Новое исследование раскрывает эволюционный путь устойчивых к антибиотикам стрептококков
Несмотря на пенициллин и десятки последовавших за ним антибиотиков, бактерии Streptococcus pneumoniae остаются серьёзной угрозой здоровью во всём мире. Причина — выдающиеся эволюционные способности этого патогена быстро изменять свой генетический состав. В знаковой статье, опубликованной на этой неделе в Science, учёные из Рокфеллеровского университета и Института Сенгера использовали полное секвенирование генома, чтобы определить точные шаги в молекулярной эволюции S. pneumoniae. Их исследование показывает изменения, которые геном этой бактерии претерпел со временем и в ходе её массового географического распространения по миру.
По данным ВОЗ, смертельная пневмококковая болезнь — в основном среди детей из развивающихся стран — уносит около 4 миллионов жизней в год. Люди являются не только основной мишенью пневмококковой инфекции, но и представляют главный, а возможно, и единственный экологический резервуар на нашей планете для этого вида бактерий, колонизирующих носоглотку детей дошкольного возраста.
Исследователи под руководством Стивена Д. Бентли из Института Сенгера использовали высокоточное секвенирование генома клинических изолятов S. pneumoniae, предоставленных рядом сотрудничающих лабораторий, включая Лабораторию микробиологии и инфекционных заболеваний Рокфеллеровского университета под руководством Александра Томаша. Имея данные о дате, географическом месте и месте инфекции этих изолятов, учёные смогли создать «дорожную карту» эволюции одного из основных мультирезистентных клонов пневмококков, известного как клон PMEN-1, тип последовательности 81.
Учёные установили вероятную дату рождения (1970 год) и место рождения (Европа) этого чрезвычайно успешного мультирезистентного клона. Затем клон распространился в Южную и Северную Америку, Южную Африку и Азию. Присутствие этого клона в 12 больницах Нью-Йорка было продемонстрировано группой Томаша в 2001 году. Возможно, что ещё важнее, результаты свидетельствуют, что механизм генетических изменений у S. pneumoniae происходит в первую очередь не за счёт точечных мутаций, а чаще — в 88% случаев — за счёт генетической рекомбинации.
«Явление генетической трансформации, которое привело Освальда Эвери и его коллег из Рокфеллеровского университета в 1944 году к идентификации ДНК как генетического материала, — это именно тот процесс, который Streptococcus pneumoniae использует в ходе эволюции в своей реальной in vivo среде», — говорит Томаш.
Другие явления, впервые идентифицированные в лаборатории, также проявляются на этапах эволюции пневмококка in vivo. Например, по крайней мере некоторые из наблюдаемых среди клинических изолятов рекомбинационных изменений, по-видимому, используют систему «компетентности» — механизм захвата ДНК, индуцируемый специфическим бактериальным сигналом кворума, впервые обнаруженный Томашем и коллегами в лабораторных экспериментах. Кроме того, механизм устойчивости к пенициллину, впервые идентифицированный Томашем и коллегами в 1980-х годах как изменения в сродстве белков-мишеней пенициллина (пенициллин-связывающих белков, PBP), оказался связан с заимствованием генов у других бактерий — это ранее было задокументировано в исследованиях отдельных устойчивых к пенициллину изолятов.
«Пожалуй, самая увлекательная часть исследования — это описание того, как быстро этот клон отреагировал на масштабные in vivo вмешательства в клинической среде, такие как внедрение пенициллина и других антибиотиков и — совсем недавно — внедрение конъюгированных антипневмококковых вакцин», — говорит Томаш. — «Эти вакцины направлены против наиболее распространённых серотипов этой бактерии, которые переносятся в носоглотке детей и вызывают инвазивное заболевание».
«Это исследование также демонстрирует важность тесного сотрудничества между такими группами, как лаборатория Сенгера, обладающей опытом в высокоточном геномном анализе, и лабораториями, которые могут предоставить тщательно охарактеризованные коллекции бактериальных изолятов, такие как наша. Такой тип сотрудничества хорошо согласуется с традицией Рокфеллеровского университета заниматься исследованиями, сочетающими клиническую и трансляционную науку», — говорит Томаш. — «Такой союз молекулярной биологии и эпидемиологии обещает дальнейшие интересные открытия в механизме бактериальной эволюции in vivo. В конечном итоге это может позволить нам понять секрет успеха PMEN-1 — узнать, почему этот клон смог так широко распространиться, в то время как другие вымерли».