Главная
Определения
Введение
«Островки патогенности»
Экологический аспект
Биография
Книги
Увлечения
English

Патогенность бактерий
(экологический аспект)

Использование молекулярно-биологических подходов к экспериментальному изучению свойства патогенности возбудителей инфекционных заболеваний существенно приблизило нас к пониманию биологической сущности феномена, в основе которого лежит взаимодействие прокариотических и эукариотических организмов. Однако вопрос о том, к категории каких биологических явлений относится феномен патогенности бактерий, до сих пор остается открытым.

Согласно определению экологии как науки*, инфекционное заболевание можно рассматривать как особый тип экосистемы, где живой организм – это патоген, а окружающая его среда – это многоклеточные ткани животного, человека или растения. В этой среде обитания микроб осуществляет свою жизнедеятельность и взаимодействует с клетками тканей организма хозяина. Смерть организма хозяина под действием инфекции – это не что иное, как прототип экологической катастрофы, в результате которой гибнет естественная среда обитания возбудителя, а вместе с ней и большая часть популяции микроба.

В необозримом прошлом мир микробов, населяющих планету Земля, состоял только из сапрофитных (безвредных, неболезнетворных) микроорганизмов. Средой обитания для сапрофитов служила вода и почва. Патогенные (болезнетворные) возбудители появились значительно позднее, когда на Земле уже существовали многоклеточные формы жизни.

Возникновение патогенных видов возбудителей инфекционных заболеваний связано с заселением микроорганизмами такой экологической ниши, как ткани растений, животных или человека. Для микроба среда обитания, представленная многоклеточным организмом, имела ряд преимуществ по сравнению с такими природными резервуарами как вода и почва.

Например, теплокровная среда сделала жизнедеятельность микроба независимой от колебаний температуры, свойственных окружающей природе. В условиях постоянного теплового режима микроб мог быстро размножаться и увеличивать число особей, обладающих вновь приобретенными функциями. В процессе естественного отбора наследование комплекса этих функций закреплялось генетически, что вело к формированию популяции самостоятельного биологического вида. Так возникла новая паратрофная группа микроорганизмов, способная к жизни в теле животных или в растительных тканях.

Начало формированию свойства патогенности положили те сапрофитные особи, у которых обнаружилась способность вступать в контакт не только с твердыми инертными поверхностями, но и с живыми многоклеточными системами. У этих форм бактерий разрастание клеточной стенки привело к образованию специальных структур, превратившихся со временем в органеллы, выполняющие функцию прикрепления (или адгезии). Морфологически оформившиеся органеллы получили название фимбрий или пили (common pili) (1). С их помощью сапрофитные микроорганизмы могли фиксироваться на окружающих их твердых субстратах, а также склеиваться между собой, образуя колонии. Адгезивная функция оказалось полезным свойством для тех сапрофитов, которые принимали участие в разложении органических остатков, попавших в почву или в водную среду. Так, к примеру, гнилостные процессы, инициированные бактериями, становились более эффективными, если в них принимала участие не одна микробная клетка, а целая колония.

Свойство адгезивности сыграло важную роль и в завоевании новой среды обитания. В результате постоянно происходящих мутаций среди бактериальных фимбрий появлялись варианты, способные не только к простому электростатическому связыванию с твердой поверхностью, но и проявлявшие высокое физико-химическое сродство по отношению к поверхностным структурам тканевых (эукариотических) клеток. Механизм лиганд – рецепторного узнавания бактериальными адгезинами соответствующей клеточной поверхности предал процессу взаимодействия высокую степень специфичности. Фиксируясь на поверхности этих клеток, микробы начинали интенсивно размножаться и увеличивать свою популяцию, колонизируя таким образом отдельные участки ткани. Для микроба возможность увеличить популяцию в многоклеточной среде обитания, более сложной, чем вода и почва, означала приобретение нового качества, значительно расширяющего границы существования вида.

Микробные клетки, наделенные инструментом адгезии по отношению к животным или растительным тканям, становились потенциально патогенными. Естественный отбор, осуществлявший селекцию особей с наиболее выраженной способностью к избирательному связыванию, способствовал специализации адгезивной функции. У ряда патогенных бактерий сформировался строго специфический выбор вида хозяина и органной ткани, в которой происходит развитие инфекции. Так, возбудитель гонорреи N. gonorrhoeae поражает только соответствующие ткани организма человека, энтеропатогенные E.coli К88 вызывают инфекцию у поросят, штаммы E.coli CFA I и CFA II инфицируют человека, E.coli K99 вызывает заболевания у телят; стрептококки группы А – патогенны только для человека.

Другая морфологическая структура бактериальной клетки, называемая капсулой, также сыграла важную роль в завоевании микробами многоклеточной среды обитания. Капсула, расположенная на поверхности микробной клетки, имеет гелеобразную консистенцию, обычно упорядоченную цепями или нитями линейных полимеров. Будучи отделенным от клетки, капсульное вещество легко переходит в состояние гидрофильного геля.

У сапрофитов, обитавших в воде и почве, капсула в основном выполняла функцию, предохраняющую микроб от механических повреждений и попадания в клетку ядов. В многоклеточном животном или растительном организме функциональная роль капсулы микроба, колонизировавшего участки ткани, оставалась прежней. Только значение ее в процессе выживания микроба в новой среде обитания значительно усилилось. Кроме функции защитного барьера капсульная структура потенциально патогенного микроорганизма должна была ограждать микроб от разрушительного воздействия биологических систем, которыми обладали высшие организмы. У млекопитающих первой линией защиты были иммунная система и фагоцитоз. Противостоять активации комплементом и поглотительной способности фагоцитов могли только те микробные особи, капсула которых была построена из компонентов, имеющих определенный химический состав.

Появление капсулы с новыми биологическими свойствами можно проследить на примере семейства Bacillus, из которого вышли несколько патогенных видов. Один из них – возбудитель сибирской язвы Bacillus anthracis. Решающим моментом в формировании этого патогена стала мутация в гене, кодирующем биосинтез глутаминовой кислоты и сборку ее в линейный полимер, образующий структуру капсулы. Особи, обладающие капсулой, построенной из D-изомеров глутаминовой кислоты, оказались неуязвимыми при столкновении с фагоцитарной системой организма хозяина. Дело в том, что пептиды, образованные D-изомерами аминокислот, обладают биологической инертностью, делающей их устойчивыми, например, к протеолитической деградации. Сапрофитные представители этого семейства, такие как B. subtilis и B. megatherium, тоже имеют капсулу, но остатки глутаминовой кислоты, образующей капсульный полипептид, находятся там как в L-, так и D- формах. Механизм естественного отбора, с которым столкнулись сапрофитные бациллы при заселении новой среды обитания, сработал в пользу единичных особей, обладающих мутантным геном, контролирующим синтез D-полимера. Наличие этого гена обеспечило микробу увеличение размеров популяции в многоклеточной тканевой среде и в итоге – превратило его в самостоятельный таксономический вид, впоследствие названный B. anthracis. Но для того, чтобы стать полноценным патогеном, микробу еще предстояло приобрести такое средство агрессии как токсин.

У других видов микроорганизмов, завоевавших многоклеточную среду обитания, функцию защитного барьера, предохраняющего микроб от фагоцитоза и иммунного процесса, выполняли иные поверхностные субстанции. По молекулярной структуре и химической природе капсульные и поверхностные компоненты бактериальной клетки, обладающие защитным действием, весьма разнообразны. Эта группа биомолекул состоит из пептидов и белков (например, стафилококковый протеин А и стрептококковый протеин М), липополисахаридов (ЛПС), продуцируемых грам-отрицательными бактериями, пептидогликанов грам-положительных бактерий, гликопротеинов и других смешанных биополимеров. Некоторые патогены, такие как Streptococcus pyogenes, Staphylococcus aureus и Trepanema pallidum продуцируют белки, способные связывать фибрин и тем самым предохранять поверхность микробной клетки от антигенного распознавания и воздействия защитных систем макроорганизма. Клеточные стенки патогенных микобактерий имеют воскообразный слой, делающий их устойчивыми к разрушению тканевыми бактерицинами. Интактный ЛПС грам-отрицательных патогенов защищает микробную клетку от комплемент-обусловленного лизиса и разрушительного действия лизоцима.

Несмотря на различные механизмы молекулярного взаимодействия, лежащего в основе наблюдаемого эффекта, всю эту группу макромолекул объединяет общее свойство: защита микробной клетки от иммунной и фагоцитарной систем организма хозяина.

Другое свойство, оказавшееся необходимым для овладения многоклеточной средой обитания, выражалось в появлении у некоторых сапрофитных особей способности проникать в межклеточные пространства тканей. Эта инвазивная функция носила энзиматический характер и осуществлялась ферментами, которые сапрофитные микроорганизмы использовали для расщепления органических остатков, попадающих в воду и почву. С помощью таких ферментов как гиалуронидаза, лецитиназа, а также некоторые гликопептидазы, микроб, прикрепившийся к тканевой поверхности, мог расщеплять межклеточные соединения, цементирующие структуру ткани. Хотя указанные ферменты у некоторых микроорганизмов играют определенную роль в обеспечении источниками питания, их прямое или опосредованное значение для инвазивной функции патогенов совершенно очевидно. Появление инвазивной функции расширяло арсенал средств у той группы микроорганизмов, которые уже обладали способностью к адгезии на эукариотических клетках и могли противостоять фагоцитарной защите организма хозяина.

Вышеуказанные три функции были важным этапом на пути овладения новой средой обитания, т.к. они обеспечивали микробу достаточно длительное пребывание в организме животного или человека, необходимое для увеличения популяции вида. По своей биологической природе эти функции были лишены агрессивности и не оказывали разрушительного воздействия на многоклеточные системы новой экологической ниши. Таким образом, можно заключить, что на первой стадии овладения новой средой обитания взаимодействие между микробом, обладающим указанными функциями, и тканевыми клетками макроорганизма носило характер некоего равновесного состояния. Типичными примерами такого равновесия можно считать формирование оральной микрофлоры, микрофлоры кишечника и урогенитального тракта.

Завершение формирования комплекса патогенности произошло тогда, когда к имеющимся вышеуказанным свойствам возбудителя прибавилась функция агрессивности. Она выражалась в приобретении способности наносить вред клеткам тканей организма хозяина. Формирование поражающей функции развивалось в двух направлениях. У одних возбудителей функцию поражающих факторов стали осуществлять такие клеточные струкруры как ЛПС (эндотоксины), у других патогенов проявилось свойство вырабатывать экзотоксины, воздействующие на жизненно важные системы клеток органных тканей.

Эндотоксины входят в состав наружной мембраны бактериальной клеточной стенки. Их токсическое действие ассоциируется с биологической активностью ЛПС, который, будучи компонентом наружной мембраны, играет важную роль в процессах роста микробной клетки и выживания ее в ходе взаимодействия патоген-хозяин. Эта функциональная особенность ЛПС позволяет высказать предположение, что поражающий фактор у грам-отрицательных бактерий стал формироваться на ранних стадиях эволюции патогенной функции.

Токсичность эндотоксина, не связанного с бактериальной клеткой, обусловлена липидным компонентом (Lipid A), в то время как антигенная активность детерминируется полисахаридной частью комплекса. ЛПС индуцирует альтернативный путь активации комплемента и частично отвественен за патологию, вызываемую такими грам-отрицательными патогенами как E.coli, Salmonella, Pseudomonas, Neisseria, Hemophilis и др. Независимо от видовой принадлежности все эндотоксины вызывают похожий биологический эффект в организме хозяина. Они обусловливают развитие широкого спектра неспецифических физиологических реакций, включающих лихорадку, изменения в составе белой крови, диссеминированную сосудистую коагуляцию, гипотензию, шок и смерть. Известно, что липид А, вступая во взаимодействие с поверхностью макрофагов, индуцирует у них продукцию фактора некроза опухолей (TNF-α) и других цитокинов. Полисахаридная часть ЛПС обеспечивает клетку лигандом, участвующим в адгезии и осуществлении первой стадии инфекции - колонизации ткани организма хозяина. В противоположность белковым экзотоксинам, эндотоксины лишены энзиматических свойств, а действие их характеризуется невысокой степенью специфичности и достаточно низкой поражающей потенцией. Клетки крови и лимфоциты, а также клетки иммунной системы и комплемент служат мишенью для поражающего действия эндотоксинов.

Другое семейство агрессивных факторов представляют белковые экзотоксины. Эти биомолекулы обладают способностью поражать или нарушать физиологически важные функции и системы тканевых клеток организма хозяина. Продукция белковых экзотоксинов служит видовым признаком патогена, хотя наряду с высоко токсигенными формами в популяция вида всегда содержатся штаммы, лишенные способности продуцировать токсин. Белковые экзотоксины продуцируют как грам-положительные, так и грам-отрицательные бактерии. Большая часть белковых экзотоксинов обладает энзиматической активностью, которая реализуется при непосредственном контакте с тканевой клеткой-мишенью организма хозяина. Экзотоксины различаются друг от друга по молекулярной структуре: некоторые их них представляют собой простые полипептидные молекулы, другие имеют сложное субъединичное строение.

Продуцируемый патогеном токсин не оказывает токсического эффекта на сами прокариотические организмы, а его токсическое действие направлено на поражение эукариотических клеточных систем. Нет прямой связи между продукцией токсических макромолекул и жизнедеятельностью патогенного микроба. Этот факт указывает на то, что способность к биосинтезу токсинов, видимо, обусловлена биологическими стимулами, регулирующими численность микробной популяции.

Нельзя исключить, что в возникновении токсинов, как главного компонента патогенности, важную роль сыграла функциональная мимикрия, которая своим появлением обязана особому типу биологической связи, установившейся в новой экологической нише между клетками прокариот (микроб) и эукариотическими клетками (клетки макрорганизма). Возможно, что под влиянием чужеродной генетической информации в геноме микробной клетки появились элементы внехромосомной наследственности. Эти элементы не интегрировались в микробную хромосому, но они содержали гены, которые регулировали продукцию и сборку новых белковых макромолекул. Не смотря на ограниченную информацию установлено, что гены, ответственные за биосинтез некоторых бактериальных экзотоксинов, локализованы на плазмидах или в лизогенных бактериофагах (токсины B. anthracis, Ps. aeruginosa, Cl. botulinum, Cl, tetani, Cor. diphtheria и др.).

Токсические макромолекулы, получившие название «химерных белков» (4), заключали в себе свойства гормонов и ферментов. Секретируемые микробной клеткой в окружающую среду в виде предшественников, они подвергались протеолизу, в результате которого происходило фрагментирование полипептидной цепи и превращение молекулы в бифункциональную структуру. Таким образом, пройдя через стадию протеолитического расщепления, неактивный белковый предшественник становился функционально активной макромолекулой. Подобно тому, как это установлено для гормонов, такая макромолекула находила по соответствующему мембранному рецептору чувствительную тканевую клетку и связывалась с ее поверхностью. Затем энзиматически активная часть комплекса проникала внутрь клетки и поражала мишень, представляющую собой какую-либо жизненно важную клеточную систему. Микробные белки, структура которых была устроена по химерному типу, оказались губительными для эукариотических клеток.

Молекулярную модель химерных токсических комплексов принято изображать следующим образом: А + В (?), где пептид (пептиды), ответственный за связывание с мембранным рецептором, обозначают как субъединицу “В”, а пептид, проникающий внутрь клетки и поражающий внутриклеточную мишень, называют субъединицей “А”. Мембранными рецепторами для целого ряда бактериальных токсинов служат те же самые липидсодержащие соединения (например, ганлиозиды), что и для гормонов.

Все выше перечисленное свидетельствует о том, что генетическая природа токсинообразования могла быть заимствована прокариотической клеткой микроба-возбудителя из окружающей его среды, представленной эукариотическими клетками организма хозяина. Естественный отбор, направив механизм поражающего действия бактериальных токсинов в русло молекулярной мимикрии, обеспечил тем самым легкую уязвимость органных тканевых клеток макроорганизма токсинами микроба-возбудителя.

Некоторые белковые экзотоксины обладают широким спектром цитотоксической активности и вызывают как строго специфические, так и неспецифические поражения тканевых клеток. В основе действия отдельных цитотоксинов лежит способность образовывать поры в мембране поражаемых клеток (гемолизины и лейкоцидины).

Группа экзотоксинов, в которую входят стафилококковые энтеротоксины, TSST, стрептококковые пирогенные токсины и др, получили название суперантигенов (5). Эти простые пептидные молекулы имеют характерную доменную структуру и обладают способностью, с одной стороны, активировать иммунную систему и с другой - ингибировать антительны й ответ. Они стимулируют пролиферацию Т-клеток посредством взаимодействия с молекулами 2-го класса ГКГ (главного комплекса гистосовместимости) и через связывание с цепями Т-клеточного рецептора.

Изучение генетических основ патогенности у возбудителей инфекционных заболеваний показало, что приобретение микробами патогенных потенций шло параллельно с появлением в микробном геноме особых генетических элементов. Эти геномные элементы попадают в бактериальную клетку в результате горизонтальной передачи генов, кодирующих продукции биомолекул, наделенных функцией детерминант патогенности. Кластеры этих генов получили называние «островков патогенности» (ОП). Они обнаружены у патогенов и отсутствуют у непатогенных форм. У микроорганизмов, содержащих ОП, передача генов патогенности осуществляется с помощью плазмид, фагов или конъюгативных транспозонов. ОП могут оставаться частью плазмид или быть инкорпорированными в бактериальную хромосому (6).

Можно предположить, что приобретение ОП произошло в период образования патогенных видов, предшественниками которых были непатогенные виды микроорганизмов. Видимо, феномен патогенности стал формироваться миллионы лет назад, когда появилась новая экологическая ниша, завоевание которой и породило ранее не существовавший тип взаимодействия прокариотических и эукариотических организмов. Возникновение горизонтального механизма передачи генов патогенности, очевидно, свидетельствует о появлении нового приспособительного механизма, вызванного необходимостью обитания микроба в окружении многоклеточных систем организма хозяина.

Итак, заселение новой среды обитания сапрофитами шло параллельно с формированием у них свойства патогенности. В соответствии с законами живой природы реализация возбудителем функции патогенности была подчинена высшей цели: безудержному росту численности популяции микробного вида. Пропорционально этому происходило секретирование токсина, поражающего ткани. В результате разрушительного воздействия токсина многоклеточная среда обитания, которой завладел болезнетворный микроб, погибала. Но вместе с ней погибала и большая часть популяции микроба – возбудителя. Взаимоотношения микроорганизма со средой обитания, организмом человека или животного, прекращались: наступала «экологическая катастрофа».

Незначительное число особей микроба-возбудителя успевало за время болезни организма хозяина обсеменить другие индивидуумы из окружения человека или животных и таким образом продолжить в них дальнейшее существование вида. Некоторые особи попадали в воздух, почву или воду и оставались обитать там по типу сапрофитных предшественников.

Возникает вопрос, возможно ли предотвратить катастрофу, приводящую к гибели организма хозяина. В большинстве случаев ответ может быть положительным, т.к. известно, что современная медицина располагает арсеналом эпидемиологических, гигиенических и лекарственных средств, открывающих путь к профилактике и лечению инфекционных болезней. Однако трудно представить, что возбудителей заболеваний можно искоренить, поскольку природные резервуары, в которых микроб продолжает обитать, обеспечивают ему безгранично долгое существование. Спорадически возникающие эпидемии служат подтверждением этого тезиса.

*Экология – наука, изучающая взаимодействия живых организмов с окружающей средой и взаимодействие организмов друг с другом.

References:

1. Beachey E.H. Bacterial Adherence: adhesin receptor interaction mediating the attachment of bacteria to mucosal surface. J. Infect. Dis. 1981, 143:325-345

2. Ezepchuk Yu.V. Biomolecular Bases of Bacterial Pathogenicity. Nauka, Moscow 1977, 215 pp

3. Ezepchuk Yu. V. Pathogenicity as a Function of Biomolecules. Medicine, Moscow 1984, 238 p

4. Jaljaszevicz J. and T. Wadstrom Bacterial Toxins and Cell Membranes, Academic Press, NewYork, 1978

5, Leung D.Y.M., B.T. Huber, P.M. Schlivert Superantigens Marcel Dekker,Inc., NewYork, 1997, 607 p

6. Schmidt H. and Hensel M. Pathogenicity Islands in Bacterial Pathogenesis. Clin. Microbiol.Rev. 2006 January, 19(1) 257

7. Todar Kenneth. The Mechanism of Bacterial Pathogenicity, The Microbial World, 2009, 1-26.

Yurii V. Ezepchuk, Ph.D.
Professor of Biochemistry
Denver, Colorado, U.S.A.

E-mail: ezepchuk@usa.net