Незаметное перевоплощение: друг становится врагом.

От глубин океана до нашего кишечника, мир вокруг наполнен микроорганизмами. При слове “микробы”, люди сразу же представляют организмы, которые вызывают болезни и недуги, хотя только небольшая часть микробов классифицируется, как патогены. Многие микробы живут мирно и не наносят вред окружающим. Некоторые даже приносят пользу своим хозяевам, обеспечивая защиту от патогенов и вырабатывая необходимые питательные вещества.

Какие же факторы делают микроорганизм патогенным?

Ключ к способности микроба к заражению находится в геноме. Патогены содержат набор генов, которые помогают им атаковать хозяина или же избежать распознавания иммунной системой. Микробы-комменсалы, например, не обладают болезнетворными генами, и даже если эти гены присутствуют в геноме, они не активны. Условно-патогенные микроорганизмы, в свою очередь, могут легко превращаться из безобидных друзей в недружелюбных врагов.

Многие исследователи изучают такой механизм “переключателя” у условно-патогенных бактерий Staphylococcus epidermidis. Это один из многих микробов, который обитает на нашей коже, и, как правило, является безобидным. Однако, не стоит его недооценивать! Эта бактерия может стать проблемным патогеном в больничных условиях. S.epidermidis часто инфицирует медицинское оборудование. В добавок, этот организм может вызвать заражение крови, что приводит к опасным для жизни заболеваниям, таким как сепсис. Приобретенная устойчивость бактерии к ряду антибиотиков сильно усложняет лечение. Интересно, но у S.epidermidis не так много генов, которые напрямую помогают в заражении хозяина. Вместо этого, бактерия полагается на генетические “уловки”, позволяющие ей проскользнуть мимо иммунной системы и совершить вторжение.

Как же эта бактерия превращается из безвредного организма в причину опасных инфекций?

Исследования доктора Лауры Кау и ее коллег продемонстрировали, что некоторые штаммы S.epidermidis производят большее количество фермента протеаза EcpA, чья активность приводит к повреждениям кожи и воспалениям (чтобы узнать больше о протеазе EcpA у S.epidermidis, читайте эту статью). В своем недавнем эксперименте, группа исследователей из Германии, Дании и Китая обнаружила, что штаммы S.epidermidis смогли перейти от комменсального к патогенному образу жизни с помощью сложной молекулы сахара, известной как RboP Wall Teichoic Acid (RboP-WTA). WTA довольно часто встречается у бактерий, и эта молекула имеет свойство протискиваться между пептидогликанами в стенках бактериальных клеток.

Расположение wall teichoic acid (WTA) в клеточной стенке бактерии. Изображение создано в Biorender

Предполагается, что эта молекула играет решающую роль в том, как бактерии поддерживают свою клеточную форму, контролируют внутренние процессы и взаимодействуют с хозяевами². Все штаммы S.epidermidis обладают WTA, но только патогенные штаммы имеют RboP-WTA. Исследователи показали, что наличие RboP-WTA изменяет не только механизм того, как S.epidermidis заражает своего хозяина, но также позволяет бактерии делиться своим генетическим материалом с Staphylococcus aureus. Присутствие S.aureus помогает S.epidermidis в переходе на вирулентный образ жизни.

Команда исследователей использовала клинические образцы пациентов, инфицированных S.epidermidis, чтобы выявить ключевые различия между безвредными и инфекционными штаммами. Они обнаружили, что патогенные штаммы S.epidermidis обладают двумя типами WTA: GroP-WTA и RboP-WTA. Непатогенные штаммы S.epidermidis имеют только GroP-WTA.

Типы WPA у безвредных и патогенных бактерий S.epidermidis. Изображение создано в Biorender

S.aureus также вырабатывает RboP-WTA, что свидетельствует о том, что RboP-WTA поддерживает и обеспечивает патогенный образ жизни S.epidermidis. Дальнейшие эксперименты показали, что RboP-WTA изменяет модель взаимодействия бактерии с хозяином и процесс колонизации. Согласно исследованию, связка S.epidermidis-RboP-WTA заставляет этот организм перевоплощаться в патоген и с легкостью инфицировать кровоток хозяина. Эта бактерия больше не является комменсальным штаммом, и теряет способность колонизировать эпителий хозяина.

Для выживания и развития, бактерии часто объединяют свои силы и устанавливают обмен генетической информацией. Поскольку S.aureus и патогенный штамм S.epidermidis вырабатывают RboP-WTA, авторы исследования хотели узнать, способны ли эти два вида обмениваться ДНК. Они обнаружили, что только штаммы S.epidermidis с RboP-WTA содержат группу генов, связанных с WTA, которые позволяют бактериям обмениваться ДНК с S.aureus. Комменсальные S.epidermidis не имеют ни такой группы генов, ни способности обмениваться генетической информацией с S.aureus. Ученые предполагают, что способность патогена обмениваться ДНК с S.aureus дает возможность S.epidermidis получить информацию о том, как лучше атаковать нового хозяина и противостоять лечению антибиотиками.

Такие исследования могут положить начало производству стафилококковых вакцин, нацеленных на распознавание RboP-WTA, которые не будут нарушать человеческую микрофлору. Это будет являться большим шагом в борьбе с устойчивыми к антибиотикам бактериальным патогенам.

Оригинальный источник: Du, X., Larsen, J., Li, M. et al. Staphylococcus epidermidis clones express Staphylococcus aureus-type wall teichoic acid to shift from a commensal to pathogen lifestyle. Nat Microbiol 6, 757–768 (2021).

Дополнительные источники:

Cau, Laura et al. “Staphylococcus epidermidis protease EcpA can be a deleterious component of the skin microbiome in atopic dermatitis.” The Journal of Allergy and Clinical Immunology vol. 147 (2021): P955-966. doi:10.1016/j.jaci.2020.06.024
Brown, Stephanie et al. “Wall teichoic acids of gram-positive bacteria.” Annual review of microbiology vol. 67 (2013): 313-36. doi:10.1146/annurev-micro-092412-155620

Featured image: Created with BioRender.

Перевод был сделан Марией Мартыновой