Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ГЕНОМ САЛЬМОНЕЛЛ (ОБЗОР)

Чугунова Е.О. 1 Татарникова Н.А. 1
1 ФГБОУ ВПО Пермская государственная сельскохозяйственная академия
Геном сальмонелл состоит из одной кольцевой хромосомы размером 4,8 млн пар нуклеотидов и ряда плазмид от 3 до 100 тысяч пар нуклеотидов (т.п.н.). Обуславливают генетическое разнообразие сальмонелл острова патогенности. Остров патогенности-1 (SPI-1) представляет собой участок ДНК размером 40 тысяч пар оснований, SPI-2 - 40 т.п.н. SPI-3 имеет размер 36 тысяч пар оснований, участвует в процессе внутриклеточного выживания и кодирует транспорт магния. SPI - 4 представляет собой 24 т.п.н. и участвует в адгезии к эпителиальным клеткам. SPI - 5 содержит менее 8 т.п.н. и необходим для инвазирования эпителия кишечника. SPI - 6 кодирует работу T6SS. SPI - 7 самый большой остров патогенности на сегодняшний день, содержит гены биосинтеза капсульного антигена Vi, отвечающего за вирулентность бактерии. SPI - 8 представляет собой фрагмент ДНК и является частью SPI-13. SPI-9 представляет собой локус размером 16 т.п.н. и содержит три гена, кодирующих T1SS. SPI-10 в S. typhi, состоит из 33 т.п.н. и включает несколько функционально несвязанных генов. SPI-11 участвует в интрамакрофагальной выживаемости сальмонелл. SPI – 12 кодирует специфические О-антигены. SPI - 13 состоит из 25 т.п.н. SPI-14 соответствует 9 т.п.н., кодирует цитоплазматические белки. SPI-15 состоит из 6,5 т.п.н., SPI - 16 из 4,5 т.п.н. SPI-17 кодирует остров в 5 т.п.н. SPI-18 размером 2,3 т.п.н., отвечает за инвазию сальмонелл в эпителиальные клетки кишечника человека. Другие острова патогенности не были идентифицированы как модули SPI, но они кодируют гены, ответственные за вирулентность бактерии.
остров патогенности.
серотипы
плазмиды
геном сальмонелл
сальмонеллы
1. Зайнуллин Л.И. Электрофосфоретические и антигенные свойства полипептидов сальмонелл и идентификация их геномов ПЦР : дис…канд. биол. наук Казань, 2003. – 157 с.
2. Зарицкий А.М. Сальмонеллезы. Киев. – «Здоровье». – 1988. – 160 с.
3. Колычев Н.М., Госманов Р.Г. Ветеринарная микробиология и иммунология. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: КолосС, 2003. – 432 с.
4. Шуляк Б.Ф. Руководство по бактериальным инфекциям собак. Том 2. Грамотрицательные бактерии. – М.: Издательство «ОЛИТА», 2003. – 608 с.
5. Abd E.l., Ghany M., Jansen A., Clare S., Hall L., Pickard D., Kingsley R., Dougan G. Candidate live, attenuated Salmonella entericaserotype Typhimurium vaccines with reduced fecal shedding are immunogenic and effective oral vaccines. // Infect Immun. 2007. Vol. 75. P. 1835–1842.
6. Bishop A., Baker S., Jenks S. et al. Analysis of the hypervariable region of the Salmonella enterica genome associated with tRNA(leuX). // J Bacteriol. 2005. Vol. 187. P. 2469–2482.
7. Blanc-Potard A., Groisman E. The Salmonella selC locus contains a pathogenicity island mediating intramacrophage survival. // EMBO J. 1997. Vol. 16. P. 5376–5385.
8. Buisan M., Rodriguez-Pena J.M., Rotger R. Restriction map of Salmonella enteritidis virulence plasmid and its homology with the plasmid of the Salmonella typhimurium // Microb Pathog. 1994. Vol. 16. P. 165 – 169.
9. Bukholm G., Figenschau K.J. Invasiveness of enterobacteria related to the presence of high molecular weight plasmids // Acta Pathol Microbiol Immunol Scand. 1988. Vol. 96. P. 30 – 36.
10. Chiu C., Tang P., Chu C. et al. The genome sequence of Salmonella enterica serovar Choleraesuis, a highly invasive and resistant zoonotic pathogen. // Nucleic Acids Res. 2005. Vol. 33. P. 1690–1698.
11. Chu C., Hong S.F., Tsai C., Lin W.S., Liu T.P., Ou J.T. Comparative physical and genetic maps of the virulence plasmids of Salmonella enterica serovars typhimurium, enteritidis, choleraesuis, and Dublin // Infect. Immun. 1999. Vol. P. 175 – 188.
12. D’Aoust J.Y. Salmonella Species // J. Food microbiology. 1997. Vol. 98. P. 223 – 230.
13. Edwards R., Matlock B., Heffernan B., Maloy S. Genomic analysis and growth-phase-dependent regulation of the SEF14 fimbriae of Salmonella enterica serovar Enteritidis. // Microbiology. 2001. Vol. 147. P. 2705–2715.
14. Eriksson S., Lucchini S., Thompson A., Rhen M., Hinton J.C. Unravelling the biology of macrophage infection by gene expression profiling of intracellular Salmonella enterica. // Mol Microbiol. 2003. Vol. 47. P. 103–118.
15. Folkesson A., Advani A., Sukupolvi S., Pfeifer J., Normark S., Löfdahl S. Multiple insertions of fimbrial operons correlate with the evolution of Salmonella serovars responsible for human disease. // Mol Microbiol. 1999. Vol. 33. P. 612–622.
16. Galán J., Curtiss R. III Cloning and molecular characterization of genes whose products allow Salmonella typhimurium to penetrate tissue culture cells. // P Natl Acad Sci USA. 1989. Vol. 86. P. 6383–6387.
17. Gerlach R.G., Jackel D., Stecher B., Wagner C., Lupas A., Hardt W.D., Hensel M. Salmonella pathogenicity island 4 encodes a giant non-fimbrial adhesin and the cognate type 1 secretion system. // Cell Microbiol. 2007. Vol. 9. P. 1834–1850.
18. Gulig P., Caldwell A., Chiodo V. Identification, genetic analysis and DNA sequence of a 7.8-kb virulence region of the Salmonella typhimurium virulence plasmid. // Mol Microbiol. 1992. Vol. 6. P. 1395–1411.
19. Gulig P.A., Doyle T.J. The Salmonella typhimurium virulence plasmid increases the growth rate of salmonellae in mice. // Infect Immun. 1993. Vol. 61. P. 504–511.
20. Gunn J., Alpuche-Aranda C., Loomis W., Belden W., Miller S. (1995) Characterization of the Salmonella typhimurium pagC/pagDchromosomal region. // J Bacteriol. 1995. Vol. 177. P. 5040–5047.
21. Haneda T., Ishii Y., Danbara H., Okada N. Genome-wide identification of novel genomic islands that contribute to Salmonellavirulence in mouse systemic infection. // FEMS Microbiol Lett. 2009. Vol. 297. P. 241–249.
22. Hansen-Wester I., Hensel M. Genome-based identification of chromosomal regions specific for Salmonella spp. // Infect Immun. 2002. Vol. 70. P. 2351–2360.
23. Hashimoto Y., Li N., Yokoyama H., Ezaki T. Complete nucleotide sequence and molecular characterization of ViaB region encoding Vi antigen in Salmonella typhi. // J Bacteriol. 1993. Vol. 175. P. 4456–4465.
24. Horiuchi S., Goto N., Ingki Y., Nakaya R. The 106-kilobase plasmid of Salmonella braenderup and the 100-kilobase plasmid Salmonella typhimurium are not necessary for the pathogenicity in experimental models // Microbiol Immunol. 1991. Vol. 35. P. 187 – 198.
25. Jones G., Rabert D., Svinarich D., Whitfield H. Association of adhesive, invasive, and virulent phenotypes of Salmonella typhimurium with autonomous 60-megadalton plasmids. // Infect Immun. 1982. Vol. 38. P. 476–486.
26. Kingsley R., Bäumler A. Pathogenicity islands and host adaptation of Salmonella serovars. // Curr Top Microbiol. 2002. Vol. 264. P. 67–87.
27. Kingsley R., Humphries A., Weening E. et al. Molecular and phenotypic analysis of the CS54 island of Salmonella entericaserotype Typhimurium: identification of intestinal colonization and persistence determinants. // Infect Immun. 2003. Vol. 71. P. 629–640.
28. Kotetishvili M., Stine O.C., Kreger A., Morris J.G., Sulakvedze A. Multilocus Sequence Typing for Characterization of Clinical and Environmental Salmonella Strains // J Clin Microbiol. 2002. Vol. 40. P. 1626 – 1635.
29. Lesnick M., Reiner N., Fierer J., Guiney D. The Salmonella spvB virulence gene encodes an enzyme that ADP-ribosylates actin and destabilizes the cytoskeleton of eukaryotic cells. // Mol Microbiol. 2001. Vol. 39. P. 1464–1470.
30. McClelland M., Sanderson K., Spieth J. et al. Complete genome sequence of Salmonella enterica serovar Typhimurium LT2. // Nature. 2001. Vol. 413. P. 852–856.
31. Miao E., Scherer C., Tsolis R., Kingsley R., Adams L., Bäumler A., Miller S. Salmonella typhimurium leucine-rich repeat proteins are targeted to the SPI1 and SPI2 type III secretion systems. // Mol Microbiol. 1999. Vol. 34. P. 850–864.
32. Miller S.I., Kukral A.M., Mekalanos J.J. A two-component regulatory system (phoP phoQ) controls Salmonella typhimuriumvirulence. // P Natl Acad Sci USA. 1989. Vol. 86. P. 5054–5058.
33. Morgan E. Salmonella pathogenicity islands. Salmonella Molecular Biology and Pathogenesis (Rhen M., Maskell D., Mastroeni P., Threlfall J. et al.) // Horizon Bioscience, Norfolk. 2007. Рp. 67–88.
34. Morgan E., Campbell J.D., Rowe S.C. et al. Identification of host-specific colonization factors of Salmonella enterica serovar Typhimurium. // Mol Microbiol. 2004. Vol. 54. P. 994–1010.
35. Parkhill J., Dougan G., James K. et al. Complete genome sequence of a multiple drug resistant Salmonella enterica serovar Typhi CT18. // Nature. 2001. Vol. 413. P. 848–852.
36. Pickard D., Wain J., Baker S. et al. Composition, acquisition, and distribution of the Vi exopolysaccharide-encoding Salmonella enterica pathogenicity island SPI-7. // J Bacteriol. 2003. Vol. 185. P. 5055–5065.
37. Shah D., Lee M., Park J., Lee J., Eo S., Kwon J., Chae J. Identification of Salmonella gallinarum virulence genes in a chicken infection model using PCR-based signature-tagged mutagenesis. // Microbiology. 2005. Vol. 151. P. 3957–3968.
38. Shi L., Adkins J.N., Coleman J.R. et al. Proteomic analysis of Salmonella enterica serovar typhimurium isolated from RAW 264.7 macrophages: identification of a novel protein that contributes to the replication of serovar typhimurium inside macrophages.// J Biol Chem. 2006. Vol. 281. P. 29131–29140.
39. Slauch J., Lee A., Mahan M., Mekalanos J. Molecular characterization of the oafA locus responsible for acetylation of Salmonella typhimurium O-antigen: oafA is a member of a family of integral membrane trans-acylases. // J Bacteriol. 1996. Vol. 178. P. 5904–5909.
40. Taira S. and Rhen M. Molecular organization of genes constituting the virulence determinant on the Salmonella typhimurium 96 kilobase pair plasmid // FEBS Letters. 1989. Vol. 257. P. 274 – 278.
41. Townsend S., Kramer N., Edwards R. et al. Salmonella enterica serovar Typhi possesses a unique repertoire of fimbrial gene sequences. // Infect Immun. 2001. Vol. 69. P. 2894–2901.
42. Vernikos G., Parkhill J. Interpolated variable order motifs for identification of horizontally acquired DNA: revisiting the Salmonella pathogenicity islands. // Bioinformatics. 2006. Vol. 22. P. 2196–2203.
43. Williamson C.M., Baird G.D., Manning E.J. A common virulence region on plasmids from eleven serotyps of Salmonella // J Gen Microbiol. 1988. Vol. 134. P. 975 – 982.
44. Wong K., McClelland M., Stillwell L., Sisk E., Thurston S., Saffer J. Identification and sequence analysis of a 27-kilobase chromosomal fragment containing a Salmonella pathogenicity island located at 92 minutes on the chromosome map of Salmonella enterica serovar typhimurium LT2. // Infect Immun. 1998. Vol. 66. P. 3365–3371.
45. Wood M., Jones M., Watson P., Hedges S., Wallis T., Galyov E. Identification of a pathogenicity island required for Salmonellaenteropathogenicity. // Mol Microbiol. 1998. Vol. 29. P. 883–891.
46. Woodward M.J., McLaren I., Wray C. Distribution of virulence plasmids within Salmonella // J Gen Microbiol. 1989. Vol. 135. P. 503 – 511.
47. Zhang X.L., Tsui I.S., Yip C.M. et al. Salmonella enterica serovar Typhi uses type IVB pili to enter human intestinal epithelial cells. // Infect Immun. 2000. Vol. 68. P. 3067–3073.

Сальмонеллы - лактозонегативные грамотрицательные палочки удлиненной формы, с закругленными концами длиной 1...4 и шириной 0,3...0,8 мкм. Подавляющее большинство представителей рода Salmonella подвижны (за исключением S. gallinarum-рullorum), органами их движения являются 4-5 жгутиков, расположенных равномерно по всей поверхности микробной клетки [1, 3, 12]. Геном сальмонелл состоит из одной кольцевой хромосомы размером 4,8 млн пар нуклеотидов и ряда плазмид от 3 до 100 тысяч пар нуклеотидов (т.п.н.), при этом обнаружено значительное сходство между плазмидами вирулентности различных серотипов [8, 43, 46].

Геном серовара S.typhimurium полностью расшифрован в 2001 г.[4, 31, 42]. Ранее было установлено, что большинство штаммов S.typhimurium состоят из вирулентных плазмид размером около 90 т.п.н. [18, 19, 25].

 Плазмида S. dublin размером 76 т.п.н., включает 3 района вирулентности [43]. По данным азиатских ученых плазмида S. choleraesuis варьирует от 50 до 110 т.п.н., а у S. enteritidis - 60 т.п.н. [11].  Известно, что некоторые штаммы сальмонелл не имеют плазмид вирулентности, при этом они не теряют своей инвазивной способности [9, 24]. Хромосома S. enterica очень сходна с таковой E.coli и состоит из единственной циркулярной молекулы ДНК размером около 4 млн пар оснований. Среднее суммарное содержание в ней цитозина и гуанина составляет 52% [4].

Информацию о ферментах, ответственных за синтез и сборку полисахаридных частей О-антигена, кодирует кластер генов в локусе rfb хромосомы. Изменения О-антигена происходят в результате лизогенной конверсии хромосомных генов бактериофагами или мутаций [4, 39].

Образование жгутиков зависит от 3 классов генов, функции которых контро­лируются рядом регуляторов, в т.ч. сигма-фактором FliA и его антагонистом антисигма-фактором FlgM. У многих сероваров сальмонелл 2 набора генов флагеллина, из которых в экспрессии белка задействована только 1 аллель. Опероны, контролирующие синтез каждой фазы жгутикового антигена, также кодируют репрессор синтеза другой фазы флагеллина.

У S. enterica имеется 4 пильных оперона: fim (типа 1), lpf (длинных полярных пилей), pef (плазмидокодируемых пилей) и agf (тонких агрегативных пилей) [4].

Хромосомный локус inv включает 14 генов, наиболее известными из них являются invA, invE. Продукты данных генов необходимы для инвазии бактерий через эпителиальные клетки кишечника Часть этих генов гомологична генам E.coli, регулирующим сборку жгутиков [16, 28].

В тесной связи с локусом inv функционирует рядом лежащий локус Spa. Между его 12 генами и генами плазмиды вирулентности шигелл выявлена высокая степень идентичности и сходная последовательность локализации. Сходство ряда генов этих локусов с генами LcrD, LcrE и YscA йерсиний позволяет предполо­жить, что транспортировка инвазивных протеинов сальмонелл осуществляется по тем же механизмам, что и экспорт жгутиковых белков.

Упомянутые локусы включают в себя острова патогенности, обуславливающие генетическое разнообразие  сальмонелл. Сальмонеллы содержат ряд генов вирулентности, известных как модули или острова патогенности. На сегодняшний день известен двадцать один модуль SPI [35, 42]. Остров патогенности-1 (SPI-1) представляет собой участок ДНК размером 40 тысяч пар оснований [16].  Данный модуль кодирует 33 протеина, в т.ч. компоненты секреционной системы типа III (T3SS), регуляторные и секреционные эффекторные протеины, а также опероны. T3SS используются бактериями для введения белков, называемых эффекторами, непосредственно внутрь клеток-хозяев, которые будут выступать в качестве медиаторов вторжения клеток и модификаций, способствующих внутриклеточному росту [35]. Изменение генов invA, invF, invG, hilA, sipC, sipD, spaR и orgB этой системы ведет к 16-100-кратному снижению вирулентности S. enterica. Остров патогенности 2 (SPI-2) имеет размер 40 тысяч пар оснований. Он коди­рует второй вид секреционной системы типа III, который участвует во внутриклеточной выживаемости и системе сборки жгутиков. Приобретение SPI-2 позволило сальмонеллам перейти от выживания к репродукции в клетках хозяина и от местной инфекции пищеварительного тракта к системной диссеминации. Остров патогенности-3 (SPI-3) имеет размер 36 тысяч пар оснований, участвует в процессе внутриклеточного выживания и кодирует транспорт магния. Толь­ко один его ген (mgtC) ассоциирован с вирулентностью - кодируемый им продукт обеспечивает рост бактерии в макрофагах и проявление системной вирулентности за счет адаптации к условиям низкого содержания ионов магния и низкому рН фагосомы [7]. SPI - 4 представляет собой 24 т.п.н. и участвует в адгезии к эпителиальным клеткам [17, 33, 34, 44]. SPI - 5 является небольшим островом патогенности размером менее 8 т.п.н., он необходим для инвазирования эпителия кишечника [44].SPI - 6  кодирует работу T6SS, safABCD фимбриальный кластер генов и инвазивный pagN [15, 41]. SPI - 7  самый большой остров патогенности на сегодняшний день (отсутствует в S . Typhimurium, но присутствует в S .Typhi) [35]. В S . Typhi размер данного модуля составляет 134 т.п.н., что соответствует примерно 150 генов [22, 36]. Этот остров содержит гены биосинтеза капсульного антигена Vi, отвечающего за вирулентность бактерии  [23, 47]. SPI - 8 представляет собой фрагмент ДНК и является частью SPI-13 [35]. SPI-9 представляет собой  локус  размером 16 т.п.н. и содержит три гена, кодирующих T1SS [33, 34]. SPI-10 наиболее полно изучен в S. typhi, состоит из 33 т.п.н. и включает несколько функционально несвязанных генов [6, 13, 35]. Опыты Haneda et al.(2009) показали, что удаление SPI-10 из S. typhimurium штамм 14028 приводит к ослаблению вирулентности сальмонелл [21]. SPI-11 был первоначально идентифицирован в геномной последовательности серовара S. choleraesuis, его размер соответствовал 14 т.п.н. Несколько короче данный остров патогенности в S. typhimurium (6,7 т.п.н.) и в S. typhi (10 т.п.н.). SPI-11 участвует в интрамакрофагальной выживаемости сальмонелл [10, 20, 32]. SPI - 12 состоит из 15,8 т.п.н. в S. typhimurium и 6,3 т.п.н. в S. typhi, кодирует специфические О-антигены [22, 31, 39]. SPI - 13 был первоначально идентифицирован в серотипе S. gallinarum. Состоит из 25 т.п.н., однако 8 т.п.н. несут различную функциональную нагрузку в разных серотипах сальмонелл. Отвечают за гены,  кодирующие работу лиазы, гидролазы, оксидазы; вирулентность бактерии; репликацию внутри макрофагов [21, 37, 38]. SPI-14 соответствует 9 т.п.н., (отсутствует в S. Typhi) [33, 37]. Функция SPI-14 на сегодняшний день невыяснена, но известно, что данный остров патогенности кодирует цитоплазматические белки [14]. SPI-15 остров патогенности размером 6,5 т.п.н. (отсутствует в S. typhimurium). SPI - 16 находится в S. typhimurium и S. typhi,  размер его составляет 4,5 т.п.н. SPI-17 кодирует остров в 5 т.п.н. (отсутствует в S. typhimurium) [42]. SPI-18 был идентифицирован в S. Typhi, размером 2,3 т.п.н., в опытах in vitro установлено, что модуль отвечает за инвазию сальмонелл в эпителиальные клетки кишечника человека. Другие острова патогенности не были идентифицированы как модули SPI, но они кодируют гены, ответственные за вирулентность бактерии. [5, 26, 27].

Регуляторная система PhoP/PhoQ регулирует изменения липополисахаридов самой бактерии, что повышает ее резистентность к меняющимся условиям внешней среды и антимикробным препаратам, а также ведет к затруд­нению распознавания липополисахарида иммунной системой.

Гены spv (spvR, spvA, spvB, spvC и spvD) у S.typhimurium и S.enteritidis лока­лизуются в крупной (размером 50-100 тысяч пар оснований) плазмиде, а у осталь­ных сероваров в хромосоме. Кодируемые ими факторы обеспечивают распространение сальмонелл по организму, репродукцию в моноцитах, а также индук­цию апоптоза последних.

Ген shdA размером в 6105 пар оснований проявляет гомологию с участками ДНК шигелл и диареегенных штаммов E.coli. Он обеспечил S. enterica адаптацию к теплокровным животным и регулирование интенсивности выделения бактерии с фекалиями.

Уникальный ген sifA состоит из 300 пар оснований и имеет более низкое сум­марное содержание гуанина и цитозина (41%), чем другие части ДНК. От­вечает за образование филаментов, связывающих агента с мембраной фагосомы клеток эукариотов [4].

Итак, патогенные свойства микроорганизмов детерминиро­ваны в геноме. Причем некото­рые из них имеют одну группу детерминант, другие - четыре, чем и определяются различия в патогенности сальмонелл [2].

Рецензенты:

Кузнецов В.Ф., д.м.н., профессор, зав. кафедрой нормальной физиологии ГБОУ ВПО «Пермский государственный медицинский университет имени академика Е.А. Вагнера Минздрава России», г. Пермь;

Самоделкин Е.И., д.м.н., профессор кафедры патологической физиологии ГБОУ ВПО «Пермский государственный медицинский университет имени академика Е.А. Вагнера Минздрава России», г. Пермь.

 


Библиографическая ссылка

Чугунова Е.О., Татарникова Н.А. ГЕНОМ САЛЬМОНЕЛЛ (ОБЗОР) // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=16650 (дата обращения: 08.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074