Разбираем мир микробиологии по кусочкам
Эволюция патогенного образа жизни грибков в организме человека
Говорят, что из миллиарда человеческих инфекций, вызванных грибковыми патогенами каждый год, более 300 миллионов человек страдают от серьезной грибковой инфекции с более чем 1,6 миллиона смертей во всем мире. Кроме того известно, что только 30 из 600 видов грибков регулярно заражают людей.
Несмотря на их неоспоримое присутствие в обществе, грибки, в отличие от вирусных и бактериальных инфекций, не так хорошо изучены. Артуро Касадеваль на семинаре в 2011 году заявил, что официально описано менее 10% из 1,5 миллиона предполагаемых видов грибков. На том же семинаре Дэвид Релман утвердил, что недостаточные знания о распространенности грибковой биогеографии отражает нашу «довольно плохую ситуационную осведомленность».
Обсуждая эволюционные аспекты патогенности грибков в человеческом организме, Антонис Рокас (2022) предполагает, что врожденная оппортунистическая природа грибков – это причина, по которой эти патогены могли так долго избегать внимания ученых. Получается, что каждый грибок в отдельности может быть воспринят как потенциальный патоген.
Что такое «грибковая патогенность», спросите вы? Что ж, Антонис определяет это как «результат сложных взаимодействий между патогенами, человеческим организмом и окружающей их средой».
Как наблюдалось за последние несколько десятилетий, грибковые патогены продемонстрировали множество уникальных механизмов, которые позволили им развить свою вирулентность и успешно выживать в организме человека. Развитые факторы вирулентности, безусловно, не сильно помогают в процессе определения причины заболевания и не являются уникальной характеристикой этих микроорганизмов. Однако предполагается, что эти факторы необходимы для выживания грибков в независимости от выбранного ими пути заражения. Тем не менее, такие эволюционные преимущества, по-прежнему, широко используются грибками для их роста и выживания.
Вот почему, утверждает он, «понимание вирулентности грибков требует понимания естественной истории, экологии и адаптации грибков, которые способствовали их успеху в естественной среде».
Предполагается, что основные грибковые патогены эволюционировали неоднократно и независимо от непатогенных видов в некоторых генетических линиях этих микроорганизмов. Такое явление часто называют конвергентной эволюцией, примером которой служат диморфные грибы (C. albicans, Histoplasma, Blastomyces и C. neoformans). Эти грибки могут переходить из мицелиально-нитчатого состояния в дрожжеподобное.
Грибковые человеческие патогены сильно различаются по своим методам адаптации к патогенному образу жизни. Повторяющаяся модель эволюции предполагает, что эти патогены развили определенные, предварительно адаптированные черты, которые позволяют им заражать человеческий организм. Грибок Aspergillus, вызывающий аспергиллез, многократно эволюционировал через формы грибков A. fumigatus и A.flavus. Почкующиеся дрожжи независимо эволюционировали по меньшей мере пять раз (!) в грибках Candida glabrata, Candida albicans и патогене Candida auris, который вызывает кандидоз.
Гены и признаки, способствующие различным формам патогенного поведения, встречаются на уровне рода, вида и даже штамма. Уровень штамма особенно интересен по двум причинам: эволюция и клиника. Понимание первого помогает определить генетические механизмы, лежащие в основе, а фокус на клинической значимости помогает связать вирулентность с устойчивостью к уже существующим противогрибковым препаратам. Штаммы C. albicans и, в частности, A. fumigatus известны своей обширной геномной и фенотипической гетерогенностью в отношении степени вирулентности и устойчивости к лекарственным препаратам.
Гены, влияющие на патогенную изменчивость, могут образоваться через крупные биологические изменения, которые влияют на огромные части или даже весь геном, или небольшие биологические изменения, затрагивающие отдельный участок генома. Крупные изменения могут возникать в результате гибридизации, изменения плоидности и/или движения транспозонов. С другой стороны, небольшие изменения включают в себя дупликацию или потерю генов, горизонтальный перенос генов, изменение количества копий и так далее. Очевидно, что любая вариация приводит к последующим изменениям, которые способствуют выживанию и процветанию грибков в человеческой системе.
Способность грибков заселять новые экологические ниши также подчеркивает их универсальность. Как только грибки попадают в организм человека, они сразу же приступают к адаптации, отклоняясь от своего естественного фенотипа. Грибковые инфекции могут возникать в результате зоонозных вспышек или спор в окружающей среде.
Экологические признаки, способствующие патогенезу грибков, включают в себя биогеографическое распространение, переносимость нормальной температуры тела, приспособляемость к различным уровням кислорода и так далее. Именно эти факторы отличают патогены от их не вирулентных собратьев, и помогают дальнейшему развитию патогенности.
Примечательный пример эволюционной патогенности был проиллюстрирован Патрисией Альбукерке и др. в 2019 году. По словам исследовательской группы, многократное взаимодействие грибков Paracoccidioides с хищными амебами увеличивало способность грибков заражать мышей и переносить атаки макрофагов в организмах млекопитающих. Это означает, что грибки нашли подходящий способ уклонения от основной линии защиты (макрофагов) в иммунной системе человека. Аналогичная тенденция наблюдалась у Cryptococcus, который при взаимодействии с амебой демонстрировал псевдо-гифальный рост, а не дрожжеподобный, с последующей устойчивостью к макрофагам. Эти два примера показывают, что при многократном контакте с естественными хищниками грибки успешно приспосабливаются, иногда даже ставя под угрозу свою вирулентность, чтобы иметь возможность процветать в организме хозяина.
Благодаря современным технологиям, генотипические и фенотипические вариации грибков теперь могут быть связаны с помощью различных аналитических методов, таких как филогенетические методы и полногеномные ассоциативные исследования. Вирулентные признаки также можно проанализировать с помощью генетических и молекулярных инструментов, таких как секвенирование генома.
Но мы до сих пор не знаем, в какой степени различные наблюдаемые фенотипы связаны с крупными изменениями в генотипе, и это создает проблему для более детального анализа метаболических путей и разработки вакцин от грибковых заболеваний и противогрибковых препаратов. Нам также еще предстоит изучить связь между естественной средой обитания грибков и человеческим организмом, так как становится очевидно, что некоторые грибки чувствуют себя одинаково хорошо в обеих средах обитания. Короче говоря, нам еще многое предстоит узнать об экологии и естественной истории грибков!
Зачем вообще изучать данные вопросы? Это нужно для понимания их естественной истории и эволюционной экологии, которые помогут нам понять, как связанные с болезнью признаки развивались независимо и повторяющимся образом с течением времени. Обнаружение и понимание этих инфекционных признаков и лежащих в их основе механизмов может позволить нам выработать стратегию прогнозирования появления грибковых патогенов и разработать лекарства для смягчения катастрофических последствий, а также для борьбы с условными патогенами. Изучение мира грибов и расшифровка их скрытых путей вирулентности действительно стоит того, согласны?
Перевод был сделан Марией Мартыновой
Оригинальная статья: Rokas, A. Evolution of the human pathogenic lifestyle in fungi. Nat Microbiol 7, 607–619 (2022). https://doi.org/10.1038/s41564-022-01112-0
Изображение: создано автором с помощью Biorender.com
micro-bites.org 