Под руководством К. Мейбома (Meibom K.) из Стенфордского университета (Stanford University) было исследовано явление трансформации (способности встраивать чужую ДНК в свой геном) у холерного вибриона Vibrio cholerae – возбудителя холеры. Был обнаружен еще один фактор, способный влиять на вирулентность Vibrio cholerae.
Бактерия V. cholerae – частый обитатель морских и пресных водоемов, где обычно живет на поверхности хитина – самого распространенного природного полимера после целлюлозы. Он заселяет множество хитиновых поверхностей: покровы живых членистоногих и сброшенные ими шкурки, фекальные выделения и поверхности некоторых грибов и водорослей. Такая тесная ассоциация бактерий с хитином приводит к увеличению способности холерного вибриона вызывать холеру. Во-первых, он становится более устойчивым к кислотам, в том числе и к соляной кислоте, которая вырабатывается в желудке человека. Во-вторых, бактерии образуют на хитине клеточную биопленку, в результате чего они могут попадать в желудок в большом количестве. В-третьих, присоединение к хитину увеличивает образование в бактериальных клетках специального белка, необходимого для эффективного заражения человека.
Существует как минимум несколько десятков штаммов V. cholerae , различающихся по степени вирулентности – способности вызывать заболевание. Эти различия определяются присутствием или отсутствием определенных генов. Бактерии могут приобретать новые гены разными способами. Во-первых, бактерии могут обмениваться генами при конъюгации – непосредственном контакте клеток, при котором происходит перенос генетического материала из клетки в клетку. Кроме того, бактериальные вирусы (бактериофаги) могут захватывать с собой бактериальные гены и переносить их из одних клеток в другие.
В лаборатории Мейбома обнаружили еще один фактор, влияющий на вирулентность V. cholerae. Хитин делает клетки V. cholerae компетентными, то есть способными поглощать молекулы ДНК из окружающей среды и встраивать их в свой геном. Таким путем могут передаваться гены, кодирующие необходимые для заражения белки, гены устойчивости к антибиотикам, а также гены холерного токсина, действие которого может быть смертельным для человека. Мейбом сравнивал геномы компетентных и некомпетентных к трансформации клеток и обнаружил, что для компетентности необходимы гены белков, образующих так называемые пили типа IV. Для развития компетентности также необходимы следующие факторы: доступность хитина, недостаток питательных веществ, а также достаточно большая плотность популяции бактерий.
Необходимым фактором для трансформации бактерий является наличие и достаточная концентрация внеклеточной ДНК. Показано, что концентрация ДНК может составлять десятки микрограмм в литре морской воды и может варьировать в зависимости от глубины океана. Особенно много ДНК в морском иле и в биопленках, образуемых микроорганизмами. В свою очередь, ДНК может играть роль стабилизатора таких биопленок и заодно использоваться клетками как источник дополнительных генов. Как правило, ДНК оказывается во внешней среде либо при разрушении отмерших клеток, либо путем попадания в липидные пузырьки, время от времени отделяющиеся от живых бактерий.
Почему хитин способствует трансформации клеток бактерий? Дуглас Бартлетт (Douglas H. Bartlett) и Фарук Азам (Farooq Azam) из Калифорнийского Университета в Сан-Диего (University of California, San Diego) считают, что во-первых, хитин хорошо очищает ДНК от других клеточных веществ, во-вторых, он физически помогает встрече ДНК и клетки бактерии, и в-третьих, он индуцирует активность бактериальных генов, ответственных за компетентность клетки.
Гены, ответственные за компетентность у V. cholerae, могут «жить» не только в холерном вибрионе, но и в других представителях этого рода, например, в клетках Vibrio vulnificus (вызывает болезнь, связанную потреблением морских продуктов), Vibrio parahaemolyticus (патогенная бактерия, также вызывающая гастроэнтериты). Также при определенных условиях гены, принадлежащие V. cholerae, могут вызывать компетентность у кишечной палочки Escherichia coli.
Удивительным оказался факт, также обнаруженный Мейбомом, что способность к трансформации у V. cholerae зависит от внеклеточных сигнальных молекул, с помощью которых взаимодействуют бактериальные клетки. Таким образом может регулироваться не только компетентность, но и вирулентность бактерий, а также образование ими биопленки. Кроме того, бактерии V. cholerae могут синтезировать и секретировать белок, прочно связывающийся с хитином. Этот белок играет большую роль при распространении инфекции в желудочно-кишечном тракте человека.
Остается добавить, что холе́ра — это острое инфекционное заболевание, которое протекает с преимущественным поражением желудка и тонкого кишечника и характеризуется быстрым обезвоживанием организма. Первичное заражение происходит при употреблении загрязнённой холерным вибрионом сырой воды, далее болезнь может передаваться через фекалии. Подробное описание болезни можно прочитать здесь.
Яна Войцеховская
