Мобильные ДНК и привлечение факторов вирулентности, или Как безвредные бактерии становятся опасными

Одним из наиболее значительных достижений эры изучения генома стало открытие в геномах большинства бактерий ДНК, полученной с помощью латерального переноса генов (ЛПГ) — механизма, посредством которого ДНК приобретается из другой клетки. Спустя длительный период времени ЛПГ может замещать 25 % и более ДНК данного вида, постоянно импортируя материал из других филогенетических групп [10]. ЛПГ обеспечивает бактерии многими преимуществами, поскольку дает им возможность быстро приобретать новые функции, что позволяет микроорганизмам занимать новые ниши в окружающей среде. Степень выраженности ЛПГ бросает вызов «представлению о видах» у бактерий [7], поскольку популяции, которые группируются как представители одних и тех же видов микроорганизмов, могут содержать в своих геномах большое количество не присущих данному виду участков и существенно отличаться фенотипически.

Мобильные ДНК чрезвычайно важны для понимания функционирования патогенов (возбудителей заболеваний). Например, род Vibrio — повсеместный компонент окружающей водной среды, и даже V.cholerae, возбудителя холеры, можно выделить без особых затруднений, причем большинство штаммов являются доброкачественными. Вибрионы, однако, хорошо приспособились приобретать мобильные ДНК, зачастую у штаммов, содержащих сотни фрагментов чужеродных ДНК [11]. Именно в этих штаммоспецифических мобильных ДНК обнаруживаются многие потенциально патогенные факторы. Такие фрагменты зачастую связываются между собой в кластеры (так называемые островки патогенности), поскольку они обычно включают в себя гены, повышающие способность бактериальной клетки вызывать заболевания у животных [14].

Мобильные ДНК и антибиотикорезистентность

Многое из наших знаний о мобильных ДНК обусловлено попытками понять и разрешить проблему роста антибиотикорезистентности среди бактерий. Появление первой резистентной бактерии было расценено как спонтанная мутация, а проблема резистентности — как разрешимая [3]. В то время как приобретение устойчивости (резистентности) посредством такого традиционного механизма действительно имеет место, вскоре стало понятно [13], что действуют и другие механизмы. Бактерии обладают способностью передавать гены резистентности другим микроорганизмам с помощью механизма, который одновременно является и инфекционным (все больше клеток в популяции приобретают конкретный ген), и неразборчивым (неспеци­фичным, когда гены передаются бактериям, принадлежащим ко многим неродственным видам). В настоящее время гены, кодирующие устойчивость к лекарствам, — типичная особенность мобильного генома, включая островки патогенности, у микроорганизмов — возбудителей инфекционных заболеваний, и они могут придавать бактериям как повышенную патогенность, так и повышенную резистентность. В качестве примера можно привести один из патогенных штаммов Acinetobacter baumanii, частого возбудителя нозокомиальных инфекций, у которого было обнаружено 45 различных генов резистентности [4]!

Как ДНК становится мобильной?

ЛПГ — это удивительный и сложный процесс переноса и внедрения ДНК в нового хозяина. Физически перемещение ДНК из клетки в клетку происходит одним из трех путей — посредством конъюгации, трансформации или трансдукции [6]. Однако для обеспечения стабильного наследования перенесенная ДНК должна быть либо репликоном (то есть должна заключать в себе молекулу ДНК, способную к автономной репликации, как, например, плазмиды), либо интегрироваться в резидентный репликон (или в хромосому, или в ранее внедрившуюся плазмиду). Процесс интеграции запускается посредством одного из двух механизмов. Первый из них — это транспозиция, процесс, посредством которого дискретные (отдельные) участки ДНК, часто содержащие гены резистентности, случайным образом внедряются в геном. Второй механизм — сайт-специфическая рекомбинация. Как следует из названия, это процесс включения фрагментов ДНК в отдельный участок (сайт). Биохимически данный процесс отличается от транспозиции. Наилучшим примером сайт-специфической рекомбинации, имеющей отношение к проблеме антибиотикорезистентности, является интегрон/ген-кассетная система. Интергоны вносят наибольший вклад в распространение генов резистентности у грамотрицательных бактерий [2]. Одним из отличительных свойств систем ЛПГ является то, что они действуют скооперировано и могут быстро построить тесно связанные участки, в которых многие гены резистентности группируются в модули. Как показано на рис. 1, объединенные в кассеты гены резистентности часто обнаруживаются в интегронах, закрепленных в одном и более транспозонах, которые, в свою очередь, входят в структуру плазмиды. Как следствие, столь разные процессы, как конъюгация, транспозиция и сайт-специфическая рекомбинация, могут протекать совместно, влияя на мобилизацию и переформирование генов таким образом, который ранее нельзя было даже представить [12].

Esherichia coli и привнесение генов резистентности в бактерии-патогены

Одна из особенностей мобильного генома — то, что многие гены резистентности и вирулентности были набраны из микроорганизмов и окружающей среды, весьма удаленных от клинического контекста. Та легкость, с которой гены могут перемещаться через микробные сообщества, означает, что вся микробная биосфера — это потенциальное поле для привлечения генов, полезных для патогенов, даже если последние не покидали надолго своего обычного организма-хозяина. Для переноса «груза» мобильных ДНК, в частности, удачно приспособлена E.coli. Во-первых, E.coli — распространенная бактерия-комменсал как у людей, так и у животных, своих естественных хозяев. На протяжении сравнительно длительного периода времени кишечные палочки могут существовать в естественных сообществах вне животных и способны самостоятельно вырабатывать патогенные свойства. Например, эти бактерии являются основными возбудителями инфекций мочевыводящих путей (ИМП) [14] и представляют собой тяжелое бремя для систем медицинского обслуживания как развитых, так и развивающихся стран [5]. В развивающихся странах проблема резистентности микроорганизмов особенно актуальна у детей: смертность от бактериемии, вызванной грамотрицательными бактериями, достигает 44 %, что в процентном выражении вдвое больше, чем от малярии [1]. В целом появляется все больше сообщений о вспышках антибиотикорезистентности, как и данных о повышении смертности во всех странах.

Будущее мобильных ДНК и антибиотикорезистентности

Неуклонный рост E.coli-опосредованных инфекций, причем не только ИМП, происходит вопреки увеличению расходов на решение этой задачи. Такое положение дел диктует необходимость рассмотрения проблемы резистентности с учетом новых перспектив. Одной из них может быть расширение применения молекулярно-эпидемиологических методов и признание факта, что мобильные ДНК — ключевой фактор эволюции более патогенных бактерий — представляют собой многогранную, глобальную проблему. Польза от традиционных клинических микробиологических подходов, рассматривающих отдельные гены резистентности или группы генов из определенных участков либо конкретные болезнетворные микроорганизмы, становится менее очевидной. Например, как объяснить, что один и тот же ген резистентности находят в разных участках ДНК у различных изолятов? Происходит ли это потому, что два гена закрепляются в структуре одной и той же мобильной ДНК или же в двух не связанных между собой структурах? Вне зависимости от того, являются ли они одним и тем же или суть разные феномены, откуда они появляются? Есть ли у них общий источ- ник — географический или филогенетический? Ответы на вопросы, подобные этим, очень важны, но их можно получить путем более систематических наблюдений, выходящих за рамки непосредственной проблемы, — самого по себе гена резистентности [8]. Кроме того, налицо реальная потребность в расширении сотрудничества между странами в области молекулярной эпидемиологии, возможно, наподобие модели, одобренной для международного надзора за вспышками резистентности.

Литература1. Bhutta Z.A. // BMJ. — 2008. — 336. — 948-9.2. Boucher Y., Labbate M., Koenig J.E. et al. // Trends Microbiol. — 2007. — 15. — 301-9.3. Demerec M. // J. Bacteriol. — 1948. — 56. — 63-74.4. Fournier P.E., Vallenet D., Barbe V. et al. // PLoS Genet. — 2006. — 2. — e7.5. Foxman B. // Dis. Mon. —2003. — 49. — 53-70.6. Juhas M., van der Meer J.R., Gaillard M. et al. // FEMS Microbiol Rev. — 2009. — 33. — 376-93.7. Lawrence J.G. // Theor. Popul. Biol. — 61. — 449-60.8. Magee J.T., Heginbothom M.L., Mason B.W. // J. Antimicrob. Chemother. — 2005. — 55. — 628-33.9. Marques C., Labbate M., Raymondo C. et al. // J. Clin. Microbiol. —2008. — 46. — 3417-25.10. Ochman H., Lawrence J.G., Groisman E.A. // Nature. — 2000. — 405. — 299-304.11. Rowe-Magnus D.A., Guerout A.M., Biskri L. et al. // Genome Res. — 2003. — 13. — 428-42.12. Walsh T.R. // Curr. Opin. Microbiol. — 2006. — 9. — 476-82.13. Watanable T., Fukasawa T. // J. Bacteriol. — 1961. — 81. — 669-78.14. Yamamoto S. // Infect. Chemoter. — 2007. — 13. — 68-73.