8.3.3. Генетическая регуляция факторов патогенности

Патогенность бактерий носит полиде-терминантный характер и контролируется группой генов. Большинство генетических детерминант факторов патогенности рас­полагается на хромосомах отдельными клас­терами из функционально связанных групп генов. Эти последовательности отличаются от большей части генома, что позволило вы­двинуть предположение об их чужеродном происхождении. Подобные им структуры были также найдены на плазмидах.

При этом наблюдается своеобразное раз­деление функций между хромосомой и плаз-мидами. Например, у шигелл и энтероинва-зивных кишечных палочек плазмидные гены обуславливают взаимодействие возбудителей с эпителием, а хромосомные — существование и размножение бактерий в просвете кишки и тканях. Эти данные позволили выдвинуть концепцию о ведущей роли «островов» (islands) или «островков» (islets) патогенности и системе секреции факторов патогенности 3-го типа.

Под «островками» патогенности принято понимать как не стабильные, так и стабиль­ные участки ДНК, обнаруженные только у патогенных бактерий, включающие дис­кретные (разобщенные, состоящие из от­дельных групп) гены вирулентности. Они отсутствуют у непатогенных близкородс­твенных видов.

Эти фрагменты ДНК отличаются по про­центному содержанию G+C от основного генома, фланкированы малыми прямыми повторами нуклеотидных последовательнос­тей. Такие «островки» патогенности нередко несут криптические или функционирующие гены фаговых интеграз, транспозаз и дру­гих фрагментов транспозонов или IS-элемен-тов, относимых к мобильным генетическим элементам. Структурная организация «ост­ровков» может быть различной, так как ге­ны вирулентности часто включены в состав транспозонов, IS-элементов или генома бак­териофагов. Детерминанты «островков» пато­генности способны распространяться среди одного или родственных видов бактерий пу­тем конъюгации, трансдукции и трансфор­мации. Интеграция, стабилизация и экспрес­сия этих генов лежат в основе формирования новых свойств, в том числе вирулентных, у родственных непатогенных видов. Известны «островки» патогенности, несущие гены ад-гезинов, инвазинов, различного типа токсинов, генов лекарственной устойчивости, белков сис­темы секреции и т. д.

Прежде чем достичь своей потенциальной мишени, факторы патогенности преодолева­ют два основных барьера — цитоплазмати-ческую мембрану и клеточную стенку микро­бов-продуцентов. При этом большая часть их после секреции становится функционально активной. Поэтому большое значение прида­ют системе секреции третьего типа.

Система секреции 3-го типа ответственна за одноэтапный транспорт эффекторных молекул патогенности из цитоплазмы бак­терий в цитозоль эукариотической клет­ки макроорганизма, где они осуществляют модификацию цитоплазматических белков поражаемых клеток макроорганизма.

Данная система также обеспечивает сбор­ку на поверхности бактериальной клетки супермолекулярных структур, участвующих в транспорте протеинов в эукариотическую клетку макроорганизма. Секреция эффектор­ных белков данной системой происходит не­посредственно после контакта возбудителя с

клеткой хозяина, поэтому ее называют кон­такт-зависимой системой секреции.

«Островки» патогенности могут вклю­чать несколько различающихся фрагментов. Экспрессия генов вирулентности носит ин-дуцибельный характер и зависит от условий внешней среды, вне- или внутриклеточно­го расположения возбудителя. Описано не­сколько систем регуляции фенотипического проявления факторов патогенности у бак­терий. Гены, детерминирующие их синтез, обычно репрессированы. Включение или выключение их происходит под действием сигналов, поступающих из внешней среды. Такими сигналами являются изменившийся биохимический состав среды, ее рН, темпера­тура, осмотическое давление и т. д. Микробы адаптируются к новым условиям и в зависи­мости от своего внутри или внеклеточного расположения изменяют свой метаболизм. Обычно они используют один или несколько из этих сигналов для того, чтобы понять, в какой микросреде и на какой стадии разви­тия инфекционного процесса они находятся. Например, гены инвазии обычно включаются на ранней стадии инфекционного процесса, но подавляются, когда бактерии проника­ют в клетку. Процесс адаптации микроба к новым, меняющимся условиям контролиру­ется двухкомпонентными регуляторными сис­темами. Эти системы состоят из двух типов белков: сенсорного белка клеточной мембраны, воспринимающего и передающего сигналы из внешней среды внутрь клетки, и регуля-торного цитоплазматического белка, который непосредственно регулирует транскрипцию генов хромосомы и плазмиды, являясь ак­тиватором или репрессором транскрипции. Внутриклеточный домен сенсорного белка представлен гистидинкиназой. В качестве соответствующего сигнала может выступать аутофосфорилирование сенсора. Перенос фосфат-остатка на аминогруппу белка-регу­лятора изменяет способность последнего свя­зывать специфические последовательности ДНК, с которых инициируется транскрипция. Эти последовательности содержат консерва­тивные начальные участки для связывания с белком-регулятором. Включение и активация группы вирулентных генов (регулона) на об-

щий сигнал происходит в несколько стадии и носит каскадный принцип. В ряде случаев каждый из этих генов может экспрессиро-ваться независимо.

Помимо двухкомпонентных регуляторных систем существуют также системы регуляторов транскрипции. Наиболее полно изучено Аго А-семейство регуляторов транскрипции, по­лучивших свое название благодаря продукту ага С гена Е. coli, контролирующего функцию арабинозного оперона. Белки этой группы со­держат изгибы, которые связываются с нача­лом специфических ДНК-фрагментов генов, что активирует транскрипцию последних.

К регуляторному механизму относят также топологию ДНК, рассматриваемую в качес­тве глобальной регуляторной системы, ис­пользуемой и для экспрессии вирулентности. Реализуется указанное через топоизомеразы и гистоноподобные ДНК-связывающие белки, регулирующие уровень суперскрученности молекулы и реагирующие на определенные сигналы извне. Эти же сигналы влияют на транскрипцию соответствующих генов.

Все эти механизмы регуляции взаимосвяза­ны между собой. Значимость каждого из них постоянно меняется.

Нестабильность «островков» патогеннос­ти, как и их стабильность, способна создать бактериям определенные адаптивные пре­имущества. Высокая вирулентность может оказаться невыгодной для бактерий на опре­деленной стадии инфекционного процесса. Нестабильность «островков» патогенности будет способствовать снижению вирулент­ности всей популяции возбудителя инфек­ции. Их делеция может усилить экспрессию других, рядом расположенных генов.

В то же время отдельные факторы патоген­ности являются адаптивными для бактерий, поэтому должны кодироваться - на стабиль­ных «островках» патогенности. Чужеродность последних придает им большую стабильность, так как чужеродная ДНК, интегрированная в хромосому, не вовлекается в рекомбинацию с ДНК близкородственных микроорганизмов, поэтому они могут длительно поддерживаться в бактериальных популяциях.

Циклические фенотипические или моди-фикационные изменения вирулентности про-

исходят при смене организменной и внеорга-низменной стадии существования микробов. В иммунном организме и вне организма со­храняются маловирулентные резервационные штаммы. Попадая в макроорганизм, из них формируются высоковирулентные эпиде­мические штаммы. По мере формирования иммунитета из последних снова происходит формирование резервационных штаммов. Стойкие изменения вирулентности возника­ют в случае мутаций и рекомбинаций и связа­ны с изменениями генотипа микроба.

Реорганизация генов, кодирующих факто­ры патогенности, в ходе инфекционного про-лесса происходит на молекулярном уровне, но на популяционном уровне создаются условия хтя естественного отбора эпидемических, или резервационных, штаммов. Благодаря при­нципу распознавания кворума бактерии обла­дают способностью «разговаривать». Кворум генсинг — это химический сигнальный механизм бактерий, благодаря которому, попав в новую среду обитания, они считают себе подобных. Чем больше в округе бактерий, тем боль­ше химических сигналов они выделяют. Чем больше концентрация химического сигнала, тем больше воспринимающих его рецепторов у бактерии работает. В том случае если бакте­рий много (кворум), они начинают синтези­ровать факторы патогенности и принимают воинственную вирулентную форму, которая может справиться с иммунной системой мак­роорганизма. Если же сил не хватает, то армия бактерий будет отсиживаться в засаде и ждать благоприятного момента. Знание механизмов кворум-сесинга позволяет по-новому подой­ти к лечению инфекционных заболеваний, в том числе вызванных антибиотико-резистен-тными штаммами бактерий.