ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ БАКТЕРИЙ РОДА ENTEROCOCCUS К ТЯЖЕЛЫМ МЕТАЛЛАМ

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ БАКТЕРИЙ РОДА ENTEROCOCCUS К ТЯЖЕЛЫМ МЕТАЛЛАМ

Ускова Светлана Сергеевна

аспирант, ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет»,

РФ, г. Владивосток

Мартынова Алина Викторовна

д-р мед. наук, проф., ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет»,

РФ, г. Владивосток

SENSITIVITY OF THE GENUS ENTEROCOCCUS TO HEAVY METALS

Svetlana Uskova

Postgraduate student of the Far Eastern Federal University,

Russia, Vladivostok

Alina Martynova

MD, Professor, Far Eastern Federal University,

Russia, Vladivostok

АННОТАЦИЯ

Устойчивость бактерий к тяжелым металлам вызывает опасения, поскольку гены устойчивости часто расположены на тех же мобильных элементах, что и те, которые придают устойчивость к антибиотикам, что открывает возможность для перекрестной селекции устойчивости к антибиотикам.

ABSTRACT

Bacterial resistance to heavy metals is of concern, since resistance genes are often located on the same mobile elements as those that confer resistance to antibiotics, which opens the possibility for cross-selection of antibiotic resistance.

Ключевые слова: рода Enterococcus, металлы, медь, цинк, кадмий.

Keywords: genus Enterococcus, metals, copper, zinc, cadmium.

Металлы, такие как медь, цинк и железо, являются кофакторами многих клеточных процессов и необходимы для выживания клеток [3, с. 2-6]. Однако другие металлы, такие как кадмий и мышьяк, не выполняют известных клеточных функций и по своей природе токсичны, нарушая клеточные процессы и вызывая гибель клеток выше определенного порога. Хотя эти токсичные металлы могут естественным образом присутствовать в окружающей среде или в результате антропогенного загрязнения, их распределение в окружающей среде имеет тенденцию быть неоднородным, и они обычно встречаются в больших количествах только в определенных экосистемах. Тем не менее, детерминанты устойчивости к токсичным металлам широко распространены у грамположительных бактерий, содержащихся либо хромосомах, либо на мобильных генетических элементах, таких как транспозоны и плазмиды, или интегративные и конъюгативные элементы. Эти детерминанты могут распространяться посредством горизонтального переноса генов и, таким образом, могут быть широко распространены и высококонсервативны [9, 561-563]. Выявлена связь между генами, отвечающими за устойчивость эритромицину (ermB) и меди (tcrB), которая впервые была продемонстрирована на штаммах E. faecalis и E. faecium, выделенных от свиней, позже показали подобную связь у E. hirae который был выделен из морской воды [10, с. 26-27].

Медь. Медь является важным микроэлементом в клетках, и выполняет несколько биологических функций. Он служит важным структурным компонентом и каталитическим кофактором для широкого спектра различных ферментов в важных биохимических путях у бактерий, растений и животных [15, с. 1-3]. Сульфат меди используется в кормах для свиней и кур в качестве стимулятора роста, а также для дезинфекции когтей крупного рогатого скота. У энтерококков оперон copYZAB из E. hirae был первой описанной системой гомеостаза меди [4, с. 2]. Кроме того, был описан переносимый и расположенный в плазмиде ген устойчивости к меди, обозначенный как tcrB (переносимая устойчивость к меди, гомологичная copB). Ген tcrB (обнаруженный в опероне tcrYAZB, который похож на оперон гомеостаза меди copYZAB) кодирует предполагаемый белок, принадлежащий к семейству АТФаз CPx-типа переносчиков тяжелых металлов. Бактерии, несущие плазмидный оперон tcrYAZB, могут переносить до 28 мМ сульфата меди, в то время как те, у которых отсутствует этот ген, могут переносить только до 8 мМ [5, с. 1411]. Ген tcrB генетически связан с генами, кодирующими устойчивость к макролидам (erm B) и гликопептидам (vanA) в плазмидах, из энтерококков, выделенных из свиней [4, с. 3].

Цинк. Цинк, является компонентом многих белков, таких как ДНК-полимеразы, протеазы и рибосомальные белки, а также кофактором многих ферментативных реакций. Несмотря на важность цинка, его избыток может быть вредным, поскольку он может конкурировать с другими металлами за связывание с активными центрами ферментов [12, с. 234-235]. Два гена Enterococcus faecalis, кодирующие АТФазу P-типа EF1400 и белок SapB EF0759, сильно активируются в присутствии высоких концентраций цинка. Zn²⁺-чувствительный ДНК-связывающий мотив присутствует в промоторных областях этих генов. Оба белка были дополнительно изучены в отношении их участия в гомеостазе цинка. EF1400, представляет собой АТФазу со специфичностью к цинку и играет роль в борьбе с перегрузкой цинком, окислительным стрессом и лизоцимом [2, с. 2726].

Кадмий. Кадмий, не выполняет известных клеточных функций и по своей природе токсичен, нарушая клеточные процессы и вызывая гибель клеток выше определенного порога. Хотя эти токсичные металлы могут естественным образом присутствовать в окружающей среде или в результате антропогенного загрязнения, их распределение в окружающей среде имеет тенденцию быть неоднородным, и они обычно встречаются в больших количествах только в определенных экосистемах [9, 563-564]. Кадмий оказывает смертельное воздействие на организмы и чрезвычайно токсичен при относительно низких дозах [1, с 361]. Кадмий может связываться с сульфгидрильными группами и нарушать функцию белка [6, с. 370]. Кадмий является репрессором тиоредоксина, который обеспечивает восстанавливающую способность для многих биологических реакций [7, с. 3706]. Кроме того, кадмий влияет на пролиферацию, дифференцировку, апоптоз клеток и увеличивает активацию онкогенов для канцерогенеза [11, с. 140]. E. faecalis проявляет высокую естественную устойчивость к кадмию [8, с. 312]. В процессе защиты E. faecalis от кадмия участвуют такие гены как cadA, ppx и dsbAм. Механизм абсорбции и устойчивости кадмию начинается с системы поглощения магния, цинка и кальция [14, с. 1172-1173]. Затем кадмий частично транспортируется через АТФазы P-типа [13, с. 117], осажденный фосфатными группами, которые секретировались PpX в виде фосфида кадмия. Затем белок DsbA связывается со свободным ионом кадмия в цитозоле для защиты тиоредоксина и других белков [14, 1174].

Список литературы:

1. Abou-Shanab, R. Heavy metal resistance and genotypic analysis of metal resistance genes in gram-positive and gram-negative bacteria present in Ni-rich serpentine soil and in the rhizosphere of Alyssum murale / R. Abou-Shanab, V. P. Berkum, J. Angle // Chemosphere. – 2007. – Vol. 68. – P. 360–367.
2. Abrantes M. C. Enterococcus faecalis zinc-responsive proteins mediate bacterial defence against zinc overload, lysozyme and oxidative stress / M. C. Abrantes, J. Kok, M. de F. S. Lopes //Microbiology. – 2014. – Vol. 160. – P. 2755–2762.
3. Arguello, J. M. Mechanisms of copper homeostasis in bacteria / J. M. Arguello, D. Raimunda, T. Padilla-Benavides // Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. – 2013. – Vol. 3, № 73. - P. 1-14.
4. Garrido, A. M. Antimicrobial Resistance in Enterococci / A. M. Garrido, A. Galvez, R. P. Pulido // J Infect Dis Ther. – 2014. – Vol. 2, № 4. – P. 1-7
5. Hasman, H. tcrB, a gene conferring transferable copper resistance in Enterococcus faecium: occurrence, transferability, and linkage to macrolide and glycopeptide resistance / H. Hasman, F. M. Aarestrup // Antimicrob Agents Chemother. – 2002. – Vol. 46. – P. 1410–1416.
6. Jungmann, J. Resistance to cadmium mediated by ubiquitin-dependent proteolysis / J. Jungmann, H. A. Reins, C. Schobert, S. Jentsch // Nature. – 1993. – Vol. 361. – P. 369–371.
7. Li, X. Regulation of arsenate resistance in Desulfovibrio desulfuricans G20 by an arsRBCC operon and an arsC gene / X. Li, L.R. Krumholz // J Bacteriol. – 2007. – Vol. 189. – P. 3705– 3711.
8. Paplace, J.M. Unusual resistance and acquired tolerance to cadmium chloride in Enterococcus faecalis / J. M. Paplace, P. Boutibonnes, Y. Auffray // J Basic Microbiol. – 1996. – Vol. 36. – P. 311– 317.
9. Parsons, C. Dissemination and conservation of cadmium and arsenic resistance determinants in Listeria and other Gram-positive bacteria / C. Parsons, S. Lee, S. Kathariou // Molecular Microbiology. – 2020. – Vol. 113. –  P. 560–569.
10. Pasquaroli, S. Erythromycin- and copper-resistant Enterococcus hirae from marine sediment and co-transfer of erm(B) and tcrB to human Enterococcus faecalis / S. Pasquaroli, A. Di Cesare, C. Vignaroli, G. Conti, B. Citterio, F. Biavasco // Diagnostic Microbiology and Infectious Disease. – 2014. – Vol. 80, № 1. – P. 26-28.
11. Schwartz, G.G. Is cadmium a cause of human pancreatic cancer / G.G. Schwartz, I.M. Reis // Cancer Epidemiol Biomark Prev. – 2000. – Vol. 9. – P. 139– 145.
12. Somerville, G. A. At the crossroads of bacterial metabolism and virulence factor synthesis in Staphylococci / G. A. Somerville, R. A. Proctor // Microbiol Mol Biol Rev. – 2009. – Vol. 73. – P. 233–248.
13. Tsai, K. ATP-dependent cadmium transport by the cadA cadmium resistance determinant in everted membrane vesicles of Bacillus subtilis / K. Tsai, K. Yoon, A. Lynn // J Bacteriol. – 1992. – Vol. 174. – P. 116– 121.
14. Wu, G. Enterococcus faecalis strain LZ-11 isolated from Lanzhou reach of the Yellow River is able to resist and absorb Cadmium / G. Wu, M. Sun, P. Liu, X. Zhang, Z. Yu, Z. Zheng, Y. Chen, X. Li // Journal of Applied Microbiology. – 2014. – Vol. 116. – P. 1172-1180.
15. Zhang, S. Genome sequences of copper resistant and sensitive Enterococcus faecalis strains isolated from copper-fed pigs in Denmark / S. Zhang, D. Wang, Y. Wang, H. Hasman, F.M. Aarestrup, H. A. Alwathnani, Y. G. Zhu, C. Rensing // Standards in Genomic Sciences. – 2015. – Vol. 35. – P.1-10.