Enterobacteriaceae ailesi, Salmonella cinsinde yer alan bakteriler, Salmonella enterica (6 alt tür) ve Salmonella bongori (22 alt tür) olmak üzere iki tür içinde toplanmışlardır. Salmonella türleri, tifo ve paratifo gibi enfeksiyonların yanı sıra bakteriyemi ve septisemi oluşturabilmekte; hafif ya da orta şiddette gıda zehirlenmelerine neden olmaktadırlar. İnsanlarda izlenen salmonellozlarda etken olarak en sık S.enterica subsp enterica içinde yer alan S.Enteritidis, S.Typhimurium ve S.Newport serotipleri saptanmaktadır.
Salmonella serotiplerinin konağa adaptasyonu, hücre içinde çoğalması, sağkalımı ve ekstraintestinal yayılımında çeşitli genler rol oynamakta ve bu genler aynı zamanda bakterinin virülans düzeyini de belirlemektedir. Bilindiği gibi, patojen bakterilerin kromozomlarında “patojenite ile ilişkili adacıklar” adı verilen bölgede bulunan genler, bakterinin virülansını belirleyen çeşitli ürünleri kodlamaktadır. Sadece patojen türlerde bulunan bu genomik bölgeler, horizontal gen transferi ile patojen olmayan türlere nakledildiğinde transfer olduğu bakteriye de kompleks virülans faktörleri kazandırmaktadır. Patojenite adaları çoğunlukla integrazlar, transpozonlar ve insersiyon sekans (IS) elementleri veya bu elementlerin bir kısmı gibi hareketli faktörleri kodlayan kriptik veya fonksiyonel genleri taşırlar. Salmonella genomu üzerinde bulunan patojenite adacıkları ise “Salmonella patojenite adaları” olarak adlandırılır.
SALMONELLA PATOJENİTE ADALARI
Salmonella patojenite adaları (SPA), çoğunlukla kromozom üzerinde bulunan 10-200 kilobaz (kb)’lık oldukça büyük genomik bölgeler olup, virülans faktörlerini kodlayan çok sayıda gen içermektedir. Virülans faktörleri, bakterinin organizmaya adezyonu, kolonizasyonu, invazyonu, immün sistemden kaçışı ve toksin üretimi gibi özellikleri sağlayan ürünleri kapsamaktadır. Bu adacıklar sayesinde Salmonella türleri makrofajlar, dendritik ve epitelyal hücreleri enfekte edebilmektedir. SPA’nın varlığı veya yokluğu Salmonella serotipleri arasında farklılıklar gösterir. Bazı patojenite adaları Salmonella cinsi içinde korunmuş olarak bulunurken, bazıları belirli serotipler için özgüldür; bu nedenle konakçı adaptasyonu, patojenite ve oluşturulan enfeksiyonun şiddeti açısından serotipler arasında farklılıklar bulunmaktadır. Bugüne kadar birçok virülan Salmonella tipinde tanımlanan en önemli gen kümeleri 12 SPA içinde yer almaktadır
Salmonella Patojenite Adası-1 (SPA-1)
SPA-1, 43 kb’lık segmente sahip olup, diğer patojenik bakterilerden horizontal gen transferi ile de geçebilmektedir. SPA-1, fagositoz yapmayan hücrelerin invazyonundan sorumlu 31 geni içerir; aynı zamanda kompleks Tip III sekresyon sistemi (TTSS) için gerekli proteinleri kodlar. Bu proteinler TTSS sistemi içinde bulunan invA, invB, invC, invF, invG, hilA, sipA, sipC, sipD, spar, orgA, sopB ve sopE genleri tarafından kodlanmaktadır. TTSS’nin dış membran proteini olan invG, protein sekresyonu ve bakterinin hücre içine alımında kritik rol oynar. InvA bir iç membran proteini olup, polipeptidlerin dışarı atılmasını sağlayan kanalların şekillenmesini sağlar. InvH ve HilD aksesuvar proteinler olup, bakterinin adezyonunda rol oynar. TTSS tarafından salgılanan iki protein alt grubu vardır. Bunlardan birinci grupta TTSS’ye polipeptid sekresyonunu sağlayan proteinler (InvJ ve SpaO) yer alırken, ikinci grupta konakçı iskelet sisteminde değişiklik yaparak bakterinin alınmasını sağlayan proteinler (SipB ve SipC) bulunur. SPA-1 ürünü olan Inv/Spa proteini makrofaj apoptozundan sorumlu iken; SipA aktin bağlayıcı bir proteindir. SopE ise GTP-bağlayıcı proteinleri aktive etmektedir. SPA-1’de yerleşim gösteren hilA da, transkripsiyonu düzenleyen proteinleri kodlamaktadır. Yapılan moleküler çalışmalar SPA-1’in, Salmonella enfeksiyonlarının enterik ateş (sistemik) veya yangılı ishallerin görüldüğü intestinal faz için önemli olduğunu göstermektedir
Salmonella Patojenite Adası-2 (SPA-2)
SPA-2, 40 kb büyüklüğünde olup, 32 geni kodlamaktadır. Bu genlerin çoğu konak hücre içinde bakteri üremesi sırasında eksprese edilir. Örneğin bunlardan biri olan spiC gen ürünleri, Salmonella içeren fagozomların lizozomla birleşmesini engellemektedir. Bu genin ekspresyonu sistemik enfeksiyon oluşumu için önemlidir ve bakterinin makrofaj içinde çoğalmasını kontrol eder
Salmonella Patojenite Adası-3 (SPA-3)
SPA-3, 17 kb büyüklüğündedir ve 10 gene sahiptir. Bu adacık S.enterica serovar Typhi ve Typhimurium ile S.bongori’de bulunur. SPA-3 tarafından kodlanan temel virülans faktörü, yüksek afiniteli magnezyum transport sistemi (MgtS)’dir. Sitoplazmik membranda yerleşim gösteren MgtS, Salmonella türlerinin gerek hücre içinde gerekse makrofajların içinde canlı kalabilmesi için gereklidir. MgtS, mgtC geni tarafından kodlanmakta ve Mg2+ naklini sağlamaktadır. Bu nedenle mutant serotipler MgtC eksikliği nedeniyle intraselüler olarak çoğalamazlar
Salmonella Patojenite Adası-4 (SPA-4)
SPA-4, 27 kb büyüklüğünde olup, tRNA’ya bitişik yerleşim göstermektedir. Bu adacık 18 genden oluşur ve Tip I sekresyon sistemi (TOSS)’ni kodlayan genleri içerdiği düşünülmektedir. SPA-4, sitotoksin sekresyonunda rol alır ve hücreyi apoptoza götürür. Bu genlerin kodladığı proteinler etkenin makrofaj içinde canlı kalmasını sağlar
Salmonella Patojenite Adası-5 (SPA-5)
Büyüklüğü 7.6 kb olan SPA-5 bölgesi 6 geni kodlamaktadır. SPA-5’in, SPA-1 ve SPA-2 tarafından kodlanan TTSS için gerekli efektör proteinlerin (SopB, SigD, PipB, vb) üretiminden sorumlu olduğu düşünülmektedir. SPA-5 daha ziyade Sop proteinlerini kodlayan genlerle karakterizedir. Örneğin TTSS’nin efektör bir proteini olan SopB bir inositol fosfataz olup, diyareye neden olan sıvı sekresyonunu tetikler. Bu nedenle SPA-5’in enterik enfeksiyonların patogenezinden sorumlu olduğu düşünülmektedir.
Salmonella Patojenite Adası-6 (SPA-6)
SPA-6, 59 kb’lık bir bölgedir ve hem Typhi hem de Typhimurium serovarlarında bulunmaktadır. Bu adacık Salmonella kromozomal adacığı (SCI) olarak da bilinir ve fimbriyayı kodlayan saf geni, invazini kodlayan pagN geni ve fonksiyonu bilinmeyen birçok gen kümesini içerir. Yapılan çalışmalarda, serovar Typhimurium’daki SCI lokusu yok edildiğinde, etkenin neden olduğu sistemik enfeksiyonların patogenezinde bir değişiklik olmamakla birlikte, hücre kültüründe invazyonun gerçekleşmediği görülmüştür
Salmonella Patojenite Adası-7 (SPA-7)
Majör patojenite adası (MPI) olarak da bilinen SPA-7, 133 kb’lık en büyük Salmonella adacığıdır. SPA-7, serovar Typhi, Dublin ve Paratyphi C için özgül olup, diğer S.enterica serotiplerinde bulunmaz. Bu bölge aynı zamanda S.enterica serovar Typhi için MPI olarak da adlandırılır. Bu adacık tarafından kodlanan en önemli virülans faktörü Vi antijenidir. Vi antijeni kapsüler ekzopolisakkarit yapısında olup, tifo sırasında ateşin yükselmesine neden olmaktadır. Bir diğer virülans faktörü, pil gen kümesi tarafından kodlanan tip IVB pilusudur. SPA-7’de ayrıca sopE geni de bulunur. sopE geni sopE fajını aktive eder ve bu fajın diğer izolatlara transferini sağlar. sopE fajını da kodlayan SPI-7’nin genetik organizasyonu oldukça komplekstir. Bu lokus horizontal kazanılmış farklı elementlerden oluşmakta ve pil, tra ve sam genlerinin varlığı, SPA-7’nin bir konjugatif plazmid veya konjugatif transpozondan köken aldığını düşündürmektedir
Salmonella Patojenite Adası-8 (SPA-8)
SPA-8, 6.8 kb büyüklüğündedir ve pheV tRNA’nın yakınında yer alır. Bu adacık serovar Typhi için özgül olmakla birlikte, Saroj ve arkadaşları, bu genin serovar Typhi dışında serovar Cholerasuis ve Paratyphi A’da da bulunduğunu bildirmişlerdir. SPA-8’de yer alan virülans faktörleri, bakteriyosin genleri tarafından sentezlenen bakteriyosinlerdir; ancak bu genlerin fonksiyonları henüz açıklık kazanmamıştır
Salmonella Patojenite Adası-9 (SPA-9)
SPA-9, yaklaşık 16 kb büyüklüğünde bir bölge olup, serovar Typhi kromozomundaki lizojenik bakteriyofaja bitişik olarak bulunur. SPA-9, TOSS ve RTX (repeats-in-toxin) benzeri toksini kodlayan genleri içermektedir
Salmonella Patojenite Adası-10 (SPI-10)
SPA-10, 32.8 kb büyüklüğündedir ve tRNA leuX’de yerleşim göstermektedir. SPA-10’da ayrıca kriptik bakteriyofaj da yer almaktadır. Bu lokus, serovar Typhi, Paratyphi A, Enteritidis, Dublin ve Gallinarum’da bulunmaktadır. SPA-10, virülans faktörü olarak, konak hücre yüzeyine tutunmayı sağlayan sef fimbriya proteinlerini kodlar
Salmonella Genomik Adası-1 (Salmonella Genomic Island; SGI-1)
SGI-1, çoklu direnç integronları içeren mobilize bir yapı olup, Salmonella enterica kökenlidir. Bir başka deyişle, çoklu antibiyotik direnç genlerini taşıyan gen kümelerini içerir. SGI-1, 43 kDa’luk bir lokus olup, kromozomal thdf ve int2 genleri arasında bulunur. Bu genomik ada Salmonella Typhimurium DT104, Paratyphi, Agona, Cerro, Derby, Dusseldorf, Emek, Haifa, Infantis, Kingston, Meleagridis, Newport, Typhimurium ve Virchow gibi pek çok S.enterica serotipinde bulunmaktadır. Bunlar arasında tıbbi önemi büyük olan S.Typhimurium DT104 suşu, dünyanın birçok bölgesindeki besin zehirlenmesi salgınlarından sorumludur. SGI-1 içeren suşların çoklu antibiyotik direnci (tetrasiklin, ampisilin, kloramfenikol, streptomisin ve sulfonamid direnci) gösterdiği saptanmıştır
Yüksek Patojenite Adası (High pathogenicity island; HPI)
Yüksek patojenite adası, demir alımı için ihtiyaç duyulan siderofor biyosentezi için gerekli genleri içerir ve S.enterica’da bulunur. HPI’ya sahip olan suşlar demir eksikliği olan ortamlarda demir şelatörü sentezlemektedirler. Bu adacık ilk kez Yersinia türlerinde saptanmıştır ve birçok Enterobacteriaceae üyesinde yer almaktadır.
TİP III SEKRESYON SİSTEMİ (TTSS)
“Moleküler enjektör” olarak da adlandırılan TTSS, temasa bağlı sekresyon veya konak hücreye virülans proteinlerin aktarımından sorumludur. TTSS, 20’den fazla proteinden oluşmuş kompleks bir yapı olup, bu proteinlerin organizasyonu enjektör (iğne kısmı, dış halka, boyun ve iç halka) yapısına benzemektedir. Bu sistem Salmonella dışında Shigella ve Escherichia coli’de de bulunur. TTSS’den sorumlu olan genler Salmonella’da kromozomal yerleşim göstermektedir. Salmonella enterica serotipleri SPA-1 ve SPA-2 tarafından kodlanan en az iki tip TTSS’ye sahiptirler. Bunlardan SPA-1 tarafından kodlanan sistem, intestinal enfeksiyonun başlatılmasından, SPA-2 tarafından kodlanan sistem ise sistemik enfeksiyonun oluşmasından sorumludur
VİRÜLANS GENLERİNİN REGÜLASYONU
Salmonella türlerinin başarılı bir enfeksiyona neden olabilmesi için, mide asiditesi, safra tuzu, oksijen kısıtlaması, besin yetersizliği, antimikrobiyal peptidlerin varlığı, mukus ve bağırsak içindeki doğal mikroflora gibi olumsuz çevre koşullarında canlı kalabilmesi gerekir. Salmonella’lar gerek invazyon gerekse makrofaj içinde çoğalmaları sırasında lizozomal enzimler, hidrojen peroksit, reaktif oksijen radikalleri, iNOS ve savunma sisteminin diğer elemanları gibi birçok olumsuz koşul ile karşılaşmaktadır. Bu nedenle bakterinin, enfeksiyon oluşturabilmesi için bir dizi gen ekspresyonuna gereksinimi vardır. İnvazyon ile ilişkili genler, 37°C’de, nötral pH’da, yüksek ozmolaritede ve üremenin geç döneminde maksimum düzeyde eksprese edilir ve SPA-1 tarafından kodlanan HilA (hyper-invasive locus) proteinleri tarafından regüle edilir. Virülan Salmonella suşları, fagozom veya fagolizozomlardaki olumsuz koşullara karşı varlıklarını “alternatif sigma faktörü” ve “adaptif aside tolerans yanıtı” ile sürdürmektedirler. Bu nedenle bu iki özellik bakterinin önemli virülans faktörlerindendir
Alternatif Sigma Faktör ss (RpoS) Regülatörü
RpoS, Salmonella türlerinin en önemli virülans faktörlerinden olup, besin yokluğu veya kısıtlaması ile pH ve sıcaklık değişimleri gibi stres faktörlerine maruz kaldığı zaman, bakterinin bu olumsuz koşullara dayanmasını ve canlı kalmasını sağlamaktadır. Bu amaçla bakteri, durağan ve çoğalma fazında pek çok gen eksprese eder. Örneğin RpoS, Salmonella serovar Typhimurium’un derin organ bölgelerinde çoğalabilmesini kontrol eden spvRABCD plazmid genlerinin ekspresyonundan sorumludur. Bu genlerden spvB, makrofaj içinde bakterinin canlı kalmasını sağlayabilmek amacıyla ADP-ribozil-transferazı üretir. Bu faktör ayrıca, Peyer plaklarında kolonizasyon için gerekli olan kromozomal genlerin fonksiyonlarını da düzenler
Adaptif Aside Tolerans Yanıtı
Normalde nötral pH’da yaşamaya alışkın olan Salmonella türleri, su birikintileri, mide asidi ve kolon gibi asidik çevre koşullarına da maruz kalabilirler. Aside tolerans yanıtı, özellikle bakterinin mideden gastrointestinal faza geçişi sırasında veya asidik fagozomal (pH: 5-6) çevre şartları içinde yaşamını sürdürebilmesi ve çoğalması için oldukça önemlidir. Fagozom, bakteriyi yok etmek için lizozom dışında, hidrojen peroksit, süperoksit ve diğer antimikrobiyal etkili proteinleri salgılarken, çeşitli metabolik aktiviteler sonucu fagolizozomun pH’sı 3-4’e kadar iner. Normalde bakteri, orta düzeyde asidik ortama (pH: 5) maruz kaldığında yanıt olarak bir dizi (~50 adet) gen ekspresyonu yapmaktadır. Bu genlerin ürünleri sayesinde bakteri daha asidik ortama (pH~3) adapte olur ve canlılığını sürdürür. RpoS, PhoP/Q, OmpR ve Fur gibi genel regülatör proteinler bu olaylar sırasında önemli rol oynarlar. Aside toleranslı türlerin daha yüksek patojeniteye sahip olması nedeniyle aside tolerans yanıtı önemli virülans faktörlerinden biri olarak kabul edilmektedir.