Патогенность бактерий

«Островки патогенности» - мобильные элементы бактериального генома. [Концепция предложена Dr. J. Hacker et al. (6)].

Экспериментальными иследованиями показано, что патогенные бактерии обладают особым генетическим аппаратом, имеющим внехромосомную локализацию.

«Островки патогенности» (ОП) представляют собой особую область ДНК, которая присутствует в геноме вирулентных штаммов микроба-патогена и отсутствует в авирулентных формах того же самого вида. В большинстве случаев ОП включаются в геномную структуру клетки бактериального патогена.

ОП несет один или больше генов, кодирующих продукцию факторов патогенности. Однако в геноме иногда обнаруживаются элементы, структурно похожие на ОП, но лишенные генов патогенности. Эти элементы называются «геномными» или «метаболическими островками».

ОП занимают относительно большую область генома. Их размер колеблется от 10 до 200 kb.

ОП отличаются от ядерного генома по составу входящих в них нуклеотидных оснований. Состав обычно характеризуется по процентному содержанию пар оснований гуанин – цитозин (G + C). В бактериальной ДНК содержание (G + C ) колеблется от 25 до 75 %. У патогенных видов процентное содержание (G + C ) составляет 40 – 60 %. Горизонтально приобретенные ОП, как правило, сохраняют состав донорского вида, однако в процессе эволюции содержание (G + C) в таких ОП может меняться и со временем приобретать сходство с реципиентным геномом.

ОП обычно локализованы в областях смежных с tRNA–генами, что позволяет предположить о возможности использования указанных генов в качестве якоря для прикрепления чужеродной ДНК, попавшей в бактериальную клетку путем горизонтальной передачи. Далее фрагмент чужеродной ДНК, фиксированный на tRNA-гене, включается в реципиентный геном путем рекомбинации между tRNA–генами, характеризующимися высокой консервативностью для разных бактериальных видов.

ОП часто фланкированы прямыми повторами, которые представляют собой последовательности ДНК, состоящие из 16 – 20 пар оснований (в некоторых случаях до 130). Для прямых повторов характерна четкая регулярная повторяемость. Прямые повторы играют роль сайтов распознавания для энзимов, участвующих в разрезании мобильных генетических элементов, что приводит к нестабильности ОП. Иногда ОП подвергаются воздействию дилеций.

ОП часто несут латентные или даже функционально мобильные гены, такие как интегразы и транспозазы. Интегразы – компоненты лизогенных бактериофагов, обусловливают включение фагового генома в геном бактерии – хозяина, а также инициируют начало литического цикла. Такие функционально активные гены, находящиеся в ОП, могут кодировать белки, которые способны разрезать чужеродную ДНК и даже приводить к полному исчезновению всей структуры ОП.

Другие мобильные генетические элементы, похожие на интегразы, воздействуют на гены транспозонов. Они могут менять локализацию транспозонов в хромосоме, а иногда даже индуцировать перепрыгивание транспозона из хромосомы в плазмиду, и наоборот.

Часто в ОП обнаруживаются инсерционные элементы, которые могут приводить к инактивации генов, а комбинации из двух и более таких элементов приводят к мобильности большей части ДНК. ОП могут также нести интегрированные плазмиды, конъюгативные транспозоны, бактериофаги или отдельные части этих элементов.

ОП отличаются нестабильностью и изменяются с более высокой частотой, чем нормальная степень частоты мутаций. Генетический анализ показывает, что такие мутации обусловлены не дефектами в индивидуальных генах вирулентности, содержащихся в ОП, а потерей больших участков ОП или даже целых ОП. Эти мутации могут наблюдаться в процессе культивирования патогенов in vitro, а также их обнаруживают в образцах, выделенных от больных, имеющих персистентную форму инфекции, т.е. in vivo. Генетическую нестабильность и мобильность ОП обусловливают также и те механизмы, которые играют ведущую роль в горизонтальной передаче генов, такие как интегразы, транспозазы и IS-элементы.

Для ОП характерна мозаичная структура приобретенной ДНК. Некоторые ОП представляют собой вставку одного генетического элемента. Другие имеют более сложную структуру. Она возникает в процессе эволюции за счет включения в ОП элементов различного происхождения. Эти элементы могут включаться независимо в разное время и от разных хозяев. Однако эти приобретенные элементы ДНК-интегрируются в одном и том же участке хромосомы реципиентной бактериальной клетки. Т.о. происходит аккумуляция горизонтально приобретенных элементов на одном участке хромосомы. При этом такие структурные мишени как tRNA-гены могут быть повторно использованы для включения в ОП различных генетических элементов.

Как правило, ОП содержат гены, кодирующие продукцию ФП, делающих микроб потенциально вирулентным. В комплекс патогенности входят ФП, ответственные за функцию колонизации, функцию защиты от фагоцитоза и токсическую функцию, лежащую в основе поражающего действия. Каждая группа генов кодирует продукцию соответствующих ФП независимо друг от друга. Это значит , что в ОП одного и того же вида могут содержаться различные комбинации генов, ответственных за биосинтез функционально различных ФП. Например, можно допустить, что существуют штаммы, у которых из всего комплекса патогенности в ОП сохранились гены, кодирующие только факторы адгезии. Такие штаммы способны продуцировать адгезины и осуществлять адгезивную функцию но из-за отсутствия других ФП они становятся невирулентными для организма хозяина. Т.о. штаммовое многообразие патогенного вида можно объяснить различными комбинациями генов в ОП. Имеются штаммы, лишенные вообще ОП, а также штаммы, имеющие ОП с одним или несколькими наборами генов, обусловливающих продукцию различных типов ФП. Так в популяции B. anthracis имеются штаммы, у которых ОП содержит одновременно гены, контролирующие синтез глутамил-полипептида и его сборку в капсульную структуру, а также гены, ответственные за биосинтез экзотоксина. Это полноценно вирулентные штаммы. Но имеются и штаммы, продуцирующие какой-то один из указанных ФП. Эти штаммы авирулентны также как и штаммы, которые вообще лишены способности продуцировать ФП.

Штаммовое многообразие патогенного вида подтверждает главную особенность ОП – их высокую мобильность и высокую степень изменчивости.

Следует заметить, что в настоящее время для многих бактериальных патогенов ОП уже идентифицированы.

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

E-mail: ezepchuk@usa.net