MBK - Genetikai Főosztály - Gazda-patogén Interakció és Mikrobiális Genomika Csoport

Kutatási terület

A baktériumok változékonysága és az ebből fakadó igen gyors evolúciójuk komoly kihívást jelent a kutatók, valamint a mezőgazdaság, a humán és állategészségügy és a környezetvédelem szereplői számára is. A genomi szigetek, plazmidok és más mobilis genetikai elemek meghatározó szerepet játszanak a patogenitási faktorok és az antibiotikum rezisztencia gének terjedésében, ezáltal a bakteriális adaptáció és evolúció folyamataiban. Kutatásaink célja ezen folyamatok detektálása, molekuláris mechanizmusaik és szabályozásuk megismerése klasszikus és molekuláris genetikai módszerekkel, valamint genomikai megközelítéssel. Kiemelt figyelmet fordítunk a számos patogén Salmonella serovariáns és más baktériumok (Proteus, Acinetobacter, Morganella) multirezisztenciájáért felelős Salmonella genomi sziget és a horizontális terjedését segítő IncC csoportba tartozó, szintén multirezisztenciát okozó plazmidok kapcsoltarendszerének molekuláris alapjaira és ennek szabályozási folyamataira. Emellet kutatásaink kiterjednek olyan Salmonella serovariánsokra is, melyek terjedése napjainkban zajlik és potenciálisan patogénné válhatnak. Kutatásainkra alapozva olyan baktériumtörzsek fejlesztését is kívánatosnak tartjuk, amelyek akár az ipar, a mezőgazdaság, az állategészségügy és a környezetvédelem területén is alkalmazást nyerhetnek.

Kutatási témák

• A Salmonella genomi sziget 1 genetikája, evolúciója és horizontális terjedése.
• Harmadik generációs szekvenáló rendszer tesztelése
• Antibiotikum rezisztens baktériumok kialakulása és a transzpozíció kapcsolata.
• Multirezisztens Salmonella Infantis törzsek genomanalízise, evoluciója és patogenetikai profilja

 

A Salmonella genomi sziget 1 genetikája, evolúciója és horizontális terjedése.

A genomi és patogenitási szigetek tekintélyes hányadát teszik ki a prokarióták un. járulékos genomjának. E szigetek mobilitásukkal és genetikai felépítésük változékonyságával jelentősen hozzájárulnak a bakteriális genomok plaszticitásához, ezen keresztül a baktériumok gyors evolúciójához.

 

 

Az 1990-es években világszerte elterjedt multirezisztens Salmonella Typhimurium törzsekben azonosított Salmonella genomi sziget 1 (SGI1) kiváló modellje a genomi szigetek kutatásának. Az SGI1 és variánsai mára számos patogén Salmonella szerovariánsban, Proteus mirabilis, Acinetobacter baumannii és Morganella morganii törzsben megjelentek, így komoly humán- és állategészségügyi kockázatot jelentenek. Mindezek ellenére az SGI1 horizontális terjedésének molekuláris mechanizmusai és a sziget-gazda baktérium kapcsolatok jórészt felderítetlenek.

 

 

Kutatásaink az SGI1 horizontális terjedési mechanizmusaira (helyspecifikus rekombináció, konjugáció), az ebben részt vevő IncC plazmidokkal való kooperációjára, valamint a sziget eredetére és evolúciójára (variánsok keletkezése) irányulnak. Emellett tanulmányozzuk a sziget és gazda baktériuma közötti kapcsolatokat, különösen a szigetnek a Salmonella patogenitásában és fitneszében játszott feltételezett szerepét, valamint a sziget terjedését élő állat bélflórájában. A kutatásban partnerünk az MTA ÁOTKI Enterális bakteriológia és alimentáris zoonózis csoportja, valamint az INRA-Université de Tours Infectiologie & Santé Publique, Genomic Plasticity, biodiversity and Antimicrobial Resistance csoportja.

Harmadik generációs szekvenáló rendszer tesztelése

Csoportunk 2014-tól résztvevője az Oxford Nanopore Technologies Ltd. által fejlesztett MinIon szekvenálókészülék teszt programjának (MinIon Access Program – MAP). A készülék alig nagyobb egy pendrive-nál és USB porton keresztül csatlakozik a számítógéphez. A DNS szekvencia leolvasása egy fehérje póruskomplexen való áthaladás közben az átfolyó ionáram változásának detektálásával történik, lényegében egymolekulás szekvenciameghatározás zajlik 512 egyedi csatornán keresztül. A technológia egyik előnye, hogy akár 50100 kb (!) méretű egyedi readeket is képes generálni, ami jelentősen megkönnyíti a szekvenciák kontigokba szervezését.

 

 

forrás:Oxford Nanopore, https://www.nanoporetech.com/

Csoportunk a program keretében az IncC plazmidcsalád egyes multirezisztens tagjainak szekvenálását végezte el, melyek ~160-170 kb méretű egykópiás konjugatív plazmidok és igen sok IS elemet hordoznak, ami miatt az új generációs szekvenálási módszerekkel nyerhető 3-400 bp hosszú readekből összeállított kontigok sorrendje nem állapítható meg. A teszt fázisban a MinIon szekvenáló készülékkel nyert hosszú readeket ebben a munkában alkalmaztuk. Reményeink szerint a további fejlesztésekkel párhuzamosan a szekvenálási kapacitások is bővülnek majd és a rendszer a jövőben a genomikai kutatások mindennapos eszközévé válik.

Antibiotikum rezisztens baktériumok kialakulása és a transzpozíció kapcsolata.

Az inszerciós szekvenciák olyan mobilis elemek, melyek képesek a gazda genomon belül áthelyeződni sőt akár nagyobb léptékű genomátrendeződéseket generálni. Konjugatív plazmidokat és fágokat is érintő átrendeződések révén fontos szerepet játszanak a horizontális géntranszferben, így gyakran az antibiotikum rezisztencia (AR) gének terjedésében is. Az AR kialakulása és a baktériumok közötti gyors továbbadása azóta problémát jelent a gyógyításban, mióta az első antibiotikumok széles körben elérhetővé váltak. Az AR gének elterjedésében az inszerciós szekvenciák, transzpozonok fontos szerepet töltenek be, mivel képesek az AR génekkel együtt olyan vektorokba, pl. konjugatív plazmidokra áthelyeződni, melyek horizontális transzfer révén más baktériumokba is átjuthatnak.

 

 

Az AR gének átvitele patogén baktériumokba (az ábra az EU CRAB project alapján készült). Az ábra összefoglalva szemlélteti a rezisztenciagének mobilizálódásának útvonalait: az integron kazetták mozgását és cserélődését, a transzpozíciós mechanizmusokat, a baktériumok közötti konjugációt és az AR-t hordozó plazmidok stabilizálódását.

 

Transzpozonokkal kapcsolatos kutatásaink nagy része egy Escherichia coliban „honos” IS elemre, az IS30-ra irányul. Az elem transzpozíciója során először egy körré zárt forma keletkezik, majd ez a transzpozon kör integrálódik a cél-DNS-be. A körré zárt elem vég-vég kapcsolódása transzpozáz jelenlétében nagy gyakorisággal okoz inszerciókat, deléciókat és inverziókat. A folyamatok molekuláris szintű feltárásával nyilvánvalóvá vált, hogy ez a „copy out-paste in” mechanizmus a legelterjedtebb az IS elemek körében. Mivel az elem körré zárt formájának képződése egy Holliday-junction-hoz hasonló, de nicket is tartalmazó struktúra megoldódásán keresztül történik, várható, hogy ez a gazda sejt számos repair folyamatára hatással van. Kutatásaink célja ennek a transzpozon-gazdasejt kapcsolatnak a vizsgálata microarray analízis, hálózatelemzés és kísérletes módszerekkel.

Multirezisztens Salmonella Infantis törzsek genomanalízise, evoluciója és patogenetikai profilja (együttműködő partnerként részvétel MTA ÁOTKI Enterális bakteriológia és alimentáris zoonózis csoportja projektjében)

Számos Salmonella törzs az állatorvosi gyakorlatban és a humán egészségügy számára egyaránt komoly kockázatot jelent. Korábbi és jelenlegi vizsgálatok kimutatták, hogy a S. Infantis törzsek a 90-es évek óta jóval szélesebb körű elterjedést mutatnak, ami az izolátumok növekvő gyakoriságú antibiotikum rezisztenciájával is együtt jár. Célunk a rezisztens S. Infantis törzsek gyors és feltehetőleg klonális terjedésének a genetikai hátterét megismerni. Ennek érdekében genomszekvenálásokat hajtottunk végre és vizsgáljuk régi és újonnan izolált törzsek közötti különbségeket. Választ keresünk arra, hogy milyen genetikai átrendeződések állnak az új törzsek terjedésének hátterében (plazmidok, transzpozonok, integronok megszerzése), megjelentek-e új genomi vagy patogenitási szigetek; milyen változások következtek be az újonnan izolált törzsek genomi vagy patogenitási szigeteiben. Az esetleges nagyléptékű különbségek (plazmidok, genomi szigetek megjelenése) vizsgálatára genom manipulációra alkalmas eszközöket fejlesztettünk, melyek alkalmazása választ adhat a felvetett kérdésekre. Ezen kutatások betekintést nyújtanak a rezisztens klónok kialakulásába, evolúciójába és reményeink szerint terjedési sikerük okait is jobban megérthetjük.

 

A bélbolyhok felszínén megtelepedett baktériumok (Forrás: Dr Nagy Béla, MTA ATK ÁOTI)

 

Kutatásainkat támogatja:

NKFIH K 128203 Két különböző mobilis multirezisztencia faktor együttműködésének vizsgálata: Az IncA/C plazmidok és az SGI1 típusú genomi szigetek kapcsolata (2018-2022).

OTKA

K 105635 A Salmonella Genomi Sziget 1 (SGI1) molekuláris genetikája és ökológiája: a mobilitás, a terjedés és a patogenetikai jelentőség rejtelmei (2012-2017)

K 101546 Előtérbe nyomuló multirezisztens Salmonella Infantis törzsek evolúciója és pathogenetikai profilja (2012-2016)