МИКРОБИОЛОГИЯ, 2014, том 83, № 1, с. 3-14
= ОБЗОР =
УДК 579.61:579.252.2
ЭФФЛЮКС СИСТЕМЫ SERRATIA MARCESCENS © 2014 г. А. М. Марданова*, 1, Л. М. Богомольная**, Ю. Д. Романова*, М. Р. Шарипова*
*Казанский федеральный университет **Техасский аграрно-технический университет, Техас, США Поступила в редакцию 15.03.2013 г.
Широко распространенная в окружающей среде грамотрицательная бактерия Serratia marcescens, относящаяся к семейству Enterobacteriaceae, является оппортунистическим патогеном и характеризуется множественной лекарственной устойчивостью. Одним из механизмов резистентности к антибиотикам и другим антибактериальным препаратам у микроорганизмов является активный вывод этих соединений из клетки с помощью эффлюкс систем. У энтеробактерий эффлюкс системы наиболее полно изучены у Escherichia coli и Salmonella enterica ser. Typhimurium. Для клеток S. marcescens описаны только несколько эффлюкс систем, относящихся к разным семействам. Обзор посвящен анализу данных по эффлюкс системам S. marcescens. Проведен сравнительный анализ организации генов систем RND-типа у разных видов р. Serratia и других видов энтеробактерий. Биоинформационный анализ генома S. marcescens позволил нам идентифицировать новые, ранее не изученные эффлюкс системы на основе гомологии с генами соответствующих систем E. coli. Идентификация всего арсенала эф-флюкс систем в геноме S. marcescens позволит выяснить особенности физиологии, определить потенциал устойчивости и выявить новые молекулярные механизмы резистентности.
Ключевые слова: Serratia marcescens, эффлюкс помпы, устойчивость к антибиотикам, биоинформационный анализ, гены-ортологи.
DOI: 10.7868/S0026365614010091
ВВЕДЕНИЕ
Грамотрицательные бактерии рода Serratia, в частности, S. marcescens, широко распространены в окружающей среде (воде, почве, растениях, насекомых и животных) и относятся к оппортунистическим патогенам, вызывающим заболевания у человека, животных и насекомых [1, 2]. Эти бактерии связаны с инфекциями респираторного и мочевого трактов, раневыми инфекциями, а также могут быть причиной септице-мий, менингитов, эндокардитов [3—5]. Серьезную опасность S. marcescens представляет для ослабленных пациентов [6—8]. Лечение инфекций, вызванных S. marcescens, часто затруднено из-за того, что бактерии обладают множественной устойчивостью к широкому спектру антибиотиков. Эти микроорганизмы устойчивы к пенициллину G, макролидам, клиндамицину, гли-копептидам, рифампину, многие штаммы обычно устойчивы к ампициллину, амоксицил-лину, ампициллин-сульбактему, широкому спектру цефалоспоринов, цефамицинам, нитрофу-рантоину и др. [2].
Открытие новых антибиотиков и синтез хемо-терапевтических агентов чрезвычайно ценны для
1 Автор для корреспонденции (e-mail: mardanovaayslu@mail.ru).
человечества, поскольку позволяют победить многие из ранее неизлечимых инфекционных болезней. Однако широкомасштабная антибиотико-терапия сопровождается повсеместным распространением бактерий, устойчивых к лекарствам, особенно бактерий с множественной устойчивостью. В бактериальной клетке существует несколько механизмов, обеспечивающих лекарственную устойчивость, включая деградацию или модификацию лекарств, изменение мишеней, появление альтернативных путей и насосы, выбрасывающие лекарства из клетки [9, 10]. Среди механизмов лекарственной устойчивости важную роль играют эффлюкс системы, локализованные в ЦПМ. К настоящему времени описано большое количество эффлюкс систем, отвечающих за множественную лекарственную устойчивость у многих видов грамположительных и грамотрицательных бактерий [11—13]. Однако физиологические функции эффлюкс систем не ограничиваются участием в устойчивости к антибиотикам, они значительно шире. Эффлюкс системы бактерий играют ключевую роль в поведении бактерий в экосистемах: они обеспечивают выведение токсичных внутриклеточных метаболитов, клеточный гомеостаз, передачу межклеточных сигналов и др. [14—18]. Кроме того, эффлюкс системы играют важную роль в вирулентности бактерий: они
АТФ
ABC MacAB-TolC
RND AcrAB-TolC
MFS EmrAB-TolC
SMR
EmrE
Наружная мембрана
Периплазма
Цитоплазматическая мембрана
MATE MdtK
Рис. 1. Эффлюкс насосы у прокариот (Escherichia coli). ABC: ATP-Binding Cassette transporters (MacAB-TolC); RND: Resistance nodulation division (AcrAB-TolC); MFS: Major Facilitator Superfamily (EmrAB-TolC); SMR: Small multidrug resistance (EmrE); MATE: Multidrug And Toxic compound Extrusion (MdtK).
транспортируют из клетки адгезины, токсины и белки, важные для колонизации и инфицирования клеток человека, животных и растений [12, 19—21]. Показано, что инактивация эффлюкс системы AcrAB-TolC приводила к снижению вирулентности S. enterica ser. Typhimurium в мышах [22] и неспособности колонизировать органы цыплят [23]. Бактерии Pseudomonas aeruginosa с инактивированной эффлюкс помпой MexAB-OprM, относящейся к RND-типу насосов, не способны убивать даже мышей, дефицитных по лейкоцитам, в то время как исходный штамм P. aerug-inosa вызывал у мышей смертельную инфекцию [19]. Доказана роль эффлюкс систем в формировании биопленок. В частности, показано, что в биопленках происходит индукция экспрессии некоторых эффлюкс систем [24, 25]. С другой стороны, в биопленках клетки E. coli становятся более устойчивыми к антибиотикам, что может быть обусловлено разными механизмами, в том числе и активацией эффлюкс систем [26]. Ингибиторы эффлюкс систем приводят к подавлению образования биопленок [27] и рассматриваются как перспективные антимикробные препараты [28].
Таким образом, изучение эффлюкс систем важно как с фундаментальной, так и с практической точек зрения. Это позволит выяснить молекулярные механизмы поведения бактерий в популяциях и их взаимоотношений в экосистемах, а также поможет решить проблему борьбы с множественной лекарственной устойчивостью патогенных и условно-патогенных микроорганизмов. Поиск, изучение физиологических функций, характеристика свойств эффлюкс систем патогенных бактерий позволит найти новые мишени для создания эффективных лекарственных средств.
В обзоре обсуждаются данные об эффлюкс системах S. marcescens, проведена сравнительная характеристика организации генов известных систем ЯНЭ-типа, методами биоинформационного анализа в геноме S. marcescens идентифицированы гены эффлюкс систем по гомологии с известными генами энтеробактерий.
КЛАССИФИКАЦИЯ ЭФФЛЮКС СИСТЕМ
В настоящее время эффлюкс помпы множественной лекарственной устойчивости (MDR от multidrug resistance) подразделяют на 2 класса: АВС-транспортеры и вторичные транспортеры множественной лекарственной устойчивости [29]. Основным различием этих классов является источник энергии, используемый для транспорта. Системы АВС-типа используют энергию гидролиза АТФ, в то время как вторичные транспортеры используют протонную движущую силу. АВС-транспортеры составляют одно семейство, а вторичные транспортеры по результатам гомологии аминокислотных последовательностей и вторичной структуре подразделяютна четыре семейства: MFS (the Major Facilitator Superfamily), MATE (the Multidrug And Toxic compound Extrusion), SMR (the Small Multidrug Resistance) и RND (Resistance-Nodulation-Division) [30—33]. Схематично строение этих систем представлено на рис. 1.
Транспортные системы АВС-типа являются эволюционно консервативными от бактерий до человека и экспортируют огромное количество субстратов за счет гидролиза АТФ. Эти системы содержат трансмембранный и нуклеотид-связы-вающий домены, которые могут находиться на одном или отдельных белках [34]. Пермеазы, формирующие пору в цитоплазматической мем-
бране, обычно содержат 6 трансмембранных доменов и имеют тенденцию к образованию диме-ров. Примером такой системы у грамотрицатель-ных бактерий является система MacAB E. coli [35].
С клинической точки зрения наиболее значимыми являются RND-системы, функционирующие как протон/антибиотик антипортеры [36]. Они широко распространены среди грамотрица-тельных бактерий и катализируют активный выброс широкого спектра антибактериальных соединений, включая многие антибиотики и химиопре-параты. Типичной бактериальной системой является AcrAB-TolC E. coli [37, 38]. Эти помпы состоят из трех компонентов: белка внутренней мембраны (AcrB) с 12 трансмембранными доменами и двумя большими периплазматическими петлями, так называемого мембранного белка-адаптора (membrane fusion protein, MFP) (AcrA) и белка, формирующего канал во внешней мембране (TolC) [39-41].
MFS-семейство включает огромное количество белков и является наиболее разнообразным семейством среди вторичных транспортеров. MFS-белки имеют 12 или 14 трансмембранных доменов. Примерами таких систем являются EmrAB и MdfA помпы S. enterica ser. Typhimurium [22].
Белки из семейства MATE имеют схожую топологию с белками MFS. Однако они составляют отдельную группу из-за низкой гомологии аминокислотных последовательностей. Эти белки имеют 12 трансмембранных доменов и используют градиент натрия для экспорта токсичных компонентов, подобных фторхинолонам, аминогли-козидам и катионным ядам. К этому семейству относят системы NorE E. coli и MdtK S. enterica ser. Typhimurium [22, 42].
Члены SMR-семейства являются небольшими белками, состоящими из 107-110 аминокислотных остатков. Такие белки содержат четыре трансмембранных домена и формируют тетраме-ры в цитоплазматической мембране. Число SMR-транспортеров, связанных с устойчивостью к антибиотикам, относительно мало. Примером таких эффлюкс систем является SsmE S. marcescens [43].
Экспрессия эффлюкс систем контролируется двукомпонентными сигнально-сенсорными системами (BaeS-BaeR, CpxA-CpxR, EvgS-EvgA), а также специфичными репрессорами (AcrR, AcrS, MarA, EmrR и др.) [9]. Например, контроль экспрессии помпы AcrAB-TolC осуществляется на нескольких уровнях: локально экспрессия контролируется репрессором AcrR [44], а на более высоком уровне - стрессовыми условиями и такими регуляторами, как MarA, SoxS и Rob [45, 46, 9].
В семействе Enterobacteriaceae MDR эффлюкс системы хорошо изучены у E. coli и S. enterica ser. Typhimurium. Гены, кодирующие MDR эфф
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.