16S riboszomális RNS

A 16 S rRNS egy jellegzetes génszekvencia, amelyet az általános laboratóriumi gyakorlatban mikroorganizmusok (főleg baktériumok) azonosítására és rendszertani klasszifikációjára használnak.

A 16S rRNS sajátságai

Az riboszomális RNS tudvalevően a leginkább konzervatív (legkevésbé variabilis) RNS típus a sejtekben. Egymáshoz képest távoli genetikai rokonságban lévő élőlények adott rRNS szekvenciái rendkívül hasonlóak. Ez úgyszólván azt jelenti, hogy más-más élőlényektől származó RNS szekvenciák igen egyöntetűek, melynek segítségével a jellegzetes különbözőségek precízen kivehetőek. Ebből kifolyólag a taxonómia már korábban kihasználta a jelenség nyújtotta lehetőséget, hogy evolúciós folyamatokat, filogenetikai trendeket állapítson meg ennek révén – főleg baktériumok esetében. Egyik jeles példája ennek Carl Woese úttörő munkássága az evolúcióbiológia területén, aki a ma már általánosan elfogadott – Archaea, Bacteria, Eucarya – rendszertani kategória megalkotását pontosan a 16S rRNS szekvenciák közti eltérések és hasonlóságok feltárására alapozta. A specifikusságot jelentő szekvenciarészek tehát identifikációt biztosítanak az adott nukleinsav számára, abból fehérjék ilyen módon nem transzlálódnak.

Ahhoz, hogy az élőlények sokfélesége közti összetartó irányokat azonosítani lehessen, szükséges azon gének működésének feltárása, amelyek az evolúciós divergens fejlődés ellenére is egyöntetűek maradtak. Ezekre jó példa a riboszomális RNS-ek. Baktériumokban, továbbá az Archaea csoportban a mitochondriumok, a kloroplasztiszok valamint a kis riboszomális domének tartalmaznak 16S rRNS szekvenciát (itt az S a svedberg egységet jelenti). Az rRNS nagy alegysége két RNS típust foglal magában, az 5S és a 23S rRNS-eket. A legtöbb prokaryotában három ilyen variáns található, az 5S, a 16S és a 23S rRNS. Ezek az egységek a baktériumokban közös szabályozás alatt álló egységekbe, operonban íródnak át. Ezen operonnak – például az E. coli esetében – 7 kópiája is lehet szétszórva a genomban. Az Archaae csoportban vagy egy egyes rDNS operon található, vagy többszörös másolatok léteznek.

A 16S rDNS szekvencia számos hipervariábilis régióval rendelkezik, melyek az evolúció során genetikai értelemben egymástól eltávolodtak. Ezen régiók gyakran erősen konzerválódott szakaszokkal vannak övezve. A 16S rDNS gén szekvenciája igen nagyszámú élőlény csoport esetében erősen determinált. Az ismert interferáló rRNS szekvencia összehasonlítása során ilyen módon az evolúciós elágazódásokat igen egzakt módon azonosítani lehet, ugyanúgy, mint a szekvenciaváltozásokat.

1. táblázat: 16S rRNS PCR módszer részletei (International Journal of Infectious Diseases 57 /2017/ 144–149)

Azonosítási arány	Amplifikált régió	Bázispárok száma	e-érték	Lefedettség	További identifikáció
Streptocoocus sp. 99%	U3	708 bp	0,0	100%	99% St. dysgalactiae, St. agalactiae
Streptocoocus sp. 99%	SU1 U3	1102 bp	0,0	100%	99% St. oralis / mitis
St. sanguinis 99%	SU1 U3	1127 bp	0,0	100%	ugyanaz
Finegoldia magna 100%	SU1 U3	728 bp	0,0	100%	ugyanaz
Acinetobacter junii 100%	U3	827 bp	0,0	100%	ugyanaz
Staphylococcus capitis 100%	SU1 U3	1329 bp	0,0	100%	99% Staphylococcus capitis ; 99% Staphylococcus capitis/ Staphylococcus caprae

Klinikai alkalmazás

Széleskörű felhasználást és diagnosztikai lehetőséget nyújthat a 16S rRNA PCR (polimeráz-láncreakció) segítségével történő, baktériumtörzsek azonosítására szolgáló eljárásmódja. A tradícionális módszer a Gram-festéses eljárás még az egzakt kezelési módszerek ellenére sem hoz minden esetben optimális eredményt. Ez egyes esetekben széleskörű antibiotikumos kezelést vonhat maga után, amely gyakran mellékhatások és szövődmények kialakulásához vezethet.  Bár a PCR és hasonló technikák költségesek lehetnek, mégis a 16S rRNS PCR kezd széles körben elterjedni a mikrobiológiai laboratóriumi gyakorlatban, éppen a terápiás alkalmazási lehetőségek eredményes véghezvitele céljából. A 16S rRNS gén polimeráz gyakorlatilag minden baktériumfajban megtalálható konzervatív és variábilis régió formájában. Megfelelő primerek használatával a 16S rRNS génjében található konzervatív szekvenciák felismerhetők, és a variábilis régiók amplifkációjával jellegzetes génprofilok azonosíthatók. A megelőző tanulmányok alapján feltételezhető, hogy a nemzetségek szerinti meghatározási pontosság akár 90% is lehet, az egyes fajok identifikációjának számszerű határa mintegy 65-91%.

1. táblázat: Pozitív 16S rRNS PCR antibiotikum terápia vizsgálati eredménye (Journal of Infectious Dis. 57 /2017/ 144–149.o.)

Diagnózis	Eredeti antibiotikumos kezelés	Normál kultúra	16S rRNS PCR	Változtatás az antibiotikum terápiában
Endocarditis	Vancomycin, flucloxacillin, gentamicin	Staphylococcus capitis	Staphylococcus capitis	Vancomycin, gentamicin (-), flucloxacillin (+)
Pleuralis empyema	Meropenem, TMP–SMX	Actinomyces israelii	Fusobacterium spp.	TMP–SMX (-), változtatás piperacillin–re
Abscessus retropharyngealis	Vancomycin, piperacillin	nincs növekedés	Haemophilus spp.	Változtatás amoxicillin–re (szájon át)

2.táblázat: Negatív 16S rRNS PCR antibiotikum terápia vizsgálati eredménye (JID 57/2017)

Diagnózis	Eredeti antibiotikumos kezelés	Normál kultúra	Vizsgált szövet	16S rRNS PCR	Változtatás az antibiotikum terápiában
Osteomyelitis	Flucloxacillin	nincs növekedés	Gerincvelő biopszia	negatív	antibiotikum elhagyása
Fertőző endocarditis	Vancomycin, flucloxacillin, benzylpenicillin	nincs növekedés	szívbillentyű	negatív	antibiotikum elhagyása
Pleuralis empyema	Vancomycin	negatív	pleura secretum	negatív	antibiotikum elhagyása 2 héten belül

Források

• Clarridge, J. E. (2004. október 1.). „Impact of 16S rRNA Gene Sequence Analysis for Identification of Bacteria on Clinical Microbiology and Infectious Diseases”. Clinical Microbiology Reviews 17 (4), 840–862. o, Kiadó: American Society for Microbiology. DOI:10.1128/cmr.17.4.840-862.2004. ISSN 0893-8512.  
• Petti, CA (2005). „The role of 16S rRNA gene sequencing in identification of microorganisms misidentified by conventional methods.”. Journal of clinical microbiology 43 (12), 6123–5. o. DOI:10.1128/JCM.43.12.6123-6125.2005. ISSN 0095-1137. PMID 16333109.  
• https://www.elte.prompt.hu/sites/default/files/tananyagok/ch09s02
• Felske, A (1998). „Phylogeny of the main bacterial 16S rRNA sequences in Drentse A grassland soils (The Netherlands).”. Applied and environmental microbiology 64 (3), 871–9. o. ISSN 0099-2240. PMID 9501427.