«Молчащие» бактерии

Рассмотрите как изменение защитных свойств организма, так и изменение физиологии бактерий. В каких случаях, например, бактерия, которая раньше не производила токсин, может начать его производить?

1. Кожа — барьер, который не позволяет обитающим на ней или случайно попавшим на нее микроорганизмам проникать глубже. Если ее целостность нарушена, то бактерии получают шанс проникнуть внутрь организма, а бороться с ними придется уже иммунной системе. При большой площади повреждения кожи (например, при серьезных ожогах) иммунная система не всегда успевает сдерживать рост бактерий, и у человека может даже развиться сепсис.

2. Защитные свойства эпителия дыхательной и пищеварительной системы. Хотя этот барьер и состоит из живых клеток, у него есть дополнительные способы защиты (например, слизь, которая мешает микроорганизмам прикрепляться к клеткам) и шире, чем у кожи, спектр антимикробных веществ. Кроме того, под эпителием слизистых находится множество иммунных клеток, в том числе B-клетки, синтезирующие антитела. В первую очередь это иммуноглобулины A (IgA). Некоторые из них высокоаффины, то есть характеризуются высокой силой связывания со своим антигеном, некоторые нет. Высокоаффинные антитела прежде всего нейтрализуют токсины или патогенные микроорганизмы, а низкоаффинные антитела связываются с представителями нормальной микробиоты, хотя известны и исключения (см. обзор A. Cerutti et all, 2012. Immunoglobulin Responses at the Mucosal Interface).

Как и в случае кожи, эпителий сдерживает рост бактерий, и если он поврежден (например, из-за развития вирусной инфекции), то бактерии получают доступ туда, где их сдерживает только иммунная система. Это одна из причин того, что вирусные инфекции нередко осложняются бактериальными.

Даже если эпителий в порядке, заболевание может развиться на фоне недостаточно быстрой реакции иммунной системы. Если человек регулярно заболевает бактериальными синуситами или ангинами после переохлаждения, это может быть связано с тем, что на его слизистых живут условно-патогенные бактерии. От переохлаждения сосуды сужаются, доступ лимфоцитов к слизистым ухудшается, и иммунная система не успевает оперативно отреагировать на рост бактерий.

Плохое питание, в частности нехватка белка, тоже может способствовать развитию инфекции. Люди давно заметили, что активная форма туберкулёза чаще развивается на фоне социального неблагополучия. Точные причины этого изучают, конечно, на мышах (см. J. Chan et al., 1996. Effects of protein calorie malnutrition on tuberculosis in mice). Мыши на низкобелковой диете (2% белка) быстро погибали от туберкулёза, в отличие от мышей на диете с 20% белка. Оказалось, что их иммунные клетки в легких экспрессировали меньше важных защитных белков — интерферона-гамма (см. Interferon gamma) и фактора некроза опухоли. Палочка Коха обладает неприятной суперспособностью — когда ее поглощают макрофаги, она может избежать переваривания в лизосомах и поселиться в этих самых макрофагах. Вокруг макрофагов собираются CD4⁺-T-клетки, или T-хелперы, они синтезируют интерферон-гамма, который помогает макрофагам переварить бактерий. Но этот процесс не обязательно проходит до конца, часто он остается в некотором равновесии: микобактерии живут и делятся в вакуолях макрофагов, макрофаги переваривают их, но недостаточно быстро, Т-клетки поддерживают макрофаги. Так формируется гранулёма. Инфекция локализована, но при смещении хрупкого равновесия между иммунитетом и бактериями есть опасность ее распространения.

Подавление иммунитета могут вызывать вирусы. Самый известный такой вирус — ВИЧ. Без лечения организм теряет способность сопротивляться даже достаточно безобидным микроорганизмам.

Иногда — при пересадке органов, при аутоиммуных заболеваниях, при слишком сильной воспалительной реакции — нужно вмешаться в работу иммунитета противоспалительными лекарствами. Это могут быть глюкокортикоидные гормоны с достаточно общим действием или специфичные антитела, которые связываются с конкретными сигнальными молекулами иммунитета — например, антитела к интерлейкину-6. Ничего удивительного, что среди обычных осложнений от такого лечения — бактериальные инфекции.

3. Безопасная бактерия может стать очень опасной — для этого может быть достаточно всего одного гена, а прокариоты охотно ими обмениваются. Так, например, дифтерийный токсин кодируется одним геном tox. Этот ген переносится бактериофагом, который заражает коринебактерий и способен встраиваться в геном клетки-хозяина (см. Профаг).

Всего одна молекула дифтерийного токсина (см. Diphtheria toxin) способна убить клетку. Она проникает в нее путем эндоцитоза, расщепляется в кислой среде лизосомы, и в цитоплазму выходит субъединица токсина, которая полностью ломает синтез белка. Такой токсин быстро справится с барьерной функцией эпителия.

Не все штаммы дифтерийной коринебактерии, в которых обнаружен tox-ген, могут его производить. Иногда этому препятствуют мутации регуляторных областей или мутации самой кодирующей последовательности. Возможны и обратные мутации, хотя вероятность этого очень мала.

4. И наконец, о физиологии бактерий. Даже если бактерия умеет вызывать заболевание, она обычно не синтезирует необходимые для этого белки постоянно. Если небольшая группа бактериальных клеток начнет синтезировать токсины и другие факторы вирулентности и повредит расположенные рядом клетки колонизируемого организма, то ее быстро распознает и уничтожит иммунитет. Бактерия включает синтез факторов вирулентности только в определенных условиях. Одно из таких условий — это достижение некоторой плотности популяции. Бактерия измеряет эту плотность с помощью системы, известной как чувство кворума. О том, как работает эта система у светящихся бактерий, вы можете почитать в новости «Чувство кворума»: принятие коллективных решений в макро- и микромире («Элементы», 02.04.2009). В послесловии же речь пойдет о чувстве кворума у бактерий, которые вызывают заболевания.

Чувство кворума и синтез факторов вирулентности у бактерий

Систему принятия коллективных решений в мире микроорганизмов — «чувство кворума» — впервые обнаружили у люминесцентных бактерий Vibrio fisheri. Когда эти бактерии достигают определенной плотности популяции в органах, они начинают светиться. Рассказ одного из авторов этого открытия, Бонни Басслер, можно послушать здесь.

Суть этой системы в том, что каждая бактерия синтезирует некоторое вещество-сигнал, которое изменит экспрессию ее генов только при высокой концентрации — когда рядом много таких же, родственных, бактерий. Этот сигнал называют автоиндуктором (см. Autoinducer). У грамположительных и грамотрицательных бактерий организация этой системы немного разная (см. обзор S. T. Rutherford, B. L. Bassler, 2012. Bacterial Quorum Sensing: Its Role in Virulence and Possibilities for Its Control и схемы здесь). Автоиндукторы грамположительных бактерий — пептиды. Клетка выделяет их в окружающую среду, где они связываются с мембранным рецептором (иногда для этого нужны некоторые модификации, например разрезание автоиндуктора протеазой). Этот рецептор фосфорилирует фактор транскрипции, который запускает экспрессию некоторых генов. У грамотрицательных бактерий автоиндукторы — небольшие молекулы, которые свободно проходят через мембраны и сами связывают факторы транскрипции в цитоплазме.

Золотистый стафилококк относится к грамположительным бактериям. Он постоянно производит белки AgrB, AgrD, AgrC и AgrA (agr — от Accessory gene regulator), объединенные в один оперон. AgrD служит предшественником автоиндукторного пептида (AIP на схеме). AgrB режет AgrD, получая автоиндуктор, и выпускает его из клетки. AgrC — мембранный рецептор, если он связывается с автоиндуктором, то он фосфорилирует AgrA, фосфорилированный AgrA активирует P2- и P3-промотор (причем P2-промотор — это промотор agr оперона). Под промотором Р3 синтезируется своеобразная регуляторная РНК RNA III, она активирует продукцию белков — факторов вирулентности на посттранскрипционном уровне (то есть на уровне мРНК) и подавляет экспрессию гена rot — репрессора производства токсинов. Кроме того, под промотором P3 находится ген дельта-гемолизина — токсина, вызывающего перфорацию клеточных мембран хозяина.

Рис. 1. Система регуляции вирулентности золотистого стафилококка. Пояснения в тексте. Схема из статьи: S. T. Rutherford, B. L. Bassler, 2012. Bacterial Quorum Sensing: Its Role in Virulence and Possibilities for Its Control

Интересно, что у золотистого стафилококка известно целых четыре автоиндуктора, которые выделяются разными штаммами — и «чужой» автоиндуктор блокирует чувство кворума. Это означает, что, хотя на коже и слизистых может присутствовать несколько штаммов золотистого стафилококка, инфекцию вызывает только один из них (см. V. Fleming et al., 2006. Agr interference between clinical Staphylococcus aureus strains in an insect model of virulence).

Золотистый стафилококк легко приобретает устойчивость к антибиотикам (см. Метициллинрезистентный золотистый стафилококк). Один из возможных подходов лечения инфекций, вызванных устойчивыми к антибиотикам штаммами, — это вмешаться в коммуникацию бактерий, например создавая антитела к автоиндукторам (J. Park et al., 2007. Infection control by antibody disruption of bacterial quorum sensing signaling). Впрочем, у организмов-хозяев есть свой способ вносить помехи в коммуникацию бактерий: оказалось, что оксид азота (NO), который выделяют клетки иммунитета, реагирует с AgrA, мешая ему активировать промоторы, и что мыши, у которых нарушен синтез оксида азота, тяжелее болеют стафилококковой пневмонией (см. R. Urbano et al., 2018. Host Nitric Oxide Disrupts Microbial Cell-to-Cell Communication to Inhibit Staphylococcal Virulence).

У некоторых изученных бактерий системы регуляции по типу чувства кворума еще сложнее и включают в себя несколько «циклов» или подсистем. Так, у синегнойной палочки (Pseudomonas aeruginosa) описано четыре таких подсистемы (см. J. Lee, L. Zhang, 2015. The hierarchy quorum sensing network in Pseudomonas aeruginosa), и, конечно, на их работу влияют и другие факторы, кроме плотности популяции.

Необычно работает регуляция генов вирулентности у холерного вибриона. Оказывается, что они «включены» при низкой плотности популяции. В эксперименте с дрозофилами (L. Kamareddine et al., 2017. Activation of Vibrio cholerae quorum sensing promotes survival of an arthropod host) высокая плотность популяции приводила к тому, что бактерии переставали формировать биоплёнку (что, вероятно, способствует дальнейшему распространению холеры), а выживаемость хозяев повышалась.

А вот синтез дифтерийного токсина зависит прежде всего от содержания железа (см. N. C. Sharma et al., 2019. Diphtheria) . Именно содержание ионов железа является основным лимитирующим фактором для роста бактерий в нашем организме. Если железа хватает, то гены метаболизма железа, кодирующие всё необходимое для того, чтобы его получать, — например, сидерофоры (см. Siderophore), мембранные переносчики и сам дифтерийный токсин — не экспрессируются: их экспрессия подавлена dtxR-репрессором (diphtheria toxin repressor; см. Iron dependent repressor), связанным с ионом железа. При дефиците железа репрессор перестает работать, и дифтерийная палочка начинает добывать железо совершенно негуманным способом — убивая клетки организма, в котором она живет.