ترانسفورماسیون به معنای جذب DNA آزاد از سلولهای باکتری لیز شده در محیط مجاور آن می‌باشد. هنگامی که عوامل تعیین کننده مقاومت با این مکانیسم گرفته شد آنها می‌توانند بوسیله‌ی نوترکیبی هومولوگ وارد کروموزوم باکتریایی شوند که منجر به آرایش موزاییکی جدید ژن‌ها می شود.
ترانسداکسیون، انتقال DNA باکتریایی با واسطه باکتریوفاژ است و معمولا برای انتشار موثر و کارآمد ژن مقاومت چندان مهم و مطرح نمی‌باشد. فاژهایی که وارد کروموزوم باکتریایی شده‌اند، زمان خروج و بسته‌بندی در کپسول می‌توانند یک بخش از DNAباکتری راکه در مجاور آنها بوده است، با خود حمل کرده و متعاقب آن به سلول باکتری بعدی که توسط ویروس (فاژ) آلوده شده، منتقل می شود. کپسول همچنین می تواند شامل DNA نامربوط مانند پلاسمیدها کوچک و یا تکه های DNA باشد و سبب گسترش بیشتر آنها شود، این سناریویی است که برای فاژهایی که وارد DNA باکتری میزبان نشده‌اند صادق ‌می‌باشد.

کنژوگاسیون مهم ترین مکانیسم برای انتقال افقی محسوب می‌شود، که تبادل DNA زمانی رخ می‌دهد که سلول های دهنده و گیرنده در تماس مستقیم با یکدیگر باشند (رایس و بونومو، ۲۰۰۵).
تصویر ۲-۱ سه مکانیسم اصلی که توسط آن ژن های مقاومت آنتی بیوتیکی به صورت افقی در میان باکتری ها منتقل می‌شوند. A) ترانسداکسیون B) ترانسفورماسیون C) کنژوگاسیون (لیامتانگ، ۲۰۰۸)

۹-۲-۲- عناصر دخیل در انتقال افقی ژن های مقاومت

پلاسمیدها، ترانسپوزونها، اینتگرون‌ها / کاست‌های ژنی، و جزایر ژنومی کروموزومی، نقش مهمی در انتقال افقی ژن های مقاومت آنتی بیوتیکی بازی می‌کنند (شوارتز و چاسلوس-دانکلا، ۲۰۰۱). این چهار نوع عنصر از DNA دو رشته تشکیل شده‌اند اما بطورواضحی در اندازه، ساختار، خواص بیولوژیکی و همچنین مکانیسم های گسترش، تفاوت دارند (شوارتز و همکاران، ۲۰۰۶)

۱-۹-۲-۲- پلاسمید‌ها

ناقل رایج برای انتقال ژنهای مقاومت است، پلاسمید‌ها خارج کروموزومی، و غالبا مولکولهای DNA حلقوی هستند. پلاسمیدها حاوی ژن های هستند که برای بقای باکتری ضروری نیست، اما اغلب برای باکتری ها مفید است برای مثال حاوی ژنهای مقاومت و ژنهایی که عملکرد متابولیکی و عوامل حدت را رمزگردانی می‌کنند، هستند. این عناصر مکانیسم های تکثیر خود را حمل می‌کنند و بنابراین می توانند به تعداد زیاد در سلول باکتری وجود داشته باشند. پلاسمیدهای کوچک، با اندازه‌‌ی حدود ۳ کیلوباز شناخته شده‌اند که در بیش از ۲۰ نسخه در یک سلول وجود دارند و در نتیجه در سویه باکتریایی میزبان بسیار پایدار هستند. از سوی دیگر پلاسمیدهای بزرگ که اندازه‌ای تا ۱۸۰ کیلو باز دارند، غالبا تنها در یک نسخه وجود دارند اما اغلب حامل ژنهای خاص برای پارتیشن بندی خود در سلولهای در حال تقسیم هستند تا اطمینان حاصل شود که هر سلول جدید یک کپی از پلاسمید را دارد. باکتری ها گاهی اوقات چندین پلاسمید مختلف حمل می‌کنند که می تواند شامل ژنهای مقاومت های مختلف بسیاری باشد. همه انواع پلاسمیدها نمی‌توانند در یک سلول باکتریایی همزیستی داشته باشند، این امر سبب تقسیم پلاسمیدها به گروه های ناسازگار می‌شود. مکانیسم اصلی انتقال پلاسمیدها کونژوگاسیون است. حداقل ۳۳ کیلوباز برای انتقال ژنها بواسطه‌ی کونژوگاسیون نیاز است. محدوده‌ی پلاسمیدهای گوناگون میزبان متنوع و بی‌ثبات است، در حالی که برخی فقط دریک گونه انتشار می‌یابند بقیه می‌توانند به طیف گسترده ای از میزبان ها منتقل شده و در نتیجه فاکتورهای مقاومت را بین گونه های مختلف مهم، گسترش دهند (رایس و همکاران، ۲۰۰۳؛ رایس و بونومو، ۲۰۰۵)

۲-۹-۲-۲- ترانسپوزونها

علاوه بر فاکتور‌های مقاومت یا‌ ژنهای دیگر، ترانسپوزونها عناصری هستند که ژنهایی را حمل می‌کنند که سبب جابجایی^[۲۸] خودشان، مستقل از نوترکیبی میزبان، می‌شود. ورود ترانسپوزونها گاهی اوقات، مثلا در مورد Tn7، خاص یک جایگاه^[۲۹] است اما غالبا در طیف گسترده ای از زمینه ها، هم در پلاسمید و هم درDNA کروموزومی وارد می‌شوند. از آنجا که ترانسپوزونها سیستم های تکثیر ندارند، آنها باید با کروموزوم یا پلاسمیدها ادغام شوند تا ثبات خود را حفظ کنند. ترانسپوزونها می‌توانند در ساختارها و اندازه های مختلف از کمتر از ۱ کیلوباز تا ۶۰ کیلوباز متفاوت باشند. کوچکترین نوع آنها توالی ورود^[۳۰] (IS) است که معمولا فقط حامل ژنهای ترانسپوزاز^[۳۱] است که محصولاتشان واسطه‌ی جابجایی عناصر ژنتیکی هستند. ورود ژنهای اضافی، مانند ژنهای سم، و غالبا ژنهای مقاومت آنتی بیوتیکی، ترانسپوزون‌ها را بزرگتر می‌کند (کیز و همکاران، ۲۰۰۸). ترانسپوزونهای مرکب^[۳۲]، مانند Tn9، Tn10، و Tn5706، معمولاحاوی یک یا چند ژن مرکزی مقاومت آنتی بیوتیکی و توالی ورود (IS) در دو انتهای خود هستند. ترانسپوزونهای پیچیده، مانند Tn1721، معمولا توسط توالی های تکراری معکوس انتهایی^[۳۳] و نیز گاهی اوقات توالی های تکراری داخلی مشخص می‌شوند که سبب جدا کردن بخش حامل ژنهای مقاومت از قسمت حامل ژنهای ترانسپوزاز می‌شود. همانند پلاسمید‌ها، ترانسپوزونهای کونژوگاتیو و غیرکونژوگاتیو نیز وجود دارند. ترانسپوزونهای کونژوگاتیو به عنوان مثال، Tn916 ، نه تنها در میان گونه‌های باکتری های گرم مثبت و گرم منفی، بلکه بین هر دو گروه منتقل می‌شود. ژن مقاومت به تتراسیکلین، (tetM)، روی یک ترانسپوزون کونژوگاتیو واقع شده و می تواند در میان چندین جنس از باکتری ها مانند: گونه‌های انتروکوکوس، استافیلوکوکوس، استرپتوکوکوس، اکتینومایسس، بیفیدوباکتریوم، کمپیلوباکتر، قارچ Fusarium nucleatum، گونه های هموفیلوس و نایسریا انتقال یابد (سال‌یرز و شومیکر، ۲۰۰۶)

۳-۹-۲-۲- اینتگرون‌ها

۱۰-۲- ساختار و ویژگی‌های اینتگرون‌ها

اینتگرون‌ها عناصر ژنتیکی هستند که یک ابزار کارآمد برای گرفتن، بیان و تبادل ژن های مقاومت آنتی بیوتیکی در باکتری های گرم منفی را فراهم می‌کنند. اجزای ضروری یک اینتگرون شامل: ژن intI، که یک آنزیم ریکامبیناز با جایگاه خاص شناسایی را رمزگردانی می‌کند و یک سایت نوترکیبی attI، هستند. این سایت نوترکیبی توسط اینتگراز تشخیص داده می‌شود و یک سایت پذیرنده برای کاست‌های ژنی دریافتی است. علاوه بر این، یک پروموتور، Pc، سبب رونویسی از کاست‌های ژنی وارد شده می‌شود (تصویر ۳-۱). کاست های ژنی شامل یک چارچوب خواندن باز (ORF^[34]) برای ژنی که مقاومت آنتی بیوتیکی را رمزگردانی می‌کند و همچنین یک سایت نوترکیبی که عنصر ۵۹-بازی
(۵۹- be)^[35] نامگذاری شده، می‌باشند. این عناصر ۵۹ بازی، توالی‌های تکراری معکوسی هستند که در انتهای ’۳ چارچوب خواندن باز، یافت می‌شوند وتوسط اینتگراز تشخیص داده می‌شوند (مک، ۲۰۰۹)

تصویر۳-۱) ساختمان کلی یک اینتگرون (مک، ۲۰۰۹)
دوگروه عمده از اینتگرونها وجود دارند : انواع کروموزومی Chromosomal integrons (CIs )وانواع متحرک Mobile integrons (MIs ). CIs بر روی کروموزوم صدها گونه از باکتری هاوجود دارند. در طی تحقیقی نشان داده شدکه۱۷ % ژنوم باکتری های تعیین توالی شده آرایش ژنتیکی CIs را نشان داده اند (کمبری وهمکاران، ۲۰۱۰). CIs . اغلب درباکتری های اکوسیستم های دریایی وخاکی مثل گونه های گزانتوموناس و ویبریو شناسایی شده اند. نام دیگر اینتگرونهای کروموزومی super integrons (SIs )می باشد زیرا آنها می توانند تا ۲۰۰ کاست ژنی راحمل کنند که عملکرد محصول پروتئینی اغلب آنها ناشناخته است (ناس و همکاران، ۲۰۰۱).
کاست های ژنی که تا امروز در MIs شناسایی شده اند معمولا فاکتورهای مقاومت آنتی بیوتیکی را رمزگردانی می کنند بنابراین به این اینتگرونها resistance integrons (RIs )یاmultidrug resistance integrons (MRIs )گویند (استالدر و همکاران، ۲۰۱۲).
تا کنون کلاسهای متنوعی از اینتگرون‌ها (MIs) شناسایی شده که سه گروه مجزا از آنها در ایجاد مقاومت آنتی بیوتیکی درگیر هستند، که شامل کلاس۱، کلاس۲، و کلاس۳ می‌باشند. کلاس‌های گوناگون اینتگرونها بواسطه‌ی توالی ژن intI، که آنزیم اینتگراز را رمزگردانی می‌کند از هم تمایز داده می‌شوند.

۱-۱۰-۲- کلاس ۱ اینتگرون‌ها

کلاس ۱ اینتگرون‌ها برای اولین بار توسط استوکس و هال در سال ۱۹۸۹ شرح داده شد (استوکس و هال، ۱۹۸۴). آنها هنوز هم شایع‌ترین و گسترده‌ترین طبقه که مورد مطالعه قرار گرفته باقی مانده‌اند. اکثریت شناخته شده‌ی کاست‌های ژنی مربوط به مقاومت به آنتی بیوتیک‌ها، که تا کنون شرح داده شده متعلق به کلاس ۱ اینتگرون‌هاست، که خصوصیت ویژه‌ی آنها حضور قسمت ثابت انتهایی ۵’ (۵’-CS) است. همانطور که قبلا اشاره شد ۵’-CS متشکل از سه مولفه اساسی از اینتگرون کلاس۱ است که که عبارتند از ژن intI1، یک سایت اتصال attI1 و پروموتور Pc (تصویر۴-۱)

تصویر۴-۱: ساختمان کلی کلاس۱ اینتگرون‌ها (مک، ۲۰۰۹)
ویژگی دیگر اکثر اینتگرون‌های کلاس۱ وجود بخش ثابت انتهای۳’ (۳’-CS) است. ۳’-CS به طور معمول ۲۳۸۴ جفت باز طول دارد و چهار ژن رمز گردان (ORFs) را کد می‌کند (براون و همکاران، ۱۹۹۶). اولین ژن رمزگردان ژن qacE∆۱است که نشان دهنده نسخه‌ی کوتاه شده کاست ژنی qacE است که مقاومت در برابر ترکیبات چهارتایی آمونیوم را کد می‌کند (تصویر۴-۱). این کوتاه شدگی ممکن است به علت قرار گرفتن فاکتور مقاومت سولفونامیدی sul1 در انتهای ۳’ آن باشد که منجر به از بین بردن عنصر ۵۹-بازی (۵۹- be) ژن qacE و برخی از توالی‌های رمزگردان آن شده است (پالسن و همکاران، ۱۹۹۳). سومین ژن رمزگردان، ORF5 است که هیچ عملکرد شناخته شده‌ای ندارد اما برخی شباهت‌ها به پورومایسین استیل ترانسفراز^[۳۶] نشان می‌دهد (تصویر۴-۱) (بیسونت و روی، ۱۹۹۲).چهارمین و آخرین ژن رمزگردان، ژن ORF6 است که هیچ عملکرد بیولوژیکی شناخته شده‌ای ندارد (تصویر۴-۱). انواعی از اینتگرون‌های کلاس۱ یافت شده‌اند که فاقد انتهای ثابت ۳’ هستند، یکی از این نمونه‌ها اینتگرون کلاس۱ است که در ترانسپوزون Tn402 یافت شده است که حاوی کاست کامل ژن qacE است، اما فاقد ژن sul1 و دو ژن رمز گردان دیگر می‌باشد (تصویر۵-۱) (راداشتروم و همکاران، ۱۹۹۴؛ هولودای و همکاران، ۱۹۹۵). این ترانسپوزون همچنین شامل یک واحد ژن جابجایی^[۳۷] (tni module) که حاوی ژن‌های tniA, tniB، tniQ و tniR (که به عنوان tniC شناخته می شود) است، می‌باشد (هولودای و همکاران، ۱۹۹۵)
همچنین این ترانسپوزون حاوی توالی‌های تکرار شونده معکوس^[۳۸] (IRs) است که در طرفین اینتگرون و واحدهای جابجایی قرار دارد (تصویر۵-۱). بنابراین، اینتگرون کلاس۱ که در داخل Tn402 قرار دارد، می‌تواند از طریق مکانیسم transposition به صورت افقی منتقل شود. اینطور فرض شده است که Tn402 جد امروزی اینتگرون‌های کلاس۱ می‌باشد (پارتریج و همکاران، ۲۰۰۱الف؛ پارتریج و همکاران، ۲۰۰۱ب).

تصویر ۵-۱: ساختار کلاس ۱ اینتگرون‌ یافت شده در Tn402 (مک، ۲۰۰۹)
۲-۱۰-۲- کلاس ۲ اینتگرون‌ها
گروه دوم از اینتگرون‌ها نیز درون ترانسپوزونها (مثلا Tn7و ترانسپوزونهای مربوطه) یافت شده‌اند (تصویر۶-۱) (تیتز و همکاران، ۱۹۸۷؛ یانگ و همکاران، ۱۹۹۴؛ هانسون و همکاران، ۲۰۰۲). تفاوت اساسی و ویژگی کلیدی توصیف کننده کلاس۲ اینتگرونها این است که ژن intI2 توسط یک کدون پایان ابتدایی متوقف می‌شود که منجر به تولید پروتئین غیر فعال ۱۷۸ اسید آمینه‌ای می‌شود. با این حال، جهش این کدون پایان منجر به بازیابی فعالیت اینتگراز می‌شود (هانسون و همکاران، ۲۰۰۲). برای مثال اخیرا یک اینتگراز کلاس۲ فعال توسط مارکز و همکاران از سویه‌ای از ای‌کلای گزارش شد که با اینتگراز ۲ موجود در Tn7 شش نوکلئوتید تفاوت داشت که شامل کدون پایان هم بود و این اینتگرون شامل دو کاست ژنی برای مقاومت به تری متوپریم و لیپوپروتئین پپتیداز، بود.

تصویر۶-۱: ساختار اینتگرون کلاس۲ موجود در Tn7 (مک، ۲۰۰۹)
به طور کلی ۵ اینتگرون کلاس ۲ مشخص شده است. که هر پنج مورد حاوی، کاست‌های ژنی sat که مقاومت به استرپتوتریسین و aadA1 که مقاومت به استرپتومایسین و اسپکتینومایسین را رمزگردانی می‌کنند، هستند (تصویر۶-۱). اینتگرون مربوط بهTn7، همچنین حاوی کاست ژنی dfrA1 در مجاورت سایت attI2 می‌باشد که سبب مقاومت به تری‌متوپریم می‌شود. همچنین در این اینتگرون کاست ژنی چهارمی به نام orfX وجود داردکه یک پروتئین با عملکرد ناشناخته را رمزگردانی می‌کند. این ژن orfX فاقد عنصر ۵۹ بازی است اما از لحاظ عملکردی نقش سایت نوترکیبی دارد (هانسون و همکاران، ۱۹۹۷)
تفاوتهای مختصر در کاستهای ژنی اینتگرونهای کلاس۲ بیانگر میزانی از جابجایی کاستهای ژنی است که کاملا معلوم نیست به علت فعالیت نوترکیبی سایر اینتگرازها (کلاس ۱و۳) باشد یا به علت سرکوب گاه به گاه کدون پایان باشد که منجر به بازیابی فعالیت نوترکیبی اینتگراز۲ شده است (میزل، ۲۰۰۶).

۳-۱۰-۲- کلاس ۳ اینتگرون‌ها

اینتگرونهای کلاس ۳ دخیل در مقاومت آنتی‌بیوتیکی تنها در ژاپن و اخیرا در پرتقال و کانادا یافت شده‌اند. دو کاست ژنی در آرایه‌ی^[۳۹] ژنی این کلاس وجود دارد: bla_IMP-1، که متالو-بتاکلاکتاماز رارمزگردانی می‌کند و aacA4، که مقاومت به آمینوگلیکوزیدها را ایجاد می‌کند (تصویر۷-۱). کاست ژنی bla_IMP-1، سابقا در کلاس۱ شناسایی شده و به طور گسترده درآنها وجود دارد (میزل، ۲۰۰۶)

تصویر۷-۱: ساختار اولین اینتگرون کلاس ۳ از ژاپن (مک،۲۰۰۹)

۴-۱۰-۲- سوپر اینتگرون‌های کروموزومی یا کلاس ۴

سوپر اینتگرون‌ها برای اولین بار در ژنوم ویبریوکلرا (عامل وبا) توضیح داده شد. علت نامگذاری آنها آن است ساختار آنها ۱۲۶ کیلوباز طول دارد و حداقل ۱۷۸ کاست ژنی دارند (میزل و همکاران، ۱۹۹۸). اما این کاستهای ژنی به نظر نمی‌رسد هیچ مقاومت آنتی‌بیوتیکی را رمزگردانی کنند بلکه در اعمال تطبیقی از قبیل متابولیسم و تغییرات DNA شرکت می‌کنند گرچه هنوز مجموعه اعمال آنهابه طور کامل شناخته نشده است (میزل، ۲۰۰۶).
این کلاس واجد چندین ویژگی است: اولا باید ۲۰ کاست ژنی داشته باشد، ثانیا باید عناصر ۵۹-بازی انتهای ۳’ کاستهای ژنی بالغ بر ۸۰ درصد تشابه داشته باشند، ثالثا این کلاس نباید با هیج نوع عنصر ژنتیکی متحرک مرتبط باشد.

۱۱-۲-کاست ژنی

۱-۱۱-۲- تعریف

کاستهای ژنی ساختارهایی هستند که حاوی ژن رمزگردان مقاومت آنتی‌بیوتیکی و سایت نوترکیبی ۵۹-بازی هستند. این کاستها فاقد پروموتور هستند و بنابراین برای بیان باید وارد اینتگرونها شوند. بیش از ۱۳۰ کاست ژنی در ارتباط با مقاومت آنتی‌بیوتیکی شناخته شده که سبب مقاومت تقریبا به تمام دسته‌ه ای آنتی‌بیوتیکی می‌شوند^[۴۰] (پالکی و همکاران، ۲۰۰۷). بیشتر کاستهای ژنی اینتگرونهای کلاس ۱و۲و۳ واسطه‌ی مقاومت به ترکیبات ضدمیکروبی هستند. که شاید یک دلیلش آن باشد که اکثر نمونه های مطالعه شده باکتریهای مقاوم، گرفته شده از موارد بالینی یامحیط بوده‌اند.
کاستهای ژنی به دو شکل یافت می‌شوند:
فرم حلقوی، آزاد یا غیر تکثیر شونده
فرم خطی، وقتی که وارد پلاسمید، ترانسپوزون یا کروموزوم می‌شود (تصویر۸-۱)

تصویر۸-۱: ساختار کاستها (B) ، همراه اینتگرون (رکیا و هال، ۱۹۹۵الف؛ پارتریج و همکاران، ۲۰۰۹)
طول کاستهای ژنی معمولا بدلیل تفاوت در طول ناحیه‌ی رمزگردان و نیز سایت نوترکیبی ۵۹-بازی، متفاوت است (رکیا و هال، ۱۹۹۵الف). علیرغم اختلاف طول کاستهای ژنی یکسری ویژگیهای مشترک دارند که در ذیل به آنها اشاره شده است. مرزهای کاستها توسط دو توالی به نامهای Core site (CS) و Inverse core site (ICS) مشخص شده‌اند. این توالی‌های معکوس متعلق به سایت نوترکیبی ۵۹-بازی یا همان attC می‌باشد. حضور این توالی‌ها اولین بار در ژن aadB (کدکننده مقاومت به جنتامایسین) که وارد پلاسمید مقاومت چندگانه دارویی (MDR) pGDO100 شده بود، تشخیص داده شد (کامرون و همکاران، ۱۹۸۶). در مطالعه‌ای که استوکس و همکاران در سال ۱۹۸۹ در آن تمام کاستهای شناخته شده تا آن زمان را بررسی کردند مشخص شد که توالی ثابت GTTRRRY همواره در محل اتصال۵’-CS کاست ژنی به۳’-CS اینتگرون وجود دارد. بنابراین اینطور نتیجه‌گیری شد که کاست ژنی توالی TTRRRY را از کاست ماقبل خود و تنها G را از Core site خود گرفته است (تصویر۸-۱) (استوکس و هال، ۱۹۸۹).

تصویر۸-۱:ساختار شماتیک کاست وارد شده به اینتگرون (R نشان دهنده‌ی بازهای پورین وY