Ученые из Сколтеха, Института проблем передачи информации им. А. А. Харкевича РАН и Института науки и технологий Австрии провели первое систематическое исследование генов, за счет которых бактерии шигелла (Shigella dysenteriae) и некоторые штаммы кишечной палочки (Escherichia coli ) способны нарушать работу клеток кишечника, вызывая инфекционную диарею. Обнаружив такие гены в бактериях, живущих в кишечнике сурков, крыс и овец, ученые предположили, что животные могут быть источником инфекции, представляющей потенциальную угрозу для людей. Результаты исследования опубликованыв журнале Scientific Reports, кратко о них рассказала пресс-служба Сколтеха.
Большинство штаммов кишечной палочки не вызывают никаких проблем и даже приносят человеку пользу, вырабатывая витамин К и сдерживая размножение вредных бактерий. Но существуют и менее миролюбивые штаммы, которые атакуют клетки кишечника и вызывают острую инфекционную диарею. Такие штаммы называют энтероинвазивными. Тем же свойством обладает другой вид бактерий, шигелла, которая считается более опасной для человека. До недавнего времени считалось, что заразиться шигеллой естественным путем могут только люди и другие приматы, хотя в лабораторных условиях ученым удавалось инфицировать цыплят и свиней.
Агрессивность шигеллы и энтероинвазивной кишечной палочки обусловлена тем, что на определенном этапе своей эволюции эти бактерии получили дополнительный фрагмент генома с набором вредоносных генов, записанных на плазмиде — кольцевой молекуле ДНК, попавшей в бактериальную клетку. Эти гены обеспечивают способность вторгаться в клетку хозяина и помечать ее белки, обрекая их на уничтожение. Ученые Сколтеха и их коллеги впервые провели систематический анализ, сравнив гены 127 штаммов шигеллы и двух штаммов кишечной палочки инвазивного типа.
«Прежде всего, мы обнаружили значительные отличия в наборе генов у разных штаммов, — отмечает первый автор работы Наталия Драненко, выпускница магистратуры Сколтеха и аспирант ИППИ РАН. — Поскольку известно, что все эти штаммы вызывают заболевания, можно сделать вывод, что для "набора зловредных генов" характерна избыточность. Нарушить один и тот же клеточный процесс можно разными способами, и, по-видимому, в атаке на клетку задействовано множество генов, которые вредят разным белкам. "Плохая" бактерия не обязательно будет иметь полный набор таких генов».
Сколтех
В то же время ясно, что эффективному возбудителю нужны гены сразу двух типов — и для вторжения в клетку, и для нарушения ее работы. Первый тип в этом исследовании не рассматривался. Помимо вариативности набора вредоносных генов, ученые установили, что гены для нарушения работы инфицированной клетки были помечены особой последовательностью ДНК, которая характерна для участков, подверженных так называемому горизонтальному переносу. Это значит, что бактерия как бы сигнализирует, что готова меняться этой частью генетического кода с собратьями. При реализации механизма обмена некогда безобидные бактерии могут мутировать в новые заразные штаммы.
Ученые проверили генетические базы данных на предмет других бактерий — носителей генов из подтвержденного вредоносного набора и обнаружили четыре «звериных» штамма предположительно заразной кишечной палочки: у сурков, крыс и овец.
«Некоторые из "нехороших" генов были обнаружены в бактериях всех трех животных, — рассказывает один из авторов исследования, старший научный сотрудник Сколтеха Мария Тутукина. — Но в целом у патогенов всех трех видов животных были найдены лишь фрагменты "набора зловредных генов", и эти фрагменты в каждом случае были разными. Однако раз микробам всё же удалось выжить в организме животных, значит, механизм заражения работоспособен, по крайней мере отчасти».
Один из штаммов «звериной палочки» — найденный у сурка — выглядит более грозным, чем остальные. Дело в том, что сурки вообще известны как инкубаторы опасных инфекций, например чумы, которая может перекинуться на человека через укус блохи. Так вот, у заразившей сурка палочки был найден ген, отвечающий за синтез болезнетворного белка, который оказался практически идентичен аналогичному белку кишечной палочки человека. «Одна из возможных причин такого совпадения — что этот штамм мог первоначально специализироваться на людях, но в какой-то момент перекинуться на сурков, — поясняет Тутукина. — При худшем сценарии развития событий он может к нам вернуться, принеся с собой наработанные за это время новые гены».
