Kontrolle von Genen für den konjugativen Transfer von Plasmiden und anderen mobilen Elementen

5.2 Plasmide mit breitem Wirtsbereich

5.2.1 Staphylokokken-Plasmide

Einige Staphylokokken-Plasmide sind 40-60 kb groß und übertragen mit niedriger Frequenz ( 104-106 Transkonjuganten pro Spender) auf festen Oberflächen. pGO1 (52 kb), das für Resistenzen gegen Aminoglykoside, Trimethoprim und quartäre Ammoniumverbindungen kodiert, dient als Modell für die Untersuchung der genetischen Organisation der Transferregion solcher Plasmide. Die konjugative Transferregion wurde durch Transposon-Mutagenese lokalisiert. DNA-Sequenz und transkriptionelle Organisation der Transferregion (trs) identifizierten 14 orfs über eine 14-kb–Region, die wahrscheinlich funktionelle Gene (trsA-trsN) sind. trsA-trsM werden auf einem Strang in die gleiche Richtung transkribiert, während trsN divergent transkribiert wird und sein Promotor trsA teilweise überlappt. Ein Klon, der trs allein enthält, kann nicht unabhängig übertragen werden, und es wurde kein Kandidat oder Klon innerhalb oder angrenzend an trs gefunden. Ein zusätzlicher orf, der als nes (Nicking Enzyme of Staphylococcus) bezeichnet wird und sich 13,5 kb 5′ bis trs befindet, ist für die Konjugation essentiell . Seine vorhergesagte Aminosäuresequenz zeigt Ähnlichkeit mit bekannten Relaxasen. 100 bp 5′ bis nes liegt eine oriT-Sequenz, die identisch ist mit der oriT konjugativer oder mobilisierbarer Plasmide: RSF1010, pTF-FC2, R1162, pSC101 und pIP501. Nes kann bei oriT einen Einzelstrang-Nick erzeugen. Die Lage von oriT und nes weit weg vom trs-Cluster ist einzigartig in untersuchten Plasmiden und kann die kürzliche Insertion von Fremd-DNA widerspiegeln.

TrsN unterdrückt die Transkription von Genen, die für den konjugativen Transfer essentiell sind, indem es an Regionen 5′ an ihre Translationsstartstellen bindet . Gereinigtes TrsN bindet DNA und verzögert progressiv Fragmente, die Promotoren für trsL, trsA und trsN enthalten. Ein Überschuss an TrsN verringerte die β-Galactosidase-Aktivität in einer trsL-lacZ-Transkriptionsfusion und verringerte die Konjugationshäufigkeit von pGO1. Umgekehrt erhöhte sich die Transkriptions- und Konjugationshäufigkeit in Gegenwart von überschüssigem Ziel-trsL. β-Galactosidase-Aktivität nahm auch in trsG-, trsI- und trsK-Fusionen ab, die vom Promotor vor trsD transkribiert werden, obwohl keine Bindung von TrsN an dieses Promotorfragment vorliegt. Dies deutet auf ein komplexes Transkriptionsmuster hin, das noch nicht vollständig ausgearbeitet ist. nes ist unabhängig von der trsN-Regulation und produziert reichlich Transkripte, während die meisten trs-Transkripte aufgrund der Regulation durch trsN niedrig sind.

TrsN scheint die Genexpression eher zu modulieren als ein- und auszuschalten, sodass die Produkte zum richtigen Zeitpunkt und auf dem richtigen Niveau hergestellt werden. Dies deutet auf die Existenz verschiedener komplexer Rückkopplungsschleifen hin und darauf, dass trsN selbst reguliert werden kann. Es ist nicht klar, ob trsN auf trs-Genprodukte reagiert oder ob es Signale außerhalb der Zelle gibt, die konjugative Funktionen auslösen oder modulieren.

Die vollständige Nukleotidsequenz der Transferregion von pSK41 wurde kürzlich berichtet . traH kodiert für ein Lipoproteinprodukt, dessen letzte acht Reste der N-terminalen Signalsequenz die Ähnlichkeit der Aminosäuresequenz mit dem Peptid aufweisen, das mit dem pheromoninduzierten Konjugationsmechanismus von Enterococcus faecalis assoziiert ist, was auf eine mögliche Funktion dieses Peptids als Pheromon hindeutet. TraH wird von Enterococcus faecalis-Zellen, die das Plasmid pAD1 beherbergen, als Pheromon erkannt und kann daher auch beim pSK41-gerichteten DNA-Transfer eine Rolle spielen.

5.2.2 Streptokokken-Plasmide

Konjugatives Plasmid pIP501 (30.2 kb, die Resistenz gegen Makrolid, Lincosamid und Streptogramin sowie Chloramphenicol verleihen) kodiert für zwei Regionen, die an der Konjugationsfähigkeit beteiligt sind und durch Transposon-Mutagenese identifiziert wurden. Region A enthält eine funktionelle oriT-Stelle, die oriTs von gramnegativen Bakterien ähnelt, und sechs zusammenhängende offene Leserahmen (orf1–6) unmittelbar stromabwärts dieser oriT-Stelle. orf1 zeigte Ähnlichkeit mit gramnegativen Plasmid-Relaxase-Proteinen (MobA-Gen von RSF1010 und MobL–Gen von pTF-FC2), aber orfs2-6 waren einzigartig. Darüber hinaus konnten orfs3-6 Mutationen in trans ergänzen, während orf2 dies nicht konnte. Trotz Ähnlichkeiten in oriT und Relaxase deuten die Einzigartigkeit von orfs2–6 und ihrer mutmaßlichen Produkte darauf hin, dass es grundlegende Unterschiede zwischen Transfersystemen von grampositiven und gramnegativen Bakterien geben kann.

6 Konjugative Transposons

Konjugative Transposons kombinieren Merkmale von Transposons, Plasmiden und Bakteriophagen . Sie können wie Transposons aus DNA herausschneiden und in diese integrieren, obwohl durch einen anderen Mechanismus als der von gut untersuchten Tn5 und Tn10: sie transponieren durch kovalent geschlossene zirkuläre Zwischenprodukte und duplizieren die Zielstelle bei der Integration in die DNA nicht. Der konjugative Transfer erfolgt auch über ein kovalent geschlossenes Transferintermediat, wobei sie Plasmiden ähneln . Ihre Exzision und Integration ähnelt jedoch der Exzision und Integration anderer Bakteriophagen, und einige der kodierten Integrasen zeigen Sequenzähnlichkeit mit Mitgliedern der Lambda-Integrasefamilie . Sie kommen sowohl in grampositiven als auch in gramnegativen Bakterien vor. Die Haupttypen werden im Folgenden beschrieben.

6,1 Tn916

Tn916 (18.5 kb) wurde sowohl in E. faecalis (grampositiv) als auch in gramnegativen Arten wie Neisseria und Kingella gefunden und ein Transfer zwischen diesen Arten nachgewiesen. Es trägt das gleiche Tcr-Gen, tetM, das einen Ribosomenschutztyp von Resistenzprotein codiert, wie Tn5253 (60 kb), das in Streptococcus pneumoniae gefunden wurde . Die für den Transfer von Tn916 essentielle Region wurde kartiert und sequenziert . Keines der vorhergesagten Produkte dieser Region weist eine signifikante Sequenzähnlichkeit mit Geschlechtspilusproteinen konjugativer Plasmide auf, und da die Anzahl der Gene gering ist, ist dieses Transfersystem möglicherweise einfacher als das von F oder RK2 und es fehlt möglicherweise ein Geschlechtspilus. Ein kleines cis-wirkendes Fragment, das ein nicht übertragbares Plasmid mobilisieren kann, wenn ein intaktes Transposon in trans vorhanden ist, und daher oriT codieren sollte, enthielt vier Sequenzen, die entweder RP4 oder F oriTs ähnelten. Ein Orf in der Transferregion zeigte signifikante Ähnlichkeit mit dem Mobilisierungsprotein MbeE von ColE1. Somit kann einzelsträngige DNA während der Konjugation übertragen werden.

Der Transfer von Tn916 wird durch Tetracyclin 10-100-fach stimuliert. Dies könnte das indirekte Ergebnis einer Antibiotika-induzierten Stressreaktion sein. Da sich jedoch int und xis stromabwärts von tetM befinden, kann die Stimulation der tetM-Transkription durch Tetracyclin zu einem erhöhten Durchlesen von int und xis führen, was zu einer erhöhten Transpositionsfrequenz führen kann. Ein mögliches regulatorisches Gen, traA, befindet sich zwischen tetM und int / xis . Es wird vorgeschlagen, dass es ein niedriges Niveau der konstitutiven Transkription vom Promotor stromaufwärts von traA gibt und dass TraA ein Transkriptionsaktivator ist, der seine eigenen Transkriptions- und xis-Tn-Transkriptions- sowie Konjugationsgene hochreguliert. Auf diese Weise könnte die Transposition und damit indirekt der Transfer unter doppelter Kontrolle stehen, wie für die Transfergene von Ti-Plasmiden beobachtet.

6.2 Konjugative Transposons von gramnegativen Anaerobiern

Bei gramnegativen Anaerobiern, insbesondere Bacteroides, wurde eine Gruppe von Transposons gefunden, die völlig unabhängig von Tn916 sind . Sie sind viel größer: 65 kb bis über 150 kb . Wie Tn916 haben sie ein kreisförmiges Übertragungsintermediat . Sie können nicht verknüpfte integrierte Elemente verbrauchsteuerpflichtig machen und mobilisieren (siehe Abschnitt 6.4). Die meisten von ihnen tragen einen Ribosomenschutztyp des Tcr-Gens tetQ und besitzen ein kompliziertes Regulationssystem, das Tetracyclin erfasst und Transferfunktionen steuert. Zwei Familien sind bekannt: Tcr ERL und Tcr Emr 78539.

Die für den konjugalen Transfer notwendige und ausreichende Region des Bacteroides transposon Tcr Emr DOT wurde auf ein 18-kb-Segment lokalisiert. Die oriT-Region befindet sich in der Mitte des Transposons . Die Fähigkeit, ein Plasmid in cis zu mobilisieren, legt nahe, dass nach dem Einbringen eines Nicks in oriT ein einzelner Strang durch die Gegenpore transportiert wird. Das oriT weist keine Sequenzähnlichkeit zu oriTs konjugaler E. coli-Plasmide oder den Enden von T-DNA auf. Darüber hinaus sind die Gene, die für Transferproteine kodieren, mindestens 3 kb von der oriT-Region entfernt lokalisiert. Der an oriT angrenzende orf kodiert für ein regulatorisches Protein RteC, das die Expression der tra-Gene steuert.

Eine kurze Exposition von Bacteroides-Donor, der Tcr-Emr-DOT trägt, gegenüber niedrigen Tetracyclinspiegeln stimuliert den Selbsttransfer um das 10 000-fache . Diese Stimulation ist wahrscheinlich nicht auf Stress zurückzuführen, der durch die Hemmung der Proteinsynthese durch Tetracyclin verursacht wird, da das ungiftige Analogon Chlortetracyclin auch den Transfer stimuliert. Tetracyclin stimuliert die 20-fache Transkription des Operons, das tetQ und die regulatorischen Gene rteA und rteB enthält (Abb. 6) . RteA hat Aminosäuresequenz Ähnlichkeit mit dem Sensorprotein von zwei Komponenten regulatorischen Systemen , aber seine Rolle bei der Kontrolle der Übertragung ist nicht etabliert .

RteB hat Aminosäuresequenz Ähnlichkeit mit dem Aktivatorprotein von zwei Komponentensystemen und so kann mit RteA funktionieren. Es ist essentiell für den Transfer und aktiviert rteC, ein Downstream-Gen. Es scheint auch als Antirepressor zu wirken, um der Wirkung eines noch nicht identifizierten Repressors entgegenzuwirken, der normalerweise die Expression von Transfergenen verhindert : Die Transferregion von Tcr Em DOT, die in Abwesenheit von rteABC und dem mutmaßlichen Repressor kloniert wurde, kann konstitutiv übertragen. RteC ist essentiell für den Selbsttransfer, aber nicht notwendig für die Mobilisierung von co-residenten Plasmiden. Dies deutet darauf hin, dass RteC als Antirepressor wirkt, um die Expression von Ribosomengenen und / oder Genen zu kontrollieren, die für die Exzision und Zirkularisierung des konjugativen Transposons essentiell sind .

Es scheint unwahrscheinlich, dass sich diese komplexe Tetracyclin-Reaktion in der Zeit seit der ersten klinischen Anwendung dieses Antibiotikums entwickelt haben kann. Es ist unwahrscheinlich, dass Tetracyclin, das in der Natur von Actinomyceten produziert wird, zur Evolution dieses Systems beiträgt, da die beiden Organismen in verschiedenen Nischen leben. Eine andere Möglichkeit ist, dass Tetracyclin nicht der natürliche Induktor ist, sondern einer Pflanze phenolische Verbindungen ähnelt, die der eigentliche Induktor ist. Da Bacteroides nur auf festen Oberflächen konjugieren, könnte die Anwesenheit von Pflanzen das Vorhandensein einer geeigneten Oberfläche für die Paarung signalisieren .

6.3 Erstes konjugatives Transposon in Enterobacteriaceae

CTnscr94 ist ein großes (∼100 kb), konjugatives Transposon in Enterobacteriaceae, das sich RekA-unabhängig an zwei spezifischen Bindungsstellen in das Chromosom von E. coli integriert. Eine der Bindungsstellen wurde innerhalb von pheV, dem Strukturgen für tRNAphe, identifiziert. Das Transposon kodiert einen PTS-abhängigen Saccharose-Fermentationsweg. Es scheint das erste konjugative Transposon zu sein, das in enterischen Bakterien identifiziert wurde. Bisher gab es nur einen Bericht über ein mutmaßliches konjugatives Transposon, R391, das in Proteus rettgeri gefunden wurde, aber es wurde nicht gut dokumentiert.

6.4 Mobilisierung von unverknüpften, integrierten DNA-Segmenten durch Bacteroides konjugative Transposons: NBUs

NBUs, nonreplicating Bacteroides units (10-12 kb), sind integrierte Elemente, die eine hohe Homologie in einer internen Region aufweisen, die Mobilisierungsgene (mob) und oriT enthält. Exzision und Zirkularisierung von NBUs werden durch RteB ausgelöst, das durch konjugative Transposons bereitgestellt wird . Die Expression von rteB wird durch niedrige Tetracyclinspiegel induziert, so dass das Vorhandensein eines konjugativen Transposons und die Exposition gegenüber Tetracyclin für die Exzision und Mobilisierung von NBUs erforderlich sind. NBUs kodieren nur ein einzelnes Mobilisierungsprotein, das in der Lage ist, an oriT zu binden, zu nicken und den Transfer einer einzelsträngigen Kopie durch eine Paarungspore zu initiieren, die durch das konjugative Transposon bereitgestellt wird . Die NBU1-Zielstelle befindet sich am 3′-Ende eines tRNAleu-Gens . Das Integrase-Gen intN1 von NBU1 wird konstitutiv exprimiert. NBU Kreisformen werden auch durch IncP-Plasmide R751 und RK2 mobilisiert. Sie können von Bacteroides auf E. coli übertragen und unspezifisch in das E. coli-Genom integriert werden.

6.5 Schlussfolgerungen zu konjugativen Transposons

Konjugative Transposons tragen zur Verbreitung von Antibiotikaresistenzgenen in klinisch wichtigen Bakterien wie Bacteroides und grampositiven Kokken bei. Die Übertragung vieler konjugativer Transposons von Bacteroides wird durch niedrige Antibiotikakonzentrationen stimuliert. So selektieren Antibiotika nicht nur resistente Stämme, sondern stimulieren auch den Transfer von Resistenzgenen. Daher kann die Verwendung von Antibiotika in subletaler Konzentration eine größere Wirkung auf die residente Mikroflora haben als bisher angenommen.

7 Andere Systeme

Eine Reihe anderer Systeme sind aus verschiedenen Gründen bemerkenswert, obwohl nur wenige molekulare Details über Kontrollmechanismen verfügbar sind. Die IncH-Plasmide sind ziemlich heterogen und bestehen aus mindestens vier Untergruppen: IncHI1, IncHI2, IncHI3 und IncHII. Die Genetik ist am besten für das IncHI1-Plasmid R27 zu verstehen, das von Interesse ist, da es ein Temperaturoptimum von 26-30 ° C aufweist und Informationen liefern kann, die für Plasmide aus Böden und Gewässern relevant sind, die im Allgemeinen viel niedrigere Temperaturoptima aufweisen als enterische Organismen .

Die Transferregion des IncI1-Plasmids R64 (122 kb Plasmid aus S. typhimurium) ist mit 54 kb die bisher größte Region. Die Region ist nicht einfach zusammenhängende Transferfunktionen, da stabile Vererbungsgene auch innerhalb des Segments gefunden wurden . Es kodiert zwei Pilus-Typen sowie Hilfsfunktionen wie Primase. Die erzeugten dicken Pili werden unter allen Bedingungen benötigt, während die dünnen Pili nur bei flüssigen Paarungen benötigt werden, bei denen Paarungspaare aufgrund der Bewegung von Spender und Empfänger eher auseinanderfallen. Basierend auf der vollständigen Sequenz der Pil-Region wird vorgeschlagen, dass die dünnen Pili zur Typ-IV-Familie gehören, die üblicherweise mit der Anheftung pathogener Bakterien an eukaryotische Zellen assoziiert sind . Es gibt mehrere Versionen des pilV-Gens, das das Pilin für den dünnen Pilus kodiert. Ein ungewöhnlicher Kontrollmechanismus ermöglicht die sequentielle Expression verschiedener pilV-Gene . Die als Shufflon bezeichneten DNA-Umlagerungen werden durch eine Reihe von sieben 19-bp-Wiederholungen gefördert, auf die eine ortsspezifische Rekombinase der Integrasefamilie einwirkt . Die Inversionen an diesen Stellen erlauben alle möglichen Kombinationen der vier verschiedenen Segmente, von denen drei zwei alternative C-Termini haben, die von jedem Ende codiert sind (A / A’, B / B’, C / C’). Das vierte Segment kodiert nur einen möglichen C-Terminus. Die verschiedenen Pilusproteine ermöglichen die Invasion verschiedener Wirtsspezies, so dass diese Umlagerungen den Transfer in bestimmte Wirte steuern. R64 zeigt eine positive Regulation durch zwei mutmaßliche Polypeptide, TraB und TraC, die für die Expression einer Reihe von transferassoziierten Funktionen benötigt werden, einschließlich des Gens für den dünnen Pilus und des Primasegens . Die oriT-Region besteht aus oriT und zwei Genen, nikA und nikB, die von einem Promotor in der oriT-Region transkribiert werden und somit durch das von NikA und NikB zusammengesetzte Ribosom autoreguliert werden.

Wie die IncP-Plasmide scheinen auch die IncN-Plasmide immer transferfähig zu sein. Die benötigten Gene sind in einer 12-kb-Region kodiert, die 14 tra-Gene umfasst: drei für die Ribosomenassemblierung und 11 für Mpf, wobei letzteres den IncP-trb-Genen, den Ti-virB-Genen und den Bordetella-ptl-Genen ähnlich ist . Eine Transferkompetenz ohne Überlastung des Wirts wird durch zwei Repressorgene, korA und korB, erreicht, die Teil der tra-Region sind, die als divergente Operonen aus einem Paar eng beieinander liegender Promotoren zwischen dem korB-kikA-Operon und dem traL-korA-traCDNEOFG-Operon organisiert ist. Diese beiden Promotoren sind als rücken an Rücken voneinander abweichende Promotoren organisiert, die durch eine einzige KorA / KorB-Bindungsstelle reguliert werden. Ein dritter Promotor, der allein vor traN steht, wird ebenfalls durch eine einzige KorA / KorB-Bindungsstelle reguliert. Es erfolgt somit eine autogene Regulation der Gene für die eheliche Paarungspore. Es wird keine Regulation beobachtet, es sei denn, beide Gene sind funktionell, was ein Mittel zur Koordination beider Operone darstellt, aber es ist nicht bekannt, ob beide Proteine oder nur eines an DNA binden. KorB scheint aus einer direkten Duplikation eines Polypeptids mit Ähnlichkeit mit der HN-S-Familie von histonähnlichen regulatorischen Proteinen zu bestehen . Die Regulation des verwandten Systems, das von IncW-Plasmiden kodiert wird, wurde nicht ausführlich untersucht, aber es ist bekannt, dass TrwA, eines der drei Ribosomenproteine, einen autogenen Steuerkreislauf bereitstellt, indem es in der Nähe von oriT bindet, das auch der Ort für das trwAp ist. TrwA zeigt Sequenzähnlichkeit zum TRAJ-Protein von IncP-Plasmiden, hat aber ein DNA-Bindungsmotiv ähnlich dem des TraY-Proteins von F.

Eine Reihe kleiner mobilisierbarer Plasmide verstärkt auch das Prinzip der autogenen Kontrolle der Gene für Ribosomenproteine. Die Mob-Region des Breitband-IncQ-Plasmids RSF1010 ist in einer 1,8-kb-Region eingeschlossen und kodiert für drei Proteine, die das Plasmid benötigt, um das IncP-Transfersystem auszunutzen. Die Gene für MobA und MobB überlappen sich, während MobC divergent in die entgegengesetzte Richtung kodiert wird . Die Promotoren für diese Gene sind in der oriT-Region eng gruppiert, zwei feuern in Richtung mobAB und einer in Richtung mobC. Die Bindung der Ribosomenproteine an oriT bewirkt eine autogene Regulation. Mutanten in der N-terminalen Region von mobA oder in mobC verursachen Derepression. Das MobB-Protein beeinflusst auch den Anteil des im Ribosom vorhandenen Plasmids und die Verweildauer des Plasmids in diesem Zustand und ist daher eine Determinante der Übertragungsfrequenz . Die mob-Region des 12,4-kb-Plasmids pTF-FC2 aus Thiobacillus ferrooxidans zeigt bemerkenswerte Ähnlichkeiten mit der oriT-Region der IncP-Plasmide, sowohl hinsichtlich der Organisation divergenter Operonen, die von Promotoren in der oriT-Region transkribiert wurden, als auch hinsichtlich der Sequenzähnlichkeit der Ribosomenproteine . Jüngste Daten haben die Existenz autogener Schaltkreise bestätigt, die die Mob-Genexpression steuern, und die Bedeutung des Wirtsproteins IHF für die Bestimmung der Mobilisierungshäufigkeit gezeigt . Auf der anderen Seite zeigt die MBE-Region von ColE1, die anderen Colicin-produzierenden Plasmiden wie ColK und ColA sehr ähnlich ist, keine Hinweise auf Autoregulation . oriT bildet die mbe-Gene stromaufwärts ab, die durch das rom-Gen von ihm getrennt sind, und so würde die Existenz solcher Schaltkreise eine komplexe Organisation schaffen.

8 Schlussfolgerungen

Die Idee, dass sich Transfersysteme durch die Zusammenarbeit zweier Funktionstypen entwickelt haben: DNA-Nicking- / Replikationssysteme und Zellfusionssysteme, wird im Allgemeinen durch eine Übersicht der bisher untersuchten Beispiele gestützt. Wo Transfergene in kleinen Clustern und nicht in einem einzigen Block gefunden werden, haben die Clustergene im Allgemeinen eine gemeinsame Funktion. Ein Szenario der Genrekrutierung durch funktionelle Kassette kann in Betracht gezogen werden, auch wenn die ursprüngliche Funktion des Genblocks nicht darin bestand, den konjugativen Transfer zu fördern. Das INCI1-Plasmid scheint ein gutes Beispiel dafür zu sein, da es separate Blöcke für oriT / Relaxosom–Gene sowie die beiden Arten von Pilus gibt – die Art, die zur Förderung der Zellfusion benötigt wird, und die Art, die Bakterien zusammenzieht, wenn sie frei in planktonischer Suspension schwimmen.

Ein Genblock, der eindeutig als bereits zusammengesetzte Einheit erworben wurde, sind die mpf-Funktionen in IncP, Ti, IncN und IncW, die jedoch mit dem ptl-Block von B. pertussis und dem cag-Gencluster von Helicobacter pylori verwandt sind. Es gab einige Genumlagerungen, die regulatorische oder funktionelle Bedeutung haben können, zum Beispiel die Nebeneinanderstellung des virB11-Homologen zum Start des Operons im IncP-Plasmid- und Ti-Plasmid-Tra-System. Die Regulation wurde in den IncP-Plasmiden durch Zugabe von trbA sowie den Erwerb eines KorB-regulierten Promotors auf die Vorderseite dieser Region markiert. Im Falle des IncN-Systems ist eines der beiden regulatorischen Gene, korA, zwischen den ersten beiden Genen des Operons eingebettet und wird nicht in verwandten Operonen gefunden. Die Rekrutierung oder der Verlust der regulatorischen Gene kann besser verstanden werden, wenn eine größere Anzahl verwandter Systeme sequenziert wurde.

Das einfachste gefundene Regulationssystem ist das der autogenen Regulation, bei dem Gene innerhalb der Blöcke von Transferfunktionen die Expression der Gene abschalten, sobald der Transferapparat synthetisiert ist. Plasmide mit solchen Systemen scheinen ständig transferbereit zu sein, und die bisher untersuchten Systeme sind in ihrem Wirtsbereich tendenziell recht breit. Vielleicht bietet die ständige Verfügbarkeit neuer Wirte dem Plasmid einen Grund, ständig zur Übertragung bereit zu sein. Der Aufbau solcher autogener Schaltkreise ist bei Genen für Relaxosomenproteine, die von Promotoren in der oriT-Region transkribiert werden, eindeutig logisch, wenn sich diese Proteine zum Relaxosom zusammenfügen. Es ist weniger klar, wie ein autogener Schaltkreis, der die für die Pilusassemblierung erforderlichen mpf-Gene steuert, spüren kann, wenn eine entsprechende Anzahl funktioneller Pili vorhanden ist.

Die nächste Regulationsstufe zeigen F-ähnliche Plasmide, bei denen die Gene normalerweise ausgeschaltet sind. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Gene eingeschaltet werden, ist gering, so dass entweder ein langer Zeitraum oder eine große Population erforderlich ist, um das Auftreten transferfähiger Bakterien sicherzustellen. Wenn ein solches Bakterium auf einen Empfänger trifft, erfolgt der Transfer und der Empfänger bleibt einige Zeit transferfähig. Dies ermöglicht eine exponentielle Ausbreitung in einer neuen Population Plasmid-negativer Bakterien. Ein solches Regulationssystem kann für Bakterien geeignet sein, die im Darm von Säugetieren leben, wo die Bakterien nur gelegentlich auf große neue Populationen potenzieller Empfänger treffen. Die Umgebung des Darms kann zu reich an einer Vielzahl von Bakterienarten sein, um die Signalübertragung über einen ähnlichen Weg wie bei Agrobacterium zu ermöglichen. Die Aufrechterhaltung des transferfähigen Zustands durch den Transferprozess selbst scheint eine gute Möglichkeit zu sein, die Transfergenexpression als Reaktion auf die Anwesenheit geeigneter Empfänger zu kontrollieren. Eine alternative Strategie zur Erreichung des gleichen Ziels wird durch die Pheromon-responsive Plasmide dargestellt, in denen potenzielle Empfänger ein Pheromon produzieren, das die Produktion von Aggregationssubstanz stimuliert. Das Plasmid selbst schaltet tatsächlich die interne Produktion des Pheromons ab, auf das es reagiert, so dass es Transfergene nur dann einschaltet, wenn geeignete Empfänger vorhanden sind.

Die anderen untersuchten Systeme zeigen eine enge Integration von Phänotyp und Übertragungshäufigkeit. Die Ti-Plasmide reagieren sowohl auf potenzielle Empfänger als auch auf die Spenderpopulationsdichte und auf die Nährstoffverfügbarkeit. Die Übertragung der konjugativen Transposons wird spezifisch durch die Antibiotika stimuliert, gegen die sie Resistenzen verleihen. Sobald sich ein Regulationssystem entwickelt hat, das sich beispielsweise mit dem Vorhandensein eines Schadstoffs oder eines Antibiotikums befasst, haben Gene, die die Aktivität dieser Transferprozesse mit Umgebungen verknüpfen, in denen die Gene ausgewählt sind, tendenziell einen Vorteil, da sie sich überreplizieren und ausbreiten, wenn die Umgebung stimmt, aber ihre Wirkung auf ihren Wirt minimieren, wenn die induzierenden Bedingungen fehlen.

Das detaillierte Wissen, das sich jetzt ansammelt, erlaubt es uns zu schätzen, welche Faktoren die Plasmidausbreitung wahrscheinlich stimulieren oder begrenzen. Bestimmte Arten der Antibiotikatherapie können die Ausbreitung von Resistenzen auf andere Mitglieder einer gemischten Gemeinschaft fördern und ein potenzielles Problem für die Zukunft hinterlassen, selbst wenn der kurzfristige Effekt darin besteht, die Infektion zu reduzieren. Die Entwicklung von Screens für Verbindungen, die zu einer Derepression von Transfergenen führen, könnte zu Möglichkeiten führen, den Plasmidtransport nachteilig zu gestalten. In einigen extremen Fällen, zum Beispiel bei den IncP-Plasmiden, hat sich eine übermäßige Transfergenexpression als tödlich erwiesen, so dass solche Mittel einen dramatischen Effekt auf das Überleben von Plasmid-positiven Bakterien haben könnten. Die aktuellen Probleme mit plasmidgetragenen Merkmalen können zu Überlegungen über antibakterielle Strategien führen, die vor Jahren abgezinst worden wären. Wir hoffen, dass das in dieser Übersicht behandelte Material dazu beitragen kann, solche neuartigen Konzepte auszulösen.

Danksagung

M.Z. wird durch einen Projektstipendium des Wellcome Trust (046356/Z) unterstützt. Weitere Arbeiten zu IncP-Plasmiden im Labor der Autoren wurden vom UK Medical Research Council, dem Wellcome Trust und dem BBSRC unterstützt. Wir danken der Hilfe vieler Kollegen für die Bereitstellung von Informationen und nützlichen Vorschlägen.