Кіріспе

Молекулалық биологияның микроорганизмдерді типтеу әдісі. Мултилокустық тізбекті типтеу (MLST) – микробтық түрлердің изоляттарын сипаттау үшін бірнеше «үй шаруашылығы» гендерінің ішкі фрагменттерінің ДНК тізбектерін пайдалана отырып, бірнеше локусты типтеуге арналған молекулалық биологиядағы әдіс. MLST схемасының алғашқысы менингококк менингиті мен септицемияның қоздырғышы – Neisseria meningitidis үшін жасалған. Эволюциялық тарихты зерттеу мақсатымен енгізілгеннен бері MLST тек адам патогендері үшін ғана емес, сонымен қатар өсімдік патогендері үшін де қолданылып келеді.

Принцип

MLST үй шаруашылығы гендері жиынтығындағы ДНҚ тізбегінің өзгеруін тікелей өлшейді және штамдарды олардың ерекше аллельдік профильдері бойынша сипаттайды. MLST принципі қарапайым: техника ПТР күшейтуінен кейін ДНК тізбегін анықтауды қамтиды. Штамдар арасындағы нуклеотидтік айырмашылықтар қажетті ажырату дәрежесіне байланысты гендердің өзгермелі санында тексеріледі. MLST жұмыс процесі: 1) деректерді жинау, 2) деректерді талдау және 3) мультилокустық тізбек талдауын қамтиды. Деректерді жинау кезеңінде ген фрагменттерінің нуклеотидтік тізбегін анықтау арқылы өзгерістің нақты идентификациясы алынады. Деректерді талдау кезеңінде барлық бірегей тізбектерге аллель нөмірлері беріледі, аллельдік профильге біріктіріліп, тізбек түрі (ST) тағайындалады. Жаңа аллельдер мен ST табылмаса, олар тексерілгеннен кейін деректер базасына сақталады. MLST талдауының соңғы кезеңінде оқшауланғандардың байланыстылығы аллельдік профильдерді салыстыру арқылы анықталады. Зерттеушілер әртүрлі клоналды кешендердің ST-ларын салыстыру арқылы эпидемиологиялық және филогенетикалық зерттеулер жүргізеді. Тізбектеу және идентификациялау процесінде көптеген деректер жинақталады, сондықтан биологиялық деректерді реттеу, басқару, талдау және біріктіру үшін биоинформатикалық техникалар қолданылады. Штамдарды типтеу үшін қанағаттанарлық идентификациялық күш, уақыт және шығындар арасындағы тепе-теңдікті сақтау үшін зертханаларда әдетте жеті-сегіз үй шаруашылығы гені қолданылады. Мысалы, Staphylococcus aureus үшін MLST типтеуде жеті үй шаруашылығы гені қолданылады. Бұл гендерге MLST веб-сайтында көрсетілгендей карбамат киназасы (arcC), шикимат дегидрогеназасы (aroE), глицеролкиназасы (glpF), гуанилат киназасы (gmk), фосфат ацетилтрансферазасы (pta), триозофосфат изомеразасы (tpi) және ацетил кофермент А ацетилтрансферазасы (yqiL) жатады. Алайда, онға дейінгі үй шаруашылығы гендерін қолдану да сирек емес. Vibrio vulnificus үшін үй шаруашылығы гендері: глюкоза-6 фосфат изомеразасы (glp), ДНК гиразасы, B (gyrB) суббірлігі, малат лактат дегидрогеназасы (mdh), метионил тРНК синтетазасы (metG), фосфорибозиламиноимидазол синтетазасы (purM), треонин дегидрогеназасы (dtdS), диаминопимелат декарбоксилазасы (lysA), трансидрогеназа альфа суббірлігі (pntA), дигидрооротаза (pyrC) және триптофаназа (tnaA) болып табылады. Осылайша, MLST арқылы тексерілетін үй шаруашылығы гендерінің саны мен түрі түрлерге байланысты өзгеруі мүмкін. Әр үй шаруашылығы генінің әртүрлі тізбектері аллель ретінде тағайындалады және локустардағы аллельдер аллельдік профильді құрайды. Профильдер сериясы штамды типтеу үшін идентификациялық маркер болып табылады. Тіпті бір нуклеотидте ерекшеленетін тізбектер әртүрлі аллельдер ретінде тағайындалады және аллельдер арасындағы нуклеотидтік айырмашылықтардың санын ескеру үшін салмақ берілмейді, өйткені көптеген нуклеотидтік сайттардағы айырмашылықтар бірнеше нүктелік мутациялардың немесе бір рекомбинациялық алмасудың нәтижесі екенін ажырату мүмкін емес. Әр локустағы ықтимал аллельдердің көп саны миллиардтаған әртүрлі аллельдік профильдерді ажыратуға мүмкіндік береді, ал әр локустағы ең көп таралған аллельді штамм 10,000 оқшауланғаннан біреуінде кездесуі мүмкін. MLST жоғары ажырату күшіне қарамастан, үй шаруашылығы гендеріндегі нуклеотидтік өзгерістердің жинақталуы салыстырмалы түрде баяу процесс болып табылады және бактериялық оқшауланудың аллельдік профилі уақыт өте келе жеткілікті тұрақты, бұл әдіс әлемдік эпидемиология үшін өте қолайлы. Оқшауланудың байланыстылығы олардың аллельдік профильдерінің жұптық айырмашылықтарының матрицасы, eBURST немесе ең аз аралық ағашы (MST) арқылы құрастырылған дендрограмма ретінде көрсетіледі. Дендрограмма - бұл бірдей немесе өте ұқсас аллельдік профильге ие, ортақ ата-тектің ұрпақтары деп есептелетін оқшаулануларды көрсетудің ыңғайлы тәсілі; жеті локустың үштен астамда ерекшеленетін оқшауланулар арасындағы қатынастар сенімді болмауы мүмкін және олардың филогенезін анықтау үшін қолданылмауы керек. MST барлық үлгілерді ағаштың барлық тармақтарының жиынтық қашықтығы ең аз болатындай етіп байланыстырады. Сонымен қатар, оқшауланудың байланыстылығын MultiLocus Sequence Analysis (MLSA) арқылы талдауға болады. Бұл тағайындалған аллельдерді қолданбайды, оның орнына үй шаруашылығы гендерінің ген фрагменттерінің тізбектерін біріктіреді және осы біріктірілген тізбекті филогенетикалық қатынастарды анықтау үшін пайдаланады. MLST-ге қарағанда, бұл талдау тек бір нуклеотидте ерекшеленетін тізбектер арасында жоғары ұқсастық пен көптеген нуклеотидтік айырмашылықтары бар тізбектер арасында төмен ұқсастық тағайындайды. Нәтижесінде, бұл талдау клоналды эволюцияға ие организмдер үшін жақсырақ, ал рекомбинациялық оқиғалар жиі болатын организмдер үшін нашаррақ. Бұл жақын туысқан түрлер арасындағы филогенетикалық қатынастарды анықтау үшін де қолданылуы мүмкін. MLST және MLSA терминдері көбінесе бір-бірінің орнына қолданылады. Алайда, бұл дұрыс емес, өйткені әр талдау әдісінің өзіне тән ерекшеліктері мен қолданылуы бар. Дұрыс терминді қолдануға көңіл бөлу керек.

Басқа әдістермен салыстыру

Бактериялық оқшауламаларды ажырату үшін бұрын серологиялық типтеу тәсілдері қолданылған, бірақ иммунологиялық типтеудің кемшіліктері бар, олардың ішінде антигендік локустардың шешікті саны және антиденелердің әртүрлі антигендік варианттарға қатысты болжамсыз реакциялары бар. Патогендердің туыстығын анықтау үшін бірнеше молекулалық типтеу схемалары ұсынылды, мысалы, импульстік өрістік гель электрофорезі (PFGE), риботипі және ПТР-негізделген саусақ іздері. Бірақ бұл ДНК жолақтарына негізделген субтипілеу әдістері мағыналы эволюциялық талдаулар жасауға мүмкіндік бермейді. Көптеген зерттеушілер PFGE-ді "алтын стандарт" деп санаса да, көптеген штаммдар осы техникамен типтеуге келмейді, себебі процесте ДНК ыдырайды (гельде дақтар пайда болады). MLST тәсілі көп локусты фермент электрофорезінен (MLEE) ерекшеленеді, ол бірнеше негізгі метаболикалық ферменттердің әртүрлі электрофоретикалық жылдамдығына (EM) негізделген. Әр локустағы аллельдер олардың өнімдерінің EM-ін анықтайды, себебі ферменттер арасындағы әртүрлі аминқышқылдық тізбектер гельде жүргенде әртүрлі жылдамдық пен ерекше жолақтарға әкеледі. Оқшауламалардың туыстығын электрофоретикалық типтер арасындағы жұптық айырмашылықтар матрицасынан жасалған дендрограмма арқылы көруге болады. Бұл әдістің MLST-ге қарағанда төмен ажыратымдылығы бар, себебі ферменттік фенотиптік әртүрлілік ДНК тізбегінің әртүрлілігін шамамен көрсетеді. Біріншіден, ферменттер әртүрлі аминқышқылдық тізбектерге ие болуы мүмкін, бірақ олардың EM жеткілікті түрде ерекшеленбеуі мүмкін. Екіншіден, "күнделікті мутациялар" геннің ДНК тізбегін өзгерте алады, бірақ кодталатын аминқышқылдарды өзгерте алмайды. Үшіншіден, ферменттің фенотипі қоршаған ортаның жағдайларына байланысты оңай өзгеруі мүмкін және MLEE нәтижелерінің қайталануына кері әсер етеді. Ферменттердің жиі кездесетін модификациялары – фосфорилирлеу, кофактормен байланысу және тасымалдау тізбектерін бөліп шығару. Бұл әртүрлі зертханаларда алынған MLEE деректерінің салыстырылуын шектейді, ал MLST тасымалданатын және салыстырылатын ДНК тізбегі деректерін ұсынады және автоматтандыру мен стандарттау үшін үлкен мүмкіндіктерге ие. MLST-ді ДНК штрих-кодтаумен шатастыруға болмайды. Соңғысы – эукариоттардың белгілі бір түрлерін анықтау үшін қысқа генетикалық маркерлерді қолданатын таксономиялық әдіс. Ол митохондриялық ДНК (мтДНК) немесе рибосомалық ДНК цистронының кейбір бөліктерінің салыстырмалы түрде жоғары мутациялық деңгейіне негізделген, бұл түрлер арасындағы тізбектерде маңызды айырмашылықтарға әкеледі. мтДНК әдістері тек эукариоттарда ғана мүмкін (прокариоттарда митохондрия болмайды), ал MLST бастапқыда прокариоттар үшін әзірленгенімен, қазір эукариоттарда қолданылуда және қағида бойынша кез келген санатқа қолданылуы мүмкін.

Артықшылықтары мен қолданулары

MLST өте нақты және оңай тасымалданады. ST анықтау үшін қажетті материалдар зертханалар арасында алмастырылуы мүмкін. Праймер тізбектері мен хаттамалары электрондық түрде қолжетімді. Ол қайталанады және кеңейтілуге болады. MLST автоматтандырылған, жоғары өнімді секвенирлеу және биоинформатиканың жетістіктерін, сондай-ақ белгілі популяциялық генетика әдістерін үйлестіреді. MLST деректері бактериялар арасындағы эволюциялық байланыстарды зерттеуге пайдаланылуы мүмкін. MLST изоляттарды ажырату үшін жақсы ажырату күшіне ие. MLST-ның қолданылу саласы өте кең, және ол ғылыми, қоғамдық денсаулық сақтау, ветеринариялық қауымдастықтар мен тамақ өнеркәсібі үшін пайдалы ресурс болып табылады. MLST қолданылуының мысалдары төменде көрсетілген.

Кампилобактер

Кампилобактер бактериялық жұқпалы ішек ауруларының ең көп кездесетін себебі болып табылады, көбінесе пісірілмеген құс еті немесе пастеризацияланбаған сүттен туындайды. Дегенмен, оның эпидемиологиясы жеткілікті зерттелмеген, себебі жақын уақытта ошақтар сирек анықталады, сондықтан ошақтың бастау көздері мен таралу жолдарына із салу қиын. Сонымен қатар, Кампилобактер геномдары генетикалық тұрғыдан алуан түрлі және тұрақсыз, жиі интер- және интрагеномдық рекомбинацияға және фазалық өзгерістерге ұшырайды, бұл көптеген типтеу әдістерінен алынған мәліметтерді түсіндіруді күрделендіреді. MLST (Multiple Locus Sequence Typing) техникасы қолданысқа енгенге дейін Кампилобактерді типтеуде үлкен жетістіктерге қол жеткізілді және MLST дерекқоры толықтырылды. 2008 жылдың 1 мамырына қарай, Кампилобактер MLST дерекқорында 3516 изолят және Кампилобактерге қатысты зерттеулерде MLST-ді пайдаланған немесе есілген 30-ға жуық жарияланым бар (http://pubmlst.org/campylobacter/).

Нейссерия менингитидiс

MLST адам популяцияларындағы бактериялар мен адамға, өсімдіктерге және жануарларға патогенді болуы мүмкін штаммдардың әртүрлілігін толыққанды көрсетті. MLST техникасын алғаш рет Maiden және авторлар (1) алты локус қолданып Neisseria meningitidis-ті сипаттау үшін пайдаланды. MLST қолдану нәтижесінде әлемде инвазивті ауруларға себеп болатын негізгі менингококк түрлері анықталды. Басты инвазивті түрлерді ажырату дәлдігін арттыру мақсатында қазір жеті локус қолданылады және көптеген зертханалар осы әдісті менингококк оқшауламаларын сипаттаудың басты жолы деп қабылдады. N. meningitidis-те рекомбинациялық алмасулар жиі жүредіндігі және менингококк клондарының жылдам әртараптануына себеп екендігі мәлім. MLST басқа бактериялық түрлердегі клондарды сипаттау үшін сенімді әдіс болып табылды, мұнда клоналды әртараптану қарқыны көбінесе төмендеу болады.

Staphylococcus aureus (қалың көк стафилококк)

S. aureus көптеген ауруларды қоздырады. Метициллинге резистентті S. aureus (MRSA) ванкомициннен басқа дерлік барлық антибиотиктерге қарсы тұруына байланысты алаңдаушылық тудырады. Дегенмен, қауымдағы және көптеген жағдайларда ауруханалардағы S. aureus инфекциясының ең ауыр түрлері метициллинге сезімтал изоляттар (MSSA) арқылы қоздырылады, ал ауыр аурулармен байланысты гипервирулентті MSSA клондарын анықтауға көбінесе тырысқан жоқ. Сондықтан MLST MRSA клондарын нақты сипаттау және ауыр аурулармен байланысты MSSA клондарын анықтау үшін жасалды.

Streptococcus pyogenes (Стрептококктардың тұқымдасы)

S. pyogenes жұтқыншақ қабынуынан бастап, өмірге қауіпті импетигоға дейін, оның ішінде некротизациялық фасцит сияқты ауруларды қоздырады. S. pyogenes үшін MLST жүйесі жасалған. Қазіргі таңдағы деректер базасы (mlst. net) аталған микроорганизмнің бүкіл әлемдік түрлерінің аллельдік профильдерін және қауіпті инвазивті аурулардан бөлінген штаммдарды қамтиды.

Candida albicans тұқымдасы

C. albicans – адамдарда саңырауқұлақтық инфекция тудыратын патоген және ауруханада қан ағыны инфекцияларының себебі болып табылады. C. albicans оқшауламаларын сипаттау үшін MLST әдісі қолданылды. Әртүрлі локустардағы аллельдердің комбинациясы штамдарды ажыратуға мүмкіндік беретін ерекше диплоидты тізбек типтерін құрайды. MLST ауруханада C. albicans эпидемиологиясын зерттеуде, сондай-ақ адам және жануарлар иелерінен, түрлі экологиялық орталардан алынған C. albicans оқшауламаларының әртүрлілігін зерттеуде тиімді қолданылған.

Кронбактер

Cronobacter туысы 7 түрден тұрады. 2007 жылға дейін осы организмдерге Enterobacter sakazakii деген жалғыз түр атауы қолданылып келді. Cronobacter MLST әдісі бастапқыда C. sakazakii және C. malonaticus түрлерін ажырату үшін қолданылды, себебі 16S rDNA тізбектеу әрқашан жеткілікті дәлдікпен нәтиже бермейді, ал биотиптеу тым субъективті. Cronobacter MLST схемасы 7 аллельді пайдаланады: atpD, fusA, glnS, gltB, gyrB, infB және ppsA, бұл филогенетикалық талдау (MLSA) және салыстырмалы геномика үшін 3036 жұп негіздік конкатентті тізбек құрайды. MLST жаңа Cronobacter түрлерін ресми түрде тануда да қолданылды. Бұл әдіс генетикалық тарамның 4-ші түрі (ST4) мен нәрестелердің менингитінің жағдайлары арасындағы берік байланысты анықтады. Cronobacter MLST сайты: http://www.pubMLST.org/cronobacter.

Шектеулер

MLST популяциялық генетикалық зерттеулерде ең тиімді көрінеді, бірақ ол қымбатқа соғады. Үй шаруашылығы гендеріндегі тізбектердің сақталуына байланысты, MLST кейде бактериялық штаммдарды ажырату үшін жеткілікті дискриминациялық қабілетке ие болмайды, бұл эпидемиологиялық зерттеулерде оның қолданылуын шектейді. MLST-нің дискриминациялық қабілетін арттыру мақсатында Listeria monocytogenes MVLST әдісі әзірленді, ол MLST-нің артықшылықтарын кеңейтеді, бірақ вируленттілік гендерін таңдайды, олар үй шаруашылығы гендеріне қарағанда көбірек полиморфты болуы мүмкін. Эпидемияда маңызды фактор – тек популяциялық генетика ғана емес. Вируленттілік факторлары да аурудың пайда болуына ықпал етеді, ал популяциялық генетикалық зерттеулер оларды бақылауда қиындық тудырады. Бұл гендердің популяциялық генетикалық аяға қарағанда штаммдар арасында жиі рекомбинацияланатыны және жылдам қозғалатыны себепті болады. Сонымен, мысалы, Escherichia coli-де токсин гендерін тасымалдайтын штаммдарды анықтау, таралған штаммдарды популяциялық генетикалық бағалаудан гөрі маңыздырақ. Екінші буын секвенирлеу технологияларының пайда болуы бактериялық геномның толық тізбегі туралы ақпаратты салыстырмалы түрде аз шығынмен және күш-жігермен алуға мүмкіндік берді, сондай-ақ MLST енді әр локусты жеке-жеке секвенирлеудің орнына, геномдық тізбектерден анықталады (MLST әзірленген кезде осылай істелген). Геномдық тізбектер бактериялық штаммдарды ажырату үшін толыққанды ақпаратты ұсынады (MLST типті анықтау үшін геномдық тізбектің шамамен 0,1% -ын пайдаланады, ал геномның қалған бөлігін ескермейді). Мысалы, көптеген изоляттардың геномдық тізбектеуі Klebsiella pneumoniae-нің ST258 MLST тұқымы екі ерекше генетикалық кладтан тұратындығын көрсетті, бұл осы көп дәріге төзімді организмдердің эволюциясы және таралуы туралы қосымша ақпарат береді және ST258 үшін бұрынғы бір клоналды тектің болжамын жоққа шығарады.

Деректер қоры

MLST дерекқорлары әрбір организмнің эталондық аллельдік тізбектері мен тізбектелген түрлерін, сондай-ақ эпидемиологиялық деректерді қамтиды. Веб-сайттарда пайдаланушыларға өз аллельдік тізбектері мен тізбектелген түрлерін сұрауға және талдауға мүмкіндік беретін сұрау және талдау бағдарламалық құралдары бар. MLST зерттеушілер мен қоғамдық денсаулық сақтау қызметкерлері үшін кеңінен қолданылатын құрал. MLST дерекқорларының көп бөлігі қазіргі уақытта Оксфорд университетінде орналасқан веб-серверде (pubmlst.org) орналасқан. Сайттағы дерекқорда жеке организмдерге тән эталондық аллельдік тізбектер мен ST тізімдері сақталады. Қолданылған тізбектерді жинау және форматтауға көмектесу үшін Firefox-қа арналған қарапайым және тегін плагин әзірленді (сілтеме).