Сравнение геномов бактерий, вызывающих лепру

Лепра — это хроническая инфекция кожи, периферических нервов, глаз и слизистой оболочки верхних дыхательных путей, поражающая более четверти миллиона человек во всем мире. Её симптомы могут быть ужасающими и разрушительными, поскольку бактерии снижают чувствительность в организме, что приводит к поражениям кожи, повреждению нервов и инвалидности. До недавнего времени лепру приписывали единственной бактерии Mycobacterium leprae; теперь есть подозрение, что её близкий родственник, Mycobacterium lepromatosis, может вызывать редкую, но тяжелую форму лепры. Ученые из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) впервые проанализировали полный геном M. lepromatosis и сравнили его с геномом основной бактерии, вызывающей лепру. Опубликованное в PNAS исследование раскрывает происхождение и эволюционную историю обеих бактерий и предлагает новое понимание их биологии, глобального распространения и, возможно, лечения.

Лепра может проявляться в различных формах, и все они считались вызванными бактерией M. leprae. Но в 2008 году исследование показало значительные доказательства того, что другой вид бактерий, M. lepromatosis, вызывает особую и агрессивную форму болезни, называемую «диффузной лепроматозной лепрой», встречающуюся в Мексике и странах Карибского бассейна.

Изучение генома M. lepromatosis

Лаборатория Стюарта Коула в Институте глобального здравоохранения EPFL провела полногеномное исследование M. lepromatosis. Поскольку M. lepromatosis нельзя культивировать в лаборатории, а животные модели для этой версии лепры пока не существуют, ученые использовали инфицированный образец кожи пациента из Мексики для получения генетического материала бактерии.

После извлечения ДНК из всего образца исследователям пришлось отделить бактериальную ДНК от человеческой. Для этого они использовали две генетические техники: одна увеличивала количество бактериальной ДНК, а другая уменьшала количество человеческой ДНК. Изолировав ДНК бактерии, исследователи смогли её секвенировать. Получив полную последовательность генома бактерии, они сравнили её с известным геномом M. leprae.

Исследование показало, что два вида бактерий очень тесно связаны. Сравнительный геномный анализ позволил «отследить» историю их генов и показал, что бактерии разошлись 13,9 миллиона лет назад от общего предка со сходной структурой генома и, возможно, образом жизни. Этот предок подвергся процессу «распада генов», когда в течение длительного времени и множества поколений большое количество генов мутировало, стало нефункциональным и в конечном итоге исчезло. Исследование показало, что два новых вида продолжали терять гены, но из разных областей своих геномов, что указывает на то, что в ходе эволюции они занимали разные биологические ниши и использовали разные механизмы для обеспечения выживания.

Команда Коула также провела исследование более двухсот образцов кожи пациентов с лепрой в Азии, Африке и Америке, чтобы определить географическое распространение M. lepromatosis. Результаты показали, что эта бактерия относительно редка и, по-видимому, ограничена пациентами в Мексике. В отличие от неё, основная бактерия, вызывающая лепру, M. leprae, широко распространена по всему миру.

Исследование также обнаружило, что M. lepromatosis сохранила гены, необходимые для инфицирования клеток нервной системы, называемых шванновскими клетками. Хотя инфицирование шванновских клеток является отличительной чертой лепры, вызываемой M. leprae, наличие родственных генов у M. lepromatosis означает, что эта бактерия также может атаковать эти клетки. Это станет яснее в будущих исследованиях, отчасти облегченных ресурсами, созданными в рамках этой работы.