МІКРОБІОЛОГІЯ - М.Г. Сергійчук - 2008

Розділ 10. ІНФЕКЦІЯ ТА ІНФЕКЦІЙНИЙ ПРОЦЕС

ГЕНЕТИЧНИЙ КОНТРОЛЬ ПАТОГЕННОСТІ І ВІРУЛЕНТНОСТІ

Розглянуті нами фактори патогенності є ознаками, що закодовані генетично. Гени, що кодують фактори патогенності, як правило, розташовані в геномі бактерій у вигляді кластерів, які називають "острівцями патогенності» (Pathogenicity Elands (РІ)). Уперше концепцію РІ запропонував у 1980 р. Дж. Хакер зі співавторами, що досліджували генетичну основу вірулентності ентеропатогеннних E. coli (EPEC) штаму 536. Учені довели, що делеція в цих бактерій РІ призводить до того, що ЕРЕС перетворюються в непатогенні E. coli. Пізніше РІ було виявлено в інших видів мікроорганізмів. Саме наявність РІ і відрізняє патогенні мікроорганізми від непатогенних. У таких острівцях закодовано синтез різноманітних факторів патогенності: адгезинів, токсинів, екзоферментів, агресинів, а також відповідних систем секреції. Острівці патогенності можуть мати певні позначення залежно від типу бактерій, до якого вони належать, наприклад відомі РІ холерного вібріону - Vibrio pathogenicity islands (VPI), острівці патогенності ентеропатогених ешерихій - Locus of enterocyte effacement (LEE)), острівці патогенності сальмонел - Salmonella pathogenicity islands (SPI). Вважають, що ці кластери генів бактерії набувають під час еволюції при горизонтальному трансфері генів. РІ мають ряд особливих характеристик. По-перше, РІ - це великі за розміром ділянки (до 200 kb) геному, що містять багато генів патогенності. По-друге, виявлено, що відсотковий вміст пар нуклеотидів G-C в РІ відрізняється від такого решти хромосомного матеріалу бактеріальної клітини. Так, вміст пар нуклелотидів G-C у непатогенних бактерій становить від 25 до 75 %, тоді як у патогенних мікроорганізмів він у межах 40-60 % саме за рахунок насичення цими нуклеотидами "острівців патогенності". Причини такої відмінності на сьогодні не відомі. Проте консервативність складу нуклеотидних послідовностей РІ є специфічною для певних родів і видів мікроорганізмів. По-третє, РІ, як правило, асоційовані з мобільними генетичними елементами, наприклад фланковані прямими повторами (Direct Repeats (DR)). Прямі повтори є послідовностями ДНК (16-20 bp) з таких пар нуклеотидів, що повторюються і є сайтами інтеграції бактеріофагів. Крім того, DR є сайтами розпізнавання для ензимів, які вирізають мобільні генетичні елементи, що в решті- решт зумовлює нестабільність РІ, фланкованої DR. Деякі РІ містять гени інтеграз чи транспозаз бактеріофагів. Інтегрази походять з лізогенних бактеріофагів і забезпечують інтеграцію геному фага в геном

організму хазяїна, а також зворотний процес (вирізання геному фага) при розвитку літичної фази інфекції. Ці гени функціонують у деяких РІ, і закодовані ними ферменти можуть опосередковувати вирізання РІ і їх втрату. Інші РІ містять гени, подібні до генів інтеграз і резолаз транспозонів. Ці мобільні генетичні елементи можуть змінювати свою локалізацію в межах хромосоми, а також між хромосомою і плазмідами. У межах РІ також виявляють інсерційні послідовності (Insertion Sequences (IS)). По-четверте, РІ є нестабільними ділянками геному. Функціонування РІ порушується з частотою набагато більшою, ніж частота мутацій звичайних генів. Генетичний аналіз цього явища довів, що порушення функціонування РІ відбувається не через мутації окремих генів патогенності, а опосередковане втратою великих ділянок РІ або усього "патогенного острівця» повністю. Такі порушення РІ часто спостерігають при культивуванні патогенних мікроорганізмів in vitro або під час тривалої персистуючої інфекції. Це вказує на те, що РІ має внутрішню схильність до генетичної нестабільності. По-п'яте, РІ представлені в геномі мозаїчно, на відміну від решти гомогенних сегментів ДНК. Деякі РІ являють собою вставку єдиного генетичного елемента. Інші РІ мають комплексну структуру, оскільки під час еволюції бактеріальні клітини набували різні генетичні елементи незалежно, в різний час і з різних джерел.

Той факт, що важливі фактори патогенності подібні в різних видів мікроорганізмів, можна пояснити лише горизонтальним перенесенням генів. Процес горизонтального трансферу генетичної інформації в бактерій може здійснюватись за механізмами трансформації, кон'югації, трансдукції. Певні типи бактерій здатні до природної трансформації. Під час певних фаз росту клітини експресують такі транспортні системи, які здатні поглинати вільну ДНК з мікрооточення. Хоча більшість цієї поглинутої чужорідної ДНК деградуватиме, деякі фрагменти все таки можуть стати "корисними" генами, що інтегрують у геном клітини-реципієнта. Вважають, що цей механізм робить можливим поглинання ДНК віддалених видів мікроорганізмів і набуття клітиною-реципієнтом нових властивостей.

Кон'югація дозволяє здійснювати перенесення плазмід між бактеріями. Такі плазміди можуть потім реплікувати автономно від бактеріальної хромосоми, проте за певних умов вони можуть інтегрувати у хромосому.

Певні фактори патогенності можуть бути закодовані геномом бактеріофагу. Бактеріофаги виділяють з будь-яких видів бактерій. Випадкове перенесення генів патогенності фагами дозволяє бактерії- реципієнту набути нових властивостей і мати переваги перед подібними мікроорганізмами в колонізації нової еконіші. Багато РІ мають

занадто великі розміри, навіть еквівалентні розмірам самих фагів. У такому випадку перенесення може здійснюватись за механізмом загальної трансдукції. Як правило, при реплікації фага копії геному упаковуються у "головку" фага. Під час такої реплікації ДНК бактерії фрагментується і частина такої ДНК може бути випадково упакована в "головку" фага. Такі похибки відбуваються з частотою 1 : 1000. Дефектні фаги все ще мають здатність інфікувати нові бактеріальні клітини. У такий спосіб відбувається передача бактеріальної ДНК, що може кодувати саме фактори патогенності.

Що саме визначає локалізацію РІ в геномі бактеріальної клітини, поки що невідомо. Виявлено, що подібні кластери генів вірулентності можуть міститись як у бактеріальній хромосомі, так і в плазмідах. Наприклад, гени mxi та spa, що кодують систему секреції ІІІ, необхідну для інвазії Shigella spp., локалізовані в гігантській плазміді бактерії, тоді як подібний кластер генів SPI-1 у Salmonella enterica локалізований у хромосомі.

Утворення пілей загального типу, що беруть участь в адгезії, як правило, контролюється хромосомними генами. У той же час деякі адгезини ешерихій (CFA/I, CFA/II, CFA/III) кодуються плазмідними генами.

Утворення біологічно активних речовин, що беруть участь у пенетрацї, можуть кодуватись як плазмідними (наприклад, у Shigella sonnei), так і хромосомними генами.

Синтез антифагоцитарних та антикомплементарних речовин, наприклад протеїну А S. aureus, М-протеїну S. pyogenes, капсульного полісахариду S. pneumoniae, контролюють переважно хромосомні гени.

Достатньо різноманітним є генетичний контроль токсиноутворення, що може здійснюватися за участю хромосомних генів, різноманітних плазмід: F, R, Col, що містять tox-транспозони, а також конвертуючих бактеріофагів. Хромосомні tox-гени контролюють утворення холерогену, ексфоліатину, ентеротоксину C. perfringens тощо. У складі хромосоми лізогенних культур, що несуть профаг, виявлені tox-гени, які контролюють утворення дифтерійного гістотоксину, еритрогенно- го токсину S. pyogenes, ботулінічного нейротоксину. Іноді генетичний контроль токсиноутворення може мати складний характер. Наприклад, багато tox-плазмід контролюють утворення не самих токсинів, а протоксинів, що потребують для своєї активації додаткового ферменту. Утворення ж ферменту-протеази перебуває під контролем хромосомних генів. Протеази беруть участь в активації багатьох протоксинів, наприклад дифтерійного гістотоксину, ботулінічного протоксину тощо. Отже, у бактеріальній клітині здійснюється спільний контроль

плазмідними і хромосомними генами за утворенням функціонально активних токсинів.

Таким чином, РІ дуже поширені у світі бактерій саме завдяки горизонтальному трансферу генів, перенесенню плазмід, активності фагів та компетентності бактерій щодо поглинання вільної ДНК.

Усі фактори патогенності і ступінь їх прояву підпорядковані фенотиповим і генотиповим змінам. Причинами таких змін є дія різних фізіологічних і хімічних факторів. З часів Л. Пастера штучне зниження вірулентності - атенюація (лат. attenuo - ослаблювати) - покладено в основу виробництва деяких вакцин.

Генотипове зниження вірулентності можливе при мутаціях, реко- мбінаціях, втраті зовнішньохромосомних факторів спадковості (плазмід, транспозонів).

Фенотипове зниження вірулентності можливе при потраплянні збудника в несприятливі умови. In vitro це відбувається внаслідок несприятливого режиму культивування і складу поживного середовища, дії селективних несприятливих факторів. Зниження вірулентності іn vivo розвивається при тривалій персистенції збудника в організмі хазяїна. Ті бактеріальні клітини, що вижили, набувають стійкості до дії імунних факторів і антимікробних препаратів, але втрачають свої патогенні властивості (наприклад, за рахунок втрати плазмідних чи хромосомних генів патогенності). Методи зниження вірулентності патогенних мікроорганізмів мають велике практичне значення для одержання вакцинних штамів.

Підвищення вірулентності досягається шляхом культивування бактерій in vitro в оптимальних умовах чи при багаторазових пасажах маловірулентної культури через організм чутливої лабораторної тварини. У даному випадку також має місце селекція вірулентних осіб, що містяться в гетерогенній бактеріальній популяції, що врешті-решт може призвести до підвищення її вірулентності.