Содержание
Большой резонанс получило изучение контактных взаимодействий бактерий с клетками хозяина. Эти взаимодействия лежат в основе патогенетически значимых взаимоотношений с мукозальными эпителиоцитами. Адгезивные контакты, реализуемые через комплементарные рецепторы бактерий и клеток, инициируют сигналы, оказывающие серьезное влияние на функциональное состояние каждого из взаимодействующих сочленов. Результатом является последовательный переход от рыхлых (фимбриальных) контактов к интимной адгезиии, построение специализированных органелл секреции (аппарат секреции III типа), синтез и направленный транспорт в клетки инъекционных токсинов. Экспрессия индуцибельных генов проявляется здесь в виде контактной патогенности — одного из универсальных механизмов реализации болезнетворности бактерий.
В целом ясно, что инвитровые культуры дают неполное представление о факторах микробной болезнетворности, так как некоторые из признаков, определяющих вирулентность бактерий, могут проявиться только внутри чувствительного организма. Поэтому вопрос «что же такое патогенность?» до сих пор во многом риторичен. Современные методы позволяют судить об особенностях экспрессии микробных генов в различных ситуациях и об их участии в экологически зависимой адаптации бактерий. Парадокс, но, регистрируя индуцибельные гены, задействованные в реализации вирулентности, мы далеко не всегда знаем их продукты. Изучением этого вопроса занимается функциональная генетика, одной из задач которой является стыковка генома с протеомом, т.е. расшифровка фенотипического выражения всего генетического материала клетки.
Эволюция болезнетворности
Эволюция живых организмов связана с изменением генетического материала и селекцией его оптимальных, т.е. наиболее приспособленных к данной среде вариантов. Патогенные микроорганизмы явились результатом развития биоагрессивных генотипов. Одновременно формировались механизмы их регуляции, связанные с экологически зависимой экспрессией генов вирулентности.
Поскольку прокариоты были первой формой жизни на Земле, бактериальные симбионты эволюционировали на основе сапрофитов. Эксплуатируя хозяина, они утратили часть признаков свободноживущих форм, но одновременно обрели гены, детерминирующие агрессивность. Адаптивный смысл болезнетворности не совсем понятен. Более того, она похожа на парадокс, не выгодный паразиту. Гораздо логичнее — спокойное сожительство, когда симбионт получает возможность для бесконфликтного, а потому надежного существования. С этой точки зрения, патогенность выглядит как результат случайного стечения обстоятельств, а инфекционные болезни — как необязательное условие для развития микроорганизмов. Но ситуация может быть и иной, когда инфекционный конфликт обретает позитивное (для возбудителя) значение. Усиленное размножение создает условия для совершенствования бактерий на основе селекции клонов с обновленным генотипом. Это реально не только для антропонозов (когда человек служит единственным резервуаром инфекции), но и для возбудителей, которые способны к автономному существованию во внешней среде (сапронозы) или к заражению других хозяев (зоонозы). Если учесть, что большинство патогенных микроорганизмов имеют экологические ниши, где они бесконфликтно персистируют, то заражение чувствительных организмов служит своеобразным допингом, создавая дополнительные возможности для селекции и, следовательно, эволюции.
Следует помнить и о том, что многие патогенные виды клонированы (дифференцировку клонотипов проводят на основе генотипирования — «генетические отпечатки пальцев», англ. genetic fingerprinting), и лишь часть (нередко малая) клонов обладают агрессивностью. Например, из 100 клоногрупп менингококка группы А эпидемическое значение имеют не более десятка клонотипов. Среди более 100 клонотипов палочки инфлюэнцы типа b всего 6 отвечают за 80% наиболее серьезных инфекций. Это означает, что даже самые грозные патогены способны существовать на основе компромисса с хозяином, а болезнетворность может быть скорее исключением, чем правилом, показывая, как мало надо иметь, чтобы обрести вирулентность или утратить ее. Для большинства патогенных бактерий известны двойники или близкие виды, которые лишены болезнетворности, но тем не менее великолепно существуют в природе как сапрофиты или симбионты. Обретение вирулентности скорее усложнило, чем упростило их жизнь.
Бактериальные гены оформлены в виде двух базисных структур — хромосомы и плазмид. Это самостоятельные репликоны, т.е. геномные молекулы, способные к саморазмножению (репликации). Хромосома включает около 3000 генов, большинство из которых кодирует жизненно важные функции бактерий. Плазмиды (их называют минихромосомами) включают 20—200 генов. Многие из них имеют адаптивное значение, проявляются в неблагоприятных или конкурентных условиях (например, устойчивость к антибиотикам, продукция иммунитетных факторов и пр.). Поэтому плазмиды можно элиминировать, сохранив жизненный потенциал их хозяев.
Кроме мутаций, у хромосом и плазмид есть еще одно предназначение: они служат местом внедрения (инсерции/интеграции) новых генов, обладающих способностью к транспозиции. Перемещаясь из клетки в клетку, из репликона в репликон, такие гены эволюционируют как рекомбинантные молекулы и поэтому называются транспозонами. Их способность включаться в состав репликонов отражена понятием интегрон. Cамые простые транспозоны обозначаются как вставочные гены, или IS-элементы (от англ. insertion sequence — вставочная последовательность). Они лишены экзонов, т.е. генов, кодирующих фенотипические признаки. Единственное, что умеют делать IS-транспозоны — это включаться и выходить из состава репликонов. Их влияние на фенотип связано с инсерционным мутагенезом, т.е. с нарушением структуры (непрерывности) генов, подвергшихся инсерции/вставке. В транспозиции могут участвовать бактериофаги, воспринимающие чужие транспозоны или фрагменты бактериальных репликонов (хромосома, плазмиды). Генетическому обмену содействуют микробные сообщества типа биопленок, где формируются плотные контакты на основе клеточных агрегатов из разных видов бактерий.
В отличие от высших организмов, для которых единственным механизмом генотипической изменчивости является вертикальный (от родителей потомству) путь передачи обновленных комбинаций аллельных генов, горизонтальная или латеральная трансмиссия генов у бактерий играет решающую роль. Таким путем передаются хромосомные гены и плазмиды, транспозоны и фаговые геномы. Наиболее известными механизмами являются трансформация (пассивное проникновение ДНК в бактериальные клетки), трансдукция (мобилизация генов при помощи фагов) и конъюгация (физический контакт бактерий, детерминируемый плазмидами). Горизонтальная передача существенно расширяет экологическую пластичность бактерий, позволяя использовать эволюционный опыт родственных и таксономически отдаленных видов. Иногда это чревато осложнениями для биосферы, порождая потенциально опасные генотипы.
Включение чужих фрагментов ДНК в состав собственных репликонов бактерий происходит благодаря негомологичной (незаконной) рекомбинации, основанной на точечной (сайт-специфической) комплементарности взаимодействующих молекул. Этим негомологичная рекомбинация отличается от гомологичной, которая совершается внутри половой зиготы при полном взаимодействии (кроссинговере) аллельных генов хромосом одного вида. Это объясняет присутствие однотипных генов у бактерий разных таксономических групп. Некоторые из них имеют отношение к болезнетворности, формируя генные кластеры, известные как острова патогенности. В их функции, в частности, входит реализация контактной болезнетворности, т.е. образование адгезинов и секреция контактных/инъекционных токсинов. Острова патогенности могли быть внесены бактериофагами или плазмидами и включены в состав бактериальных хромосом путем инсерции негомологичных интегронов.
Формирование островов патогенности происходило скорее всего неодновременно. Они отражают результат последовательных вставок, потребовавших значительного времени и уникального стечения обстоятельств. Консервативность вирулентных генов отражает общность связанной с ними стратегии и их единой природы. Впрочем, это лишь та основа, которая в ходе многовековой эволюции подверглась существенным изменениям и дополнениям. Острова патогенности обнаружены далеко не у всех болезнетворных бактерий. Они характерны для грамотрицательных бактерий и лучше всего изучены у патогенных энтеробактерий (сальмонеллы, шигеллы, диареегенные эшерихии, иерсинии).
*** Завершая обзор, посвященный факторам и механизмам болезнетворности бактерий, мы не закрываем тему. Ее мотивы пройдут через все очерки, связанные с проблемами частой бактериологии.