جزایربیماریزایی درباکتری های بیماریزا
محمدعلی ملکان , مهنازتوکلی, ملودسراجی ,هدی احمدی
مقدمه:
هریک ازباکتری های بیماریزا مکانیسم خاصی جهت ایجادبیماری دارند.فاکتورهای بیماریزایی توسط ژن های باکتریال ایجادمی شوند که ممکن است روی پلاسمید یاکروموزوم باشند.بسیاری ازاین ژن هاروی اپران های خاصی وجوددارند که ازژن های متعددی تشکیل شده که باهمکاری هم مکانیسم خاصی ازبیماریزایی راایجادمی کنند.به مجموعه این اپران ها “جزایربیماریزایی ” اطلاق می شود.

• PAI درواقع زیرگروهی از”جزایرژنومی” است که ترکیب وسازماندهی مشابهی بااین جزایردارد.براساس مدلی که پترسون وهمکارانش درسال ۱۹۹۸ ارائه دادند, سلول باکتری درابتدا بصورت انتقال افقی ژن بلوک هایی از ژن های بیگانه رادریافت کرده وبنام جزایر ژنومی خوانده می شود.سپس باکتری ژن هایی راکه باعث افزایش تناسب خود می شود راحفظ کرده ,ژن هایی که نقشی درتناسب وبقامیکروب ندارد رادرطول تکامل ازدست می دهدوبصورت جزایر تناسبی درمی آید.این جزایربراساس محیط زندگی باکتری اختصاصی شده وبه زیرگزوه هایی تقسیم می شوند.آن دسته ازجزایرتناسبی که به میکروارگانیسم کمک می

کندتادرخارج ازبدن موجودزنده بقاداشته باشد” جزایراکولوژیکی” نامیده می شود.وآن دسته ازجزایرتناسبی که باعث بقا میکروب دربدن یک جانداربه عنوان ساپروفیت می شود ” جزایر ساپروفیتی ” خوانده می شود. اگرجزایرتناسبی باکتری, درمیزبان باقی مانده ومزایایی رابرای خودومیزبان فراهم کند “

جزایرهمزیستی ” است.ودرنهایت اگراین جزایرباعث ایجادبیماری درموجودکنند, یعنی به عنوان یک انگل عمل کنند” جزایر بیماریزا ” گفته می شود.
• دراواخر دهه ۱۹۸۰ جورج هکروهمکارانش دردانشگاه ورتزبورگ آلمان اولین مطالعه راروی PAI انجام دادند. این گروه مشغول بررسی اساس ژنتیکی UPEC سویه ۵۳۶ و ۹۶J بودند که رابطه ای بین محل استقرار ژنهای کدکننده فیمبریه p وهمولیزین با خود این دوشدند.قبلا” محل این دوژن وخاصیت بالای بیماریزایی آن تشریح شده بود اما هکر مشاهده کردکه باحذف وموتاسیون این ژن ها بیماریزایی باکتری ازدست می رود.بنابراین نام جزایر DNA بیماریزایی برروی این دسته از ژن ها گذاشته شدکه بعدهاباکشفیات جدیدوتعیین توالی کامل باکتری هابه جزایربیماریزایی تغییرنام داد.

• PAI نقش بسیارمهمی درویرولانس باکتری های بیماریزا درانسان, حیوانات وگیاهان ایفا می کند که درقسمت های بعدی به تفضیل بحث خواهدشد.
• PAI درطول تکامل ازاجدادمحیطی وغیربیماریزا بدست آمده است.

• کسب اطلاعات درباره ساختار مکانیسم انتقال PAI وفاکتورهایی که کدمی کنند کمک شایانی به درک بهترتکامل باکتری است.هم چنین رابطه پاتوژن باسلول میزبان یوکاریوتی راتعیین می کند.بوسیله PAI می توان سیستم های انتقالی وواکسیناسیون رابهبودبخشید وازهمه مهم تر ایجادراه کارهای جدید وموثری برای درمان عفونت های باکتریال است.
ساختار:

• PAI بیش از یک یادوژن بیماریزاراحمل می کند.عناصرژنومی بامشخصاتی شبیه به PAI ولی بدون ژن های بیماریزا جزایریا ژنوم های متابولیسم اند.
• PAI درژنوم باکتری های پاتوژن حضورداردامادرغیربیماریزاها حتی ازیک گونه هم حضورندارد.

• PAI نسبتا” فضای ژنومی بزرگی رااشغال می کند.بیشتر PAI ها در اندازه ۲۰-۱۰کیلو بازقراردارند.
• ترکیب بازی PAI ازژنوم هسته متفاوت است همینطور codon usage آن.ترکیب بازی به عنوان درصدی ازبازهای گوانین وسیتوزین درنظرگرفته می شود که درباکتری هابطورمعمول بین %۷۵-۲۵ است.امابیشترگونه های بیماریزا محتوای G+C شان بین %۶۰-۴۰ است.دلیل این تفاوت هنوزشناخته نشده است اما این تفاوت می تواند به عنوان یک شاخص شناسایی عمل کند.مشاهده شده که PAI افقی بدست آمده دریک باکتری دقیقا” ترکیب بازی گونه دهنده خودش رادارد

به عبارت دیگردرطول تکامل ترکیب بازی DNA افقی بدست آمده دریک باکتری از یک گونه می تواندبه گونه دیگر منتقل شود که این حالت نظریه سیالیت یاناثباتی PAI راتاییدمی کند. topology DNA یا شکل فضایی DNA codon usage, فاکتورهایی محسوب می شوند که باعث حفظ حالت تفاوت ترکیب بازی PAI از سایرنقاط هسته می شود.

• PAI تقریبا”همیشه درنزدیکی ژن های tRNA قراردارد.درواقع لوکوس tRNA می تواندیک مکان پایداری خوبی برای ژن های PAI باشد.یک نظریه آن است که درانتقال افقی ژن قطعه DNA منتقل شونده حاوی ژن های tRNA باشدکه هردوباهم وارد ژنوم گیرنده شوند.نظریه دیگرآن است که باکتریوفاژهای بخصوصی ازژن های tRNA به عنوان نقاط اضافه شدن واضافه کردن DNA ازژنوم میزبان بهره می گیرند.

• PAI همیشه همراه عناصرژنتیکی سیار می باشد. PAI اغلب درکنار DR یاواحدهای تکراری مستقیم هستند. DR توالی های کاملا” تکراری هستند به اندازه ۲۰-۱۶ جفت باز (حداکثر۱۳۰). DR ها مناطقی هستند برای آنزیم هایی که درگیربرش زدن عناصرژنتیکی اند.به همین دلیل می توانند باعث ناثباتی PAI ها

شوند که اگردرطی این مکانیسم هایی که DR مسئول حذف PAI هستند حذف صورت بگیرد باعث کسر سایز ژنومی می شود که نتیجه آن سیکل تکثیر کوتاه شده که خودیک مزیت دررقابت با سایر باکتری هامحسوب می شود. PAI همچنین ژن های مخفی وسیاری مانند ترانسپوزون هاو اینتگریس ها راحمل می کند که دردسته ای ازباکتری هاپروتئین هایی راکدمی کندکه دربرش زنی وحذف PAI دخالت دارند. این ژن های سیارمی توانندموقعیت شان رادرطول کروموزوم تغییردهند وحتی ترانسپوزون هاقادرند ازموقعیت کروموزوم به پلاسمیدتغییرمکان دهند.IS یاعناصراضافه شونده نیزتقریبا” همیشه در PAI وجودداردکه می تواند باعث غیرفعال شدن ژن شودولی ترکیب دویاچند IS باعث جابجایی پروتئین هادر PAI می شود.

• اغلب PAI هابی ثباتند وبافراوانی های مشخصی حذف می شوند.عناصری مانند ترانسپوزون هاIS, واینتگرین ها باعث بی ثباتی PAI می شوند.جالب اینکه فاکتورهای ویرولانس توسط PAI هایی کدمی شودکه دارای ژن هایی بافراوانی بالای موتاسیون اند.

• PAI اغلب ساختارموزاییک مانندی رانشان می دهد.در PAI عناصرژنتیکی مختلفی وجوددارد که ازگیرنده های متفاوتی است که درطول تکامل ازچندین میزبان درچندین نقطه زمانی بطورمستقل بدست آمده است.این عناصردریک نقطه ازکروموزوم باکتری جمع می شوند بنام جزایربیماریزایی که منطقه ای محسوب می شودبرای ورود سایر عناصر.

ژنوم هسته دررابطه بامحتوای G+C codon usage, وغیره بسیارهموژن می باشد.درهسته مخزن ژنی قابل انعطافی وجوددارد که بوسیله عناصرژنتیکی سیارایجادمی شود.علیرغم اینکه بسیاری ازژن های مخزن ژنی انعطاف پذیر مزایای منتخب شان را به باکتری های دیگر می بخشند تعدادکمی ازDNA باکتری های خودخواه وجوددارند که تنهابه فکرانتشارخودهستند.این عناصربخشنده همان عناصر اضافه شوندهIS هستند و PAI قسمتی از مخزن ژنی انعطاف پذیر است.

اعمال:

• PAI اعمالی راکه می تواندبرای بقاوانتقال میکروب مفیدباشدراکدمی کند.برای مثال PAI کدکننده ی جذب سوکروزدر سالمونلا سنفتنبرگ(s. senfteberg) برای سازگاری متابولیکی این باکتری درمیزبان می باشد.

SHI-2 نام جزایر بیماریزایی شیگلا است که بقا میکروب رادرمحیط های نامساعدامکان پذیر می سازد. مثال دیگرسودوموناس هامی باشدکه جزایربیماریزایی حمل می کنند که کدکننده ی آنزیم های دژنرسانس ترکیبات فنولی است.

بعضی ازجزایربیماریزایی سیستم جذب آهن رارمزمی کنندکه ظرفیت باکتری رابرای رشدوبقا درمیزبان بالا می برند مانند گونه هایی ازانتروباکتریاسه ها وسودوموناسه ها .سیستم جذب آهن یرسینیا باکتین دریرسینیا به عنوان یک جزیره تناسبی ظاهرمی شود وبه باکتری کمک می کندتادرشرایط کمبود آهن هم بقاداشته باشد.این سیستم درباکتری دیگری بعنوان عاملی برای کلونیزه شدن باکتری درمیزبان است.هردواین فاکتورهادرلوکوس PAI قراردارندواین بدان معنی است که جزایر مشابهی اعمال متفاوتی راممکن است انجام دهند.همانطورکه اشاره شدتقسیم بندی جزایر تناسبی به زیرگروه های مختلف براساس ترکیب ژنتیکی شان نیست بلکه براساس ترکیب شان وحضورشان درموقعیت اکولوژیکی ومیزبان می باشد.

• PAI حاوی ژن هایی است که فاکتورهای مقاومت آنتی بیوتیکی راکدمی کنند. مهمترین مثال دراین مورد ژن mecA دراستافیلوکوکوس اورئوس است که بقامیکروارگانیسم را درمیزبان بالا می برد. این ژن که درجزایربیماریزایی جای دارد مقاومت نسبت به متی سیلین رادرسویه های MRSA کدمی کند.
یا SRL بنام لوکوس مقاومت شیگلا درگونه های مختلف شیگلا نسبت به استرپتومایسین تتراسایکلین وآمپی سیلین مقاومت ایجادمی کند.
SGI-1 درسالمونلا تیفی موریوم مقاومت چندگانه ای نسبت به داروهای مختلف نشان می دهد.

• PAI نشان دهنده ی تکامل باکتریایی است که درمدل پترسون به آن اشاره شد.
• PAI مسئول سنتز پروتئین هاوعوامل اتصال است که درسیستم های ترشحی مختلف انجام می شود.پروتئین های ترشحی درپوشش سلول متابولیسم محافظت وتماس باسلول میزبان درطول بیماریزایی لازم است.درباکتری های گرم مثبت پروتئین های سطحی وخارجی سلول توسط مسیرهای ترشحی عمومی ترشح می شوند.درعوض حضور OM درباکتری های گرم منفی منجربه شکل گیری سیستم های ترشحی ویژه شده است.

این سیستم هاتوسط جزایربیماریزایی کدمی شوندوفاکتورهای بیماریزایی زیادی ازجمله توکسین وآنزیم رامی سازند.این سیستم هابه ۵ تیپ تقسیم بندی شده انداز T4SS-T1SS که درمکانیسم شان باهم متفاوتند.به عنوان مثال بیشترفراورده های بیماریزایی تولید تیپ اول سیستم ترشحی همولیزین هاهستند مانند اپرانhly درUPEC که مسئول سنتز فعال سازی وانتقال آلفاهمولیزین هاست.

T3SSُُ یا تیپ سوم سیستم ترشحی اجتماع پیچیده ای از بیش از ۲۰ ژن است که تعدادزیادی اززیرواحدهای آن درگیرویرولانس هستند.البته اگرچه این سیستم به عنوان سیستم ترشحی خوانده می شودولی عمل اصلی آن فقط ترشح پروتئین ها به محیط خارج نیست بلکه جابجایی رانیزانجام می دهدکه بطوراساسی درعملکردهای سلول میزبان اختلال می کند وموجب مرگ یاخودکشی سلول واختلال درفرایندهای انتقالی درون سلولی می شود.

این سیستم اختصاصا”برای ترشح وآزادکردن فاکتورهای ویرولانس به طورمستقیم درسلول میزبان است.این فاکتورهااعمال طبیعی سلول میزبان رابرای دفع وخنثی کردن باکتری متوقف می کنند. یرسینیاپستیس ازپروتئین های سیستم ترشحی ۳ جهت خنثی سازی سلولهای ایمنی استفاده می کند. هنگامیکه این باکتری به بافت هدف متصل می شود ۱۰ مولکول موثرترشح می کندکه حداقل ۳ تای آنها رابه داخل سلول تزریق می کند.دوتاازاین مولکول های واردشدهYopBوYopD هستندکه باماکروفاژهاواکنش داده وآنها رانابودمی کنند.

البته واضح است که سیستم ترشحی تنهابرای سنتزپروتئین هاوعوامل بیماریزا کاربردنداردبلکه ساخت مولکول های حیاتی دیگری ازجمله تنظیم کنده ها وپروتئین های ساختاری راهم انجام می دهند.دوپروتئین YopD, YopB دریرسینیاوجودداردکه بدون حضوراین دوپروتئین های ترشحی ساخته نمی شوندونمی توانندبه سلول هدف متصل شوند.

پروتئینYscN نیز دریرسیناATP راهیدرولیز می کندبنابراین تامین کننده ی انرژی باکتری است.
تیپ جهارم سیستم ترشحی نیزقادربه جابجایی پروتئین هابه سلول یوکاریوتی هدف می باشد.درآگروباکتریوم تیومی فاسینس این تیپ برای انتقال کمپلکس DNA- پروتئین به داخل سلول گیاهی می شودکه باعث القای تشکیل تومور درگیاه خواهدشد.
این سیستم دربردیتلاپرتوزیز گونه های سالمونلا, لژیونلاپنوموفیلا, گونه های بروسلا وهلیکوباکترپیلوری وجوددارد.درهلیکوباکترپیلوری تیپ چهارم توسط PAI خاصی بنامَcagA کدمی شود.پروتئینcagA سنتزشده خاصیت سیتوتوکسیتی دارد.

تیپ پنجم بصورت خودبخودی انتقال پروتئین هاراانجام می دهد.این تیپ ترشحی پروتئازهایIgG راسنتزمی کند.توکسین vacAدر هلیکوباکترپیلوری توسط این سیستم ساخته می شودکه القاکننده ی واکوئل دراپی تلیال سلول هدف درنتیجه مرگ سلول است.

مثال های دیگری ازاین سیستمLpA,Espc در پاتوژنیک E.coliاست. SPI-3 درسالمنلا انتریکا جزیره بیماریزایی است که مهم ترین فاکتوری که کدمی کندMgtCB است که برای خاصیت فنوتیپی داخل سلولی سالمونلا برای هماندسازی داخل سلولی مهم است.البته هنوز نقش دقیق این ژن مشخص نشده است.

جزایربیماریزایی درباکتری های گرم منفی:

• هلیکوباکترپیلوری: بنام VACA وcagA.
VacA القا ایجادتوموردرسلول های اپی تلیال بافت هدف کرده درنتیجه باعث مرگ سلول خواهدشد.
ژن cagA ساختارسیتوتوکسینی دارد.کاشف این PAI فردی به نام censini بوده که متوجه شدکه این PAI کدکننده تیپ ۴ سیستم ترشحی است.
• گونه های شیگلا: شیگلا دارای ۵ PAI مختلف است.

۱٫ SHI-O حامل ژن هایی هستند که آنتی ژن ۰ رادرسروتیپ های ۱ شیگلا رمزمی کنند.
۲٫ SHI-1 شامل ژن های sigA,pic,set1A,set1B است. sigA یک اتوترانسپورترمی باشد.Pic باعث نفوذباکتری به سلول های اپی تلیال درنتیجه جایگزینی وتشکیل کلونی باکتری می شود. Set1A ,set1B تولیدانتروتوکسینshet1 راکدمی کنند.

۳٫ SHI-2 باعث تسهیل بقا شیگلا فلکسینری درشرایط نامناسب می شود.که شامل ایروباکتین است که باکتری را قادربه رشددرشرایط کمبود آهن می کند. همینطوردارای کلی سینV است تاباکتری دررقابت با سایرمیکروارگانیسم ها پیروز باشد.
۴٫ SRL بنام لوکوس مقاومت شیگلا (shigella resistant locus) که باعث مقاومت آنتی بیوتیکی علیه ۳ آنتی بیوتیک آمپی سیلین تتراسایکلین واسترپتومایسین می شود.

۵٫ SHI-3 که تنهادرS.boydii وجوددارد.
• سودوموناس ایروژینوزا: دارای ۱۰ PAI می باشد که فاکتورهای مختلفی نظیر توکسین پیوسین پروتئین هاو آنزیم های مختلف وLPs راکد می کنند. از آن جمله PAGI 1-3 است بنام جزایرژنومی سودوموناس ایروژینوزا. PAGI 1 درعفونت های دستگاه ادراری دیده شده وPAGI 2,3 در بیماران سیستیک فیبروزیز.
• گونه های یرسینیا: جزایر بیماریزایی با نام HPI(High Pathogenicity Islands) که کدکننده ی سیستم جذب آهن است.
این جزایر بانام HPI درEPEC,EAEC,EIEC, STEC,DAEC,و کلبسیلا سیتروباکتر انتروباکتر نیزحضوردارد.

• ویبریوکلرا: بانام VPI که کدکننده ی TCP یاتوکسین تنظیم شونده توسط پیلی (Toxin co regulated pilus) است هم چنین فاکتور کلونیزه کننده یاCF رانیز به عنوان عامل چسبندگی به سطح بافت راهم رمز می کند.محل اتصال فاژ کلرا راهم این جزایرکدمی کنند.پروتئاز Mop نیز توسط PAI ساخته می شود. ToXT رارمز می کند که یک آبشارتنظیمی است برای بیان توکسین کلرا.