Опера о чуме (учебник)

мид (pFra и pPla, но об этом чуть позже) и инактивация (мутация промотора) гена pde3 стали с точки зрения генетики той «точкой невозврата», навсегда отделившей Y. pestis от Y. pseudotuberculosis. Справедливости ради следует заметить, что некоторыми исследователями оба микроорганизма (Y. pestis и Y. pseudotuberculosis) объединены в состав комплекса «Y. pseudotuberculosis» ввиду высокой гомологии (т. е. схожести) геномов1. Однако это чисто биологическое мнение не принимается медицинским сообществом из-за различий в экологии, путях распространения, контагиозности (т. е. заразительности) и клинической картине, наглядно доказывая разницу между биологическим и медицинским подходами при рассмотрении одного и того же предмета.

На этом месте следует остановиться немного подробнее. Приобретение плазмид является сложным процессом, который осуществляется путём так называемого горизонтального переноса, то есть приобретения генов организмом не от родителей. И в отличие от неуправляемого приобретения от родителей, что характерно для млекопитающих и человека, приобретение генов в данном случае является управляемым процессом (приобретаются конкретные гены), можно сказать, «осознанным». Горизонтальный перенос генов возможен тремя путями: трансформацией (проникновение ДНК внутрь бактерии через покровы компетентных клеток), трансдукцией (заражение умеренным бактериофагом2) и конъюгацией (перенос

няется и активность иммунной системы, что сыграло ведущую роль в образовании переходных форм Y. pestis / Y. pseudotuberculosis. В тёплый сезон года, когда температура тела сурка стабильно составляет 37°С, микроб подавляется иммунитетом здорового животного, поэтому данный период эволюционирующий микроб переживает в блохе в виде биоплёнки. На последней стадии эволюционного процесса микроб приобрёл способность к синтезу вещества (бактериоцина), способного подавлять рост Y. pseudotuberculosis, что привело к невозможности сосуществования двух микробов (тут нужно оговориться, что не все штаммы способны к синтезу бактериоцина).

1К данному комплексу также относят виды Y. similis и Y. wautersii (ранее относи-

мые к виду Y. pseudotuberculosis).

2Бактериофаги или вирусы бактерий подразделяются на вирулентные (литические) и умеренные (лизогенные). В результате жизненного цикла первые нарабатывают новые копии вируса внутри бактериальной клетки и вызывают разрушение её стенки (например, механически или ингибируя её синтез), тогда как вторые «живут» в бактерии в виде генетической информации (чаще встраивают её в геном бактериальной клетки – это состояние принято называть «профаг») до наступления «тяжёлых

50

ДНК между бактериальными клетками при их непосредственном контакте). Существуют предположения, что чумной микроб приобрёл плазмиды pFra и pPla много лет назад от других бактерий (конъюгацией). Так или иначе, но приобретя их, Y. pestis сделалась своеобразной «белой вороной» рода Yersinia.

Инактивация ряда хромосомных генов, в частности ureD, rcsA, flhD, pde2 и pde3, и достаточно быстрое приобретение микробом плазмиды pFra, которая несёт ген ymt, кодирующий синтез мышиного токсина (Ymt, от англ. Yersinia murine toxine), гомологичного фосфолипазе D, внесло решающий вклад в возможность переноса Y. pestis блохами (как уже упомянутой блохой крысиной южной, так и блохами рода Oropsylla, паразитирующими преимущественно на грызунах). Своё название он получил из-за способности, в случае введения в виде чистого препарата, вызывать гибель мышей и крыс (при отсутствии токсичности для морских свинок, кроликов и обезьян). Интересно, что синтез токсина осуществляется бактерией при температуре не выше 28°С, следовательно, в теле млекопитающего токсин не синтезируется, и только после попадания вместе с кровью млекопитающего в блоху бактерия начинает его синтезировать в цитоплазматическую мембрану. Функция – защита бактерии от действия бактерицидного продукта переваривания эритроцитов крови, что обеспечивает лучшую выживаемость в пищеварительном тракте. Тут нужно, однако, заметить, что протективное действие токсина зависит от двух факторов: скорости переваривания крови и её источника. Так, поскольку самки насасывают крови больше, чем самцы, то переваривают они её медленнее и, соответственно, вероятность их бактериальной колонизации значительно выше. Кроме того, Ymt необходим, когда речь идёт о крови человека, мыши или крысы чёрной, но он не требуется в случае серой крысы (Rattus norvegicus). Эти данные свидетельствуют в пользу того, что ещё до приобретения мышиного токсина Y. pestis могла переноситься блохами от серой крысы, но приобретение Ymt способствовало расширению круга млекопитающих, от которых возможен перенос блохами, что, в свою очередь, повышало трансмис-

времен», при которых бактериофаг может перейти в литическую стадию. Интересно, что экспрессия токсинов у многих бактерий обусловлена генами профагов.

51

сивность и в конечном итоге привело к первой пандемии чумы, для которой характерно преобладание бубонной формы.

Другим важным приобретением стала плазмида pPla, несущая несколько важных генов, среди которых выделим pla, отвечающий за выработку протеазы Pla, способной расщеплять плазминоген хозяина (млекопитающего). Древняя форма Pla достаточна для развития чумной пневмонии, а замена всего одной аминокислоты в этом белке привела к повышенной способности активировать плазминоген (подробнее об этом поговорим в Главе 6), что сыграло ключевую роль в способности вызывать инвазивную инфекцию, ассоциированную с бубонной формой чумы. И именно это событие навсегда разделило предковые (древние), «переходные», штаммы Y. pestis (линия 0)1 от современных (линии 1, 2, 3 и 4). Сообщается, что штаммы, лишённые pla (кавказские штаммы), высоко вирулентны2 для своих основных хозяев – полёвок, но могут как быть авирулентны для людей, так и вызывать относительно лёгкую форму инфекции, что наталкивает нас на следующую мысль: приобретённые плазмида и мутация не играют ведущей роли в вопросе общей вирулентности. Тут важно заметить, что потеря родоспецифичной (т. е. общей для патогенных видов рода Yersinia) плазмиды pCad делает штамм авирулентным (т. е. не способным вызывать инфекционный процесс).

Затем микроэволюция Y. pestis привела к разделению на две основные филогенетические ветви: ветвь 1, которая состоит из подвет-

вей antiqua (1.ANT3) и orientalis (1.ORI), и ветвь 2, которая состоит из подветвей medievalis (2.MED) и asian antiqua (2.ANT). Ранее мы го-

ворили, что биовары ANT, MED и ORI ответственны за три панде-

1Именно они по классификации объединяются в pestoides или неосновные подвиды.

2Понятия «вирулентность», «патогенность» (т. е. разрушительность для организма, способность вызывать заболевание) и «восприимчивость» (т. е. способность к заболеванию), как справедливо отметил Игорь Валерианович Домарадский, «нельзя отделять одно от другого, и если это делается, то только в методологических целях». Стоит отметить, что список факторов (детерминант) вирулентности со временем меняется. Так, например, считавшиеся ранее факторами вирулентности W-антиген и пестицин в настоящее время таковыми не считаются.

3Обозначение для ветви (подветви) филогенетического дерева, где цифра перед точкой обозначает номер ветви. Соответствует SNP типу.

52

мии. Вместе с тем на современном этапе1 штаммы по пандемиям распределяют следующим образом: первая – 0.ANT2-5, 3.ANT, 4.ANT и 2.MED вторая – 1.ANT, 1.IN третья – 1.ORI1.

Что касается древних штаммов, то часть вариантов вымерла (например, ветви Gok22 и LNBA3), а потомки наиболее успешных циркулируют до настоящего дня. Все они относятся к ветви 0 и имеют в рамках классификации, предложенной сотрудниками противочумного института «Микроб», следующие «соотношения» обозначений (SNP типов) к неосновным подвидам: 0.PE7 (subsp. tibetica), 0.PE2 (subsp. caucasica)4, 0.PE10 (subsp. qinhaica), 0.PE3 (subsp. angolica), 0.PE4 (subsp. central asiatica), 0.PE4a (bv. altaica)5, 0.PE4h (bv. hissarica), 0.PE4t (bv. talasica), 0.PE4m (bv. microtus)6, 0.PE5 (subsp. ulegeica)7. В

этом случае эти обозначения могут называть генетическими вариантами или геновариантами (пишут «var.»)8. На практике же такая «привязка» вызывает определённые сложности из-за наличия альтернативных классификаций, поэтому большинство исследовате-

1 Demeure C. E., Dussurget O., et al. Yersinia pestis and plague: an updated view on evolution, virulence determinants, immune subversion, vaccination, and diagnostics. Genes Immun. 2019; 20(5): 357–370; DOI: 10.1038/s41435-019-0065-0.

2Существовала 5700 лет назад ДНК одноимённого штамма этой линии была обнаружена в захоронении эпохи неолита (Фрелсегорден, Швеция). Оценить патогенность невозможно (нет живой бактерии), однако обнаружение фрагментов ДНК штамма в зубах указывает на то, что его титр в крови был высоким.

3Существовала 2500–5000 лет назад исследования генома штаммов этой линии показывают, что они, как и современные штаммы чумного микроба, могли синтезировать Ymt, но, проявляли уреазную активность (как штаммы псевдотуберкулёзного микроба) и, вероятно, не имели способности к образованию блока у блох.

4Включает генетические ветви I, II и III, причём ветвь II состоит из IIa (присеванская), IIb (зангезуро-карабахская) и IIc (зангезуро-карабахско-приараксинская).

5Включает кластеры 0.PE4a-1 и 0.PE4a-2, которые, в свою очередь, разделяются на субкастеры 0.PE4a-1-1, 0.PE4a-1-2, 0.PE4a-2-1 и 0.PE4a-2-2.

6Некоторыми исследователями разделяется на биовары xilingolensis и qinghaiensis.

7Наиболее «поздняя» ветвь эволюции среди всех неосновных подвидов, позже всех отделившаяся от ветви 0 (примерно 3500 лет назад). Включает генетические ветви 0.PE5/1 и 0.PE5/2, причём вторая подразделяется на подветви 0.PE5/2-1 и

0.PE5/2-2.

8Внетаксономическая категория, под которой понимают микроорганизм, отличающийся от основного штамма генетически, но недостаточно, чтобы считаться отдельной таксономической единицей (подвидом, видом). То есть, когда речь идёт о четвёртом генетическом варианте штамма Y. pestis subsp. central asiatica нулевой ветви, пишут «var. 0.РЕ4».

53

лей ограничивается указанием именно SNP-типа (т. е. 0.PE2, 0.PE7 и

т. д.)1.

Возвращаясь к вопросу вирулентности, отметим, что штаммы основного подвида имеют высокую вирулентность для своих основных носителей и человека, из-за чего представляют высокую эпидемическую значимость. У подвидов древних штаммов может быть различная вирулентность, но в целом они вызывают единичные заболевания и, соответственно, имеют низкую эпидемическую значимость.

При секвенировании генома Y. pestis (и сравнении с Y. pseudotuberculosis) был выявлен участок, кодирующий профаг,

названный Ypfϕ (Yersinia pestis filamentous phage), и представляю-

щий собой геном нитчатого бактериофага (Рис. 3.2).

Нитчатые бактериофаги, принадлежащие к роду Inovirus семейства Inoviridae, достаточно широко распространены, но лишь некоторые из них паразитируют в умеренной форме, то есть «живут» в бактериальном геноме в виде профага. Какова роль профага Ypfϕ, в настоящее время не известно. Интересно, что кодируемый геном zot одноимённый белок структурно гомологичен белку Zot (от англ. zonula occludens toxin) других бактерий. Например, у холерного вибриона этот белок, кодируемый генами профага CTXϕ, является фактором вирулентности, поскольку увеличивает проницаемость эпителиальных барьеров в кишечнике, что приводит к развитию

гастроэнтерита. Каковы же функции белка Zot у чумного микроба, пока не выяснено. Известно только, что образование комплекса с белком GspD2 (он также кодируется генами Ypfϕ) облегчает сборку и секрецию ви-

1 Обозначение РЕ было предложено в 2004 году канадским и британским биологом Марком Ахтманом, который использовал первые буквы термина pestoides, ранее предложенного российским врачом Иваном Лукьяновичем Мартиневским.

54

рионов Ypfϕ из клеток хозяина, а это значит, что бактериальная клетка обладает потенциалом к горизонтальной передаче его генов, что, как следствие, играет роль в создании новых патогенов! При этом стабильное сохранение профага Ypfϕ наблюдается только в штаммах биовара orientalis, тогда как в штаммах остальных биоваров он может обнаруживаться только в виде неустойчивого внехромосомного элемента (т. е. сам по себе внутри бактериальной клетки), хотя такое сохранение некоторыми исследователями исключается1. Так или иначе, стабильное сохранение профага только

вштаммах биовара orientalis позволило ряду исследователей выдвинуть предположение2 о ведущей роли штаммов этого биовара в распространении инфекции по время третьей пандемии.

Итут нужно оговориться, что в геноме чумного микроба много профагов. Большинство из них закреплены за счёт мутаций. Так, один из неактивных профагов, присутствующий в геноме большинства штаммов, используется в качестве инструмента детекции (мишень праймеров «3а» в полимеразной цепной реакции). Вместе с тем почему стабилизация бактериофага возможна только в штаммах линии ORI, несмотря на идентичный механизм интеграции во всех линиях, до сих пор остаётся вопросом без ответа. Вполне возможно, что это стало возможным благодаря имеющимся мутациям

вгенах, ответственных за процессы рекомбинации (т. е. перераспределения) или репарации (т. е. восстановления повреждений).

Тут следует немного отойти от основной темы, чтобы заметить, что вся описанная ранее внутривидовая эволюция (с разделением на ветви) базируется на данных молекулярных методов с целью установления филогении (т. е. родственных связей) и построения так называемого филогенетического дерева (Рис. 3.3). Однако оценка изменения генов является сложным процессом и не всегда объективным, поэтому говорить о том, какой штамм от какого произошёл, следует с определённой долей вероятности (т. е. «скорее всего было вот так»). Тем не менее приведём филогенетическое

1 Bonczarowska J. H., Susat J., et al. Ancient Yersinia pestis genomes lack the virulence-associated

YpfΦ prophage present in modern pandemic strains. Proc Biol Sci. 2023; 290(2003):20230622; DOI: 10.1098/rspb.2023.0622.

2 Derbise A., Carniel E. YpfФ: a filamentous phage acquired by Yersinia pestis. Front Microbiol. 2014; 5; DOI: 10.3389/fmicb.2014.00701.

55

дерево, чтобы проиллюстрировать как описанную ранее микроэволюцию чумного микроба, так и внутривидовое разнообразие.

Возвращаясь к нашей теме, не будем забывать, что приобретение новых свойств стало возможным не только благодаря приобретению плазмид и профагов, но и редукции (упрощения) генома путём инактивации или делеции (потери участка) генов. И в этой связи хочется вспомнить замечательные слова, сказанные некогда Игорем Валериановичем Домарадским1: «Приобретая нечто новое, микробы нередко теряют старые, не менее важные признаки». И действительно, одновременно с приобретением плазмиды pFra произошла инактивация ряда генов, в частности, гена ureD, ответственного за уреазную активность, то есть все представители рода Yersinia проявляют достаточно мощную уреазную активность 2 , а Y. pestis – нет (вспомним, что у штаммов линии LNBA она была), что, с другой стороны, можно использовать при дифференциальной диагностике в лаборатории. В качестве другого примера укажем инактивацию гена yadA родоспецифичной плазмиды pCad, который отвечает за синтез адгезина YadA. Данный адгезин играет ведущую роль в обеспечении сывороточной резистентности и прикреплении бактерии к энтероцитам с последующей транслокацией через М-клетки слизистой оболочки кишечника.

Таким образом, утеря возможности продуцировать адгезин YadA привела к невозможности заражения через кишечник (как это происходит у других патогенных йерсиний, в частности,

Y. enterocolitica и Y. pseudotuberculosis) и, следовательно, существен-

ным образом повлияла на становление механизма заражения чумным микробом. В качестве своеобразной «вишенки на торте» укажем, что за весь путь эволюционного развития Y. pestis (относи-

11925–2009 советский и российский врач, бактериолог. Академик Академии медицинских наук СССР (1991). Директор Иркутского (1957–1964) и Ростовского (1964– 1973) противочумных институтов. Как крупный специалист по чуме и туляремии, с 1970-х годов был привлечён к советской программе по разработке бактериологического оружия (работы по генетической модификации бактерий с целью повышения их вирулентности и антибиотикорезистентности) заместитель директора по науке во ВНИИ прикладной микробиологии (ныне – Государственный научный центр прикладной микробиологии и биотехнологии). В автобиографической книге «Перевёртыш» выражал раскаяние в данной работе.

2Фермент уреаза катализирует превращение мочевины в аммиак и углекислый

газ.

56

тельно Y. pseudotuberculosis) приобрела только 32 хромосомных гена, не считая двух уже упомянутых плазмид, тогда как потеряла 317 генов и ещё 150 стали псевдогенами (утратили способность кодировать белки), что указывает на то, что целых 13% генов Y. pseudotuberculosis больше не функционируют у Y. pestis. И именно эта редуктивная эволюция, по мнению ряда авторов, вероятно, является более важной, чем приобретённые гены, поскольку последние не вносят сильного вклада в вирулентность (вспомним: потеря родоспецифичной плазмиды pCad делает штамм авирулентным!), но именно она (потеря генов), вероятно, и позволила Y. pestis возникнуть из менее вирулентного близкородственного предшественника.

Рис. 3.3. Филогенетическое дерево (по Cui Y., 2013).

Нужно отметить, что в ходе накопления фактических данных оно может претерпевать изменения. Так, например, сформировались ветви 0.РЕ7, 3.ANT и 4.ANT, впервые показанные на представленном дереве, а ветвь 0.РЕ1 была перемещена со ствола в состав ветви 0.РЕ4. Однако тут ещё отсутствует ветвь 0.PE5 (улегейские штаммы), которая располагается между 0.PE4 и 0.ANT1

57

По узкой тропе, извивающейся среди берёз, сосен и елей, человек в чёрном пальто попадает на вершину горы Кухавуóри. Перед его взором открывается дивная страна из множества небольших плато, образованных выходящими на поверхность островами из амфиболитов и кварцитов, пробивающих покров травы и мха, устланный коврами фиолетово-белых фиалок. Гора цветёт. Свежий горный воздух, пропитанный тонкими хвойными и цветочными ароматами, наполняет грудь. Здесь дышится легко и свободно. У подножия разливаются светло-голубые воды озера Айрáнне, на которых, рассыпанные бисером света, играют лучи вечернего солнца, а на противоположной стороне по обе стороны реки Вáкко величественно раскинулся город Сортавáла. Всё вокруг наполнено умиротворением и покоем. Где-то вдалеке слышатся хрустальные переливы кáнтеле1. Вероятно это рунопéвцы поют древние стихи эпоса «Калевáла», на собрание которых врача Элиаса Лённрота 2 направила борьба с холерой. Или нет, то сам Вайнямёйнен3 поёт ру ны о древних деяниях. Вот он сидит перед самым обрывом: то ли старик с седой бородой, то ли муж в полном расцвете сил. Он ненадолго вернулся в Калевалу, страну древних карелов и край ребёнка Марьятты4 , дабы предаться сладким воспоминаниям. Солнце клонится к горизонту, чтобы быть ближе к нему и, как и раньше5, слушать его печальную прекрасную песнь под хрустальные переливы музыки. Он поёт о сотворении мира, о своём рождении, о под-

1Струнный щипковый инструмент, относящийся к типу цитры близкий родственник эстонского каннеле и русских гуслей.

2Elias Lönnrot, 1802–1884 финский врач, фольклорист, собиратель карелофинского эпоса. Участник ликвидации эпидемии холеры в Финляндии.

3Главный герой карело-финского эпоса «Калевáла», первочеловек, сын богини Ильматáр, чародей и исполнитель рунических песен (рун) на кантеле.

4Согласно Руне 50 эпоса «Калевала», Марьятта зачала ребёнка, поев в лесу ягоды брусники. Вайнямёйнен предложил убить младенца, но тот стал упрекать его за жестокость. Поняв превосходство духовной силы младенца, Вайнямёйнен магией создал лодку и навсегда уплыл из Калевалы. Считается, что эта последняя руна (песнь) свидетельствует о смене карело-финского язычества христианством.

5Согласно Руне 47 эпоса «Калевала» из-за пленительной игры Вайнямёйнена солнце и луна спустились ниже к земле, чтобы слушать её, что помогло старухе Лóухи схватить их и заточить в скале.

58

вигах… Как бился за Сáмпо, как старуха Лоухи наслала детей богини болезней Ловьятáр на ещё его Калевалу. Песнь его протяжна слышим: «[зван] восьмой – заразой чумной (rutoksi)»1…

Слово rutoksi (rutto, «чума») происходит от древнего карелофинского слова ruttotauti, что означает «быстрый», «быстро распространяющийся» и указывает на скорость распространения инфекции. Немецкое (die) Pest и итальянское peste (pestilenza) произошли от лат. pestis, давшего название возбудителю и означающее «зараза», «разрушение», что указывает на масштабы инфекции. Аварское «вабаъ» происходит от арабского (wabā), что означает «эпидемия». При этом арабское название болезни نوعاط (taeun) происходит от классического сирийского (ṭāʿōnā) → (ṭʿen), что означает «нести», причём как в значении несения бремени, так и обычного переноса, что указывает на наличие переносчиков заболевания. Монгольское «тарбагану тахал» (чума тарбаганов) уже конкретно указывает на болезнь сурков-тарбаганов (Marmota sibirica), от контакта с которыми человек может заразиться. Тибетское

(jhi rim) означает «мышиная инфекция» (jhi – мышь, rim – букв. «один [человек] за другим»), что не просто указывает на возможность заражения от мышей, но и на инфекционную природу заболевания. Другой тибетский термин (nyen chi

thuknagpo) означает «чёрный яд-ньен, пришедший извне», что примерно аналогично средневековому латинскому названию Atra mors, появившемуся во время второй пандемии, и указывает на септическую форму. Английское plague происходит от познелатинского plaga и означает «удар», что указывает на характерное резкое повышение температуры. Наконец, привычное нам «чума» происходит от турецкого çuma, что означает «нарыв», «прыщ» и указывает на характерный симптом болезни – нарыв, или бубон.

Все эти названия отражают те особенности течения болезни, которые отмечали люди, а страх перед ней приводил даже к обожествлению. Так, в представлении литовцев, чума была богиней смерти Гильтине. То была красивая женщина, которую, однако, похоронили заживо. Выбравшись из могилы, она мстит людям: извлекая яд

1 Ориг. карело-финск. «minkä syöjäksi sysäsi, kunka ruhtosi rutoksi» («Калевала»,

Руна 45 цит. по пер. Л. П. Бельского).

59