ความยืดหยุ่นในการปรับแต่งจีโนม (Genome plasticity) ของ Acinetobacter_baumannii

A. baumannii สามารถปรับแต่งจีโนมเพื่อการอยู่รอดโดยรับ, สะสม, และแพร่กระจายยีนซึ่งมักเกี่ยวกับการทนต่อความแห้ง (desiccation), สารฆ่าเชื้อ (Disinfectant), หรือโดยเฉพาะอย่างยิ่งยาต้านจุลชีพ (Antimicrobial). ชิ้นส่วน DNA ที่เรียกว่า (Mobile) genetic element ได้แก่ อินเซอร์ชันซีเควน, ทรานสโพซอน, อินทีกรอน, พลาสมิด, และรีซิสแตนซ์ไอส์แลนด์ สามารถเป็นพาหะที่ใช้ปรับแต่งและแพร่กระจายยีนเหล่านั้น ทำให้จีโนมมีความยืดหยุ่นหรือเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา.

อินเซอร์ชันซีเควน (Insertion sequence: IS)

IS เป็น Mobile genetic element ที่เล็กที่สุด (<2.5Kb) ประกอบด้วยยีนเอนไซม์ Transposase สำหรับทรานสโพซิชันซึ่งขนาบข้างด้วย inverted repeat. IS จำนวนมากกว่า 30 แบบถูกพบใน A. baumannii โดยเฉพาะ ISAba1 และ ISAba125 ยกตัวอย่างเช่น A. baumannii สายพันธุ์ AYE มี ISAba1 อยู่ถึง 21 ตำแหน่งบนจีโนม. การปรากฏของ IS สามารถทำให้เกิดผลที่ตามมาได้หลายประการ. IS ที่ปรากฏทำให้เพิ่ม Promoter ให้กับยีนที่ปลายสายส่งผลให้ยีนเพิ่มการแสดงออกได้ เช่น ISAbaI ที่อยู่ต้นสายของยีน blaampC และ blaOXA-51-like ซึ่งทำให้ดื้อต่อยา Ceftazidime และยาในกลุ่ม Carbapenem ตามลำดับ. IS สามารถแทรกยีนทำสูญเสียหน้าที่ส่งผลให้ดื้อยาได้ เช่น ในกรณีของ ISAba11, การแทรกยีน lpxA หรือ lpxC ทำให้ A. baumannii ไม่สามารถสังเคราะห์ LPS ได้ส่งผลให้ไม่มีเป้าหมายของยาในกลุ่ม Polymyxin ก่อให้เกิดการดื้อยา. ยิ่งไปกว่านั้น, เมื่อ IS ที่ประกอบเป็นทรานสโพซอน (Composite transposon) สามารถเคลื่อนย้ายชุดของยีน (Gene cassette) ทั้งภายในโครโมโซม ระหว่างโครโมโซมกับพลาสมิด หรือแลกเปลี่ยนระหว่างสกุลของแบคทีเรียก็สามารถทำได้ซึ่งส่วนมากเป็นยีนดื้อยาต้านจุลชีพ เช่น ยีน ESBL blaPER-1 ที่ถูกขนาบข้างด้วย ISPa12 และ ISPa13 ประกอบกันเป็น Tn1213. แม้เพียง IS อย่างเดียวก็สามารถเคลื่อนย้ายยีนด้วยกลไก One-end transposition แม้จะพบได้ยากแต่เกิดขึ้นกับยีน CARB-10 โดย ISAba9. นอกจากนี้ IS ในกลุ่ม IS91 (รวมถึง ISCR1 และ ISCR2) สามารถย้ายตำแหน่งได้จากกลไก Rolling-cycle replication และย้ายตำแหน่งของยีนข้างเคียง (blaPER-7 สำหรับ ISCR1; blaVEB-1 สำหรับ ISCR2) เนื่องจาก Homologous recombination ระหว่าง IS.

IS ใน A. baumannii มักเกี่ยวข้องกับยีนดื้อยาต้านจุลชีพหลากหลายชนิด อาทิ

  • ยีน blaOXA-23 ซึ่งถูกพบอยู่บน ISAba1 (2 ตำแหน่งภายใน Tn2006 และ Tn2009; 1 ตำแหน่งภายใน Tn2008) และ ISAba4 (1 ตำแหน่งภายใน Tn2007). blaOXA-23 ซึ่งพบอยู่บนพลาสมิดหรือโครโมโซมของ A. baumannii นี้ถูกสันนิษฐานว่ามาจากโครโมโซมของ Acinetobacter radioresistens ที่สามารถพบได้ในสิ่งแวดล้อมตามธรรมชาติ เนื่องจากพบอนุพันธุ์ (Variant) ของ blaOXA-23 ใน A. radioresistens หลายสายพันธุ์.
  • ยีน blaOXA-58 ที่ถูกขนาบข้างด้วย IS ที่ต่างกันซึ่งต้นสายเป็น IS ที่เพิ่ม Promoter ให้กับยีนแต่หน้าที่สำหรับการเคลื่อนย้ายยีนยังไม่ทราบแน่ชัดแต่คาดว่าน่าจะส่งผ่านยีนทางพลาสมิดมากว่า เนื่องจาก ยีน blaOXA-58 มักปรากฏอยู่บนพลาสมิด ส่วนปลายสาย blaOXA-58 สามารถพบ ISAba3 ได้ถี่ที่สุดแต่ ISAba825, ISAba1, ISAba2, IS18, และ IS26 ก็สามารถพบได้. นอกจากนี้ยีน blaOXA-58 ที่มี ISAba3 ทั้งต้นสายและปลายสายก็สามารถพบได้เช่นกัน.
  • ยีน blaCTX-M-15 ที่ขนาบข้างด้วย ISEcp1 และ IS26 ที่ไม่สมบูรณ์บนโครโมโซมแสดงถึงการส่งผ่านของยีนภายในวงศ์ Enterobacteriaceae.
  • ยีน MBL blaNDM-1 และ blaNDM-2 ซึ่งพบ ISAba125 อยู่ต้นสายของ blaNDM-1 หรือขนาบข้างทั้ง blaNDM-1 และ blaNDM-2. Acinetobacter spp. อาจเป็นต้นกำเนิดของ blaNDM ที่พบในวงศ์ Enterobacteriaceae เนื่องจากมักพบ IS ที่ไม่สมบูรณ์รวมอยู่ด้วย. นอกจากนี้ ISAba125 ยังขนาบข้างยีน aphA6 ใน TnaphA6 ทำให้ดื้อต่อยาในกลุ่ม Aminoglycoside. SAba125 สามารถพบได้ทั้งบนพลาสมิดและโครโมโซม.
  • ยีน tetA และ tetR ซึ่งเป็น Efflux pump ขอยาในกลุ่ม Tetracycline และ transcriptional regulator ตามลำดับ มักถูกพบภายในกลุ่มที่คล้ายกับ Tn1721 ซึ่งมักพบหลายตำแหน่งบนโครโมโซม.
  • ยีน blaOXA-24/40 ที่ถูกขนาบข้างด้วย Inverted repeat ซึ่งแม้จะไม่ใช่ IS แต่ก็เป็นเป้าหมายให้เกิดการ recombination โดย XerD/XerC recombinase อย่างเจาะจง ถือว่าเป็นกลไกค่อนข้างใหม่ในการส่งผ่านยีน.

อินทีกรอน (Integron)

อินทีกรอนโครงสร้างลำดับนิวคลีโอไทด์ที่สามารถสะสมและแลกเปลี่ยนยีนโดยใช้ Recombination อย่างเจาะจงแล้วสามารถทำให้ยีนแสดงออกได้โดยตรง. อินทีกรอนประกอบด้วยสามส่วนหลัก ได้แก่ intI เป็นบริเวณถอดรหัสเป็นเอนไซม์ Integrase สำหรับแทรก attC-gene cassette, Pc-Pint ซึ่ง Promoter Pint มีไว้สำหรับ intI ส่วน Promoter Pc มีไว้สำหรับ gene cassette และ attI ซึ่งเป็นบริเวณที่เกิดการ Recombination กับ attC และสะสมยีนต่อกันเป็น gene cassette. attC ที่ติดกับ gene cassette สามารถกลาย Circular DNA ที่เป็นอิสระจากอินทีกรอน สามารถเข้าแทรกหรือออกจากบริเวณที่เกิด recombination. อินทีกรอนจึงไม่ได้เป็น mobile genetic element โดยตรง. อินทีรอนแบ่งออกได้เป็นสองประเภทหลักตามร้อยละความเหมือนของเอนไซม์

อินทีกรอน ประเภทที่ 1 (Class 1 integron) ที่พบใน A. baumannii ส่วนใหญ่ปรากฏยีนดื้อยาในกลุ่ม Aminoglycoside, Sulfonamide, และ Antiseptic. นอกจากนี้ยังสามารถพบยีนพวก MBL ได้แก่ blaIMP, blaVIM, และ blaSIM และ Ambler class A β-lactamases บางชนิด เช่น CARB, GES, PER, VEB, และ Narrow spectrum OXA.

พลาสมิด (Plasmid)

Conjugative plasmid เป็น Mobile genetic element ที่สามารถส่งต่อระหว่างสปีชีส์หรือระหว่างสายพันธุ์. แม้ว่า blaOXA-23 และ blaOXA-58 ใน A. baumannii จะส่งต่อทางพลาสมิดแต่ Replicon type ของพลาสมิดแตกต่างจากพลาสมิดในวงศ์ Enterbacteriaceae ซึ่งสอดคล้องกับที่ว่าแทบไม่พบยีนดื้อยาพวก ESBL หรือ KPC ปรากฏใน A. baumannii อีกทั้งยังมีกลุ่ม (2df) ของเอนไซม์ดื้อยาในกลุ่ม Carbapenem (Plasmid-borne carbapenem-hydrolyzing class D β-lactamase) เป็นของตนเองอีกด้วย.

รีซิสแตนซ์ไอส์แลนด์ (Resistance Island)

รีซิสแตนซ์ไอส์แลนด์เป็นบริเวณหนึ่งของ DNA ซึ่งสะสมกลุ่มของยีนดื้อสารต่าง ๆ เช่น ยาปฏิชีวนะจากเหตุการณ์ HGT และมักจะสะสมที่เดิมซ้ำ ๆ บนโครโมโซมและเกี่ยวข้องกับอินเซอร์ชันซีเควน, ทรานสโพซอน, และอินทีกรอน. A. baumannii มีรีซิสแตนซ์ไอส์แลนด์มากกว่า 22 รูปแบบและเกือบทั้งหมดเกิดจากการแทรกภายในยีน comM. AbaR1 เป็นรีซิสแตนซ์ไอส์แลนด์แรกที่ถูกค้นพบใน A. baumannii (สายพันธุ์ดื้อยาหลายขนาน AYE) ที่มีความยาวถึง 86 กิโลเบสแทรกภายในยีน comM ซึ่งประกอบด้วยยีนดื้อต่อยาปฏิชีวนะ 45 ชนิดและยีนดื้อโลหะหนักและทั้งหมดถูกขนาบข้างด้วย directed repeat ของยีนทรานสโพซอนโดยสันนิษฐานซึ่งสื่อถึงเหตุการณ์ HGT. AbaR ถูกแยกเป็น 2 กลุ่มตามสายวิวัฒนาการของเชื้อ (lineage) ได้แก่ European clone I และ II. AbaR ของ European clone I อย่าง AbaR1 มียีนทรานสโพซอนโดยสันนิษฐานได้แก่ ยีน Arsenate resistance operon (arsH-BRC), Sulfate permease (sup) และ universal stress protein (uspA) และภายในยีน uspA ยังถูกแทรกด้วย Tn6018, Multiple antimicrobial resistance region (MARR), และ Tn6018 อีกซ้ำหนึ่งตามลำดับ ซึ่งยีน uspA ที่ถูกแทรกนี้เรียกรวมกันว่า Tn1069 และอาจเพิ่มอินทีกรอนประเภทที่ 1 และชุดยีนอีก 29 กิโลเบสอย่าง AbaR3 ได้ในขณะที่ European clone II ประกอบด้วย Tn6021 ตามด้วยอินทีกรอนประเภทที่ 1, Tn6021 อีกซ้ำหนึ่ง, และ Tn5395-like. Tn6021 มีความเกี่ยวข้องกับ Tn6018 เพราะมียีน uspA แต่ไม่ได้ถูกแทรกและไม่มี Tn6018 และ MARR. นอกจากนี้ยังมีข้อคิดเห็นเกี่ยวกับ AbaR ของ European clone I อาจมาจากระบบการใช้ยาช่วง ค.ศ. 1970-1989 แล้วจึงเพิ่มอินทีกรอนประเภทที่ 1 สำหรับการอยู่รอดของ A. baumannii จากระบบการใช้ยาในปัจจุบัน.