный перенос генов (HGT), SaPI являются основными агентами фагозависимого HGT, поскольку они лишь частично блокируют репродукцию фага, а также упаковывают хромосомные фрагменты, а также их собственные геномы. [13]
Роль в патогенности
SaPI были обнаружены на основе их носительства гена токсина-1 синдрома токсического шока, и они однозначно ответственны за стафилококковый токсический шок. Они также несут другие суперантигенные токсины, а также другие факторы вирулентности, среди которых есть набор генов, позволяющих их штаммам-хозяевам коагулировать плазму крови сельскохозяйственных животных . Эти гены кодируют различные аллели коагулазы, белка, связывающего фактор фон Виллебранда , который играет роль в определении специфичности S. aureus у животных-хозяев . [14] Токсин и другие вспомогательные гены экспрессируются интегрированными и репрессированными геномами SaPI, как и токсиновые гены конвертирующих профагов.
Преобразование в антибактериальные средства
Один из исходных SaPI, SaPI2, был преобразован в неантибиотическое терапевтическое средство для лечения стафилококковых и листериальных инфекций. [15] Это преобразование включало удаление всех генов токсина и других вирулентных генов и генов морфогенеза капсида, а также добавление путем клонирования антибактериальных генов, включая те, которые кодируют CRISPR / cas9, со спейсерами, нацеленными на консервативные хромосомные гены. Они вызывают летальное расщепление двухцепочечной ДНК в протоспейсере- мишени . Альтернативные грузы включают CRISPR / dcas9 со спейсерами, нацеленными на и ингибирующие гены, которые регулируют бактериальную вирулентность, или ген лизостафина , мощного стафилолитического фермента. [16] Производство этих трансформированных SaPI2, известных как антибактериальные дроны (ABD), значительно усиливается за счет удаления гена t erS вспомогательного профага , так что упаковывается только ДНК ABD. [7] ABD излечивают экспериментальные стафилококковые инфекции у мышей и в настоящее время разрабатываются для клинического использования. Чтобы предотвратить развитие резистентности, ABD для потенциального клинического использования всегда будут содержать как минимум два разных антибактериальных модуля, которые действуют по разным механизмам.
Рекомендации
- ^ Линдсей JA, Ружин А, Росс ВЧ, Курепина N, Новик РП (июль 1998 г.). «Ген токсина шока переносится семейством мобильных островков патогенности у Staphylococcus aureus». Молекулярная микробиология . 29 (2): 527–43. DOI : 10.1046 / j.1365-2958.1998.00947.x . PMID 9720870 . S2CID 30680160 .
- ^ а б в Новик Р.П., Christie GE, Penadés JR (август 2010 г.). «Связанные с фагом хромосомные острова грамположительных бактерий» . Обзоры природы. Микробиология . 8 (8): 541–51. DOI : 10.1038 / nrmicro2393 . PMC 3522866 . PMID 20634809 .
- ^ Чен Дж., Новик Р.П. (январь 2009 г.). «Фаг-опосредованная межродовая передача генов токсинов». Наука . 323 (5910): 139–41. Bibcode : 2009Sci ... 323..139C . DOI : 10.1126 / science.1164783 . PMID 19119236 . S2CID 38379547 .
- ^ Мартинес-Рубио Р., Куилес-Пухальт Н., Марти М., Хамфри С., Рам Дж., Смит Д. и др. (Апрель 2017 г.). «Фаго-индуцибельные острова в грамположительных кокках» . Журнал ISME . 11 (4): 1029–1042. DOI : 10.1038 / ismej.2016.163 . PMC 5363835 . PMID 27959343 .
- ^ Тормо-Мас МА, Дондерис Дж., Гарсия-Кабаллер М., Альт А, Мир-Санчис I, Марина А, Пенадес Дж. Р. (март 2013 г.). «Фаговые dUTPases контролируют перенос генов вирулентности с помощью протоонкогенного G-протеиноподобного механизма» . Молекулярная клетка . 49 (5): 947–58. DOI : 10.1016 / j.molcel.2012.12.013 . PMID 23333307 .
- ^ Haag A, et al. (2020). «Регуляторный каскад в активации SaPI». Природная микробиология . в прессе.
- ^ а б Убеда С., Оливарес Н.П., Барри П., Ван Х, Конг Х, Мэтьюз А. и др. (Апрель 2009 г.). «Специфичность упаковки стафилококкового фага и ДНК SaPI, выявленная с помощью мутаций интегразы и терминазы» . Молекулярная микробиология . 72 (1): 98–108. DOI : 10.1111 / j.1365-2958.2009.06634.x . PMC 3885990 . PMID 19347993 .
- ^ Рузин А., Линдси Дж., Новик Р.П. (июль 2001 г.). «Молекулярная генетика SaPI1 - мобильного островка патогенности у Staphylococcus aureus» . Молекулярная микробиология . 41 (2): 365–77. DOI : 10.1046 / j.1365-2958.2001.02488.x . PMID 11489124 . S2CID 6231046 .
- ^ Куилс-Пучальт Н., Карпена Н., Алонсо Дж. К., Новик Р. П., Марина А., Пенадес Дж. Р. (апрель 2014 г.). «Система упаковки ДНК островка патогенности стафилококков, включающая упаковку в cos-сайт и эндонуклеазы HNH, кодируемые фагом» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (16): 6016–21. Bibcode : 2014PNAS..111.6016Q . DOI : 10.1073 / pnas.1320538111 . PMC 4000808 . PMID 24711396 .
- ^ а б Новик Р.П., Субеди А. (2007). Мароне G (ред.). «САПИ: мобильные островки патогенности стафилококка». Химическая иммунология и аллергия . Базель. 93 : 42–57. DOI : 10.1159 / 000100857 . ISBN 978-3-8055-8266-7. PMID 17369699 .
- ^ Рам Дж., Чен Дж., Кумар К., Росс Х.Ф., Убеда С., Дамле П.К. и др. (Октябрь 2012 г.). «Вмешательство острова патогенности стафилококков в репродукцию фага-помощника - парадигма молекулярного паразитизма» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (40): 16300–5. Bibcode : 2012PNAS..10916300R . DOI : 10.1073 / pnas.1204615109 . PMC 3479557 . PMID 22991467 .
- ^ Рам Дж., Чен Дж., Росс Х.Ф., Новик Р.П. (октябрь 2014 г.). «Точно модулированная интерференция острова патогенности с транскрипцией гена позднего фага» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (40): 14536–41. Bibcode : 2014PNAS..11114536R . DOI : 10.1073 / pnas.1406749111 . PMC 4209980 . PMID 25246539 .
- ^ Чен Дж., Рам Дж., Пенадес Дж. Р., Браун С., Новик Р. П. (январь 2015 г.). «Остров-направленный перенос патогенности несвязанных генов хромосомной вирулентности» . Молекулярная клетка . 57 (1): 138–49. DOI : 10.1016 / j.molcel.2014.11.011 . PMC 4289434 . PMID 25498143 .
- ^ Виана Д., Бланко Дж., Тормо-Мас М.А., Сельва Л., Гуинан СМ, Базельга Р. и др. (Сентябрь 2010 г.). «Адаптация Staphylococcus aureus к хозяевам из жвачных и лошадей включает SaPI-переносимые варианты белка, связывающего фактор фон Виллебранда» . Молекулярная микробиология . 77 (6): 1583–94. DOI : 10.1111 / j.1365-2958.2010.07312.x . PMID 20860091 . S2CID 20836980 .
- ^ Рам Джи, Росс Х.Ф., Новик Р.П., Родригес-Паган И., Цзян Д. (ноябрь 2018 г.). «Превращение островков патогенности стафилококков в антибактериальные средства, несущие CRISPR, которые лечат инфекции у мышей» . Природа Биотехнологии . 36 (10): 971–976. DOI : 10.1038 / nbt.4203 . PMC 6511514 . PMID 30247487 .
- ^ Ресей П.А., Грусс А.Д., Новик Р.П. (март 1987 г.). «Клонирование, последовательность и экспрессия гена лизостафина из Staphylococcus simulans» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 84 (5): 1127–31. Bibcode : 1987PNAS ... 84.1127R . DOI : 10.1073 / pnas.84.5.1127 . PMC 304379 . PMID 3547405 .