Секвенирование упускает ДНК, важную для болезнетворной силы бактерий

Секвенирование генома должно раскрывать полный генетический состав организма. Для специалистов по инфекционным болезням эта технология может использоваться для анализа болезнетворной бактерии, чтобы определить степень её опасности и устойчивость к антибиотикам. Однако новое исследование в Университете Рокфеллера показывает, что современные протоколы секвенирования упускают из виду важные фрагменты информации: изолированные кусочки ДНК, плавающие вне бактериальной хромосомы — ядра генетического материала клетки.

«Проводилось обширное секвенирование хромосомной ДНК для различных патогенных организмов, но эти последовательности не выявляют наличие элементов ДНК в цитоплазме клетки. В результате профиль ДНК патогенной бактерии может быть неполным», — говорит Винсент Фишетти, руководитель Лаборатории бактериального патогенеза и иммунологии. — «Мы разработали способ идентифицировать эти элементы».

Внехромосомная ДНК может включать заражающие бактерии вирусы (бактериофаги, или фаги) и нити самореплицирующейся ДНК (плазмиды), часто полученные от других бактерий. Эти фаги и плазмиды могут легко перемещаться между бактериальными клетками, и учёным давно известно, что эти так называемые мобильные генетические элементы могут играть важную роль в вирулентности и устойчивости к антибиотикам.

Данное исследование было сосредоточено на фагах. Их активность вне хромосом изучена плохо; большинство исследований было посвящено фагам, интегрированным в бактериальные хромосомы. В то же время плазмиды, позволяющие бактериям обмениваться генами, хорошо изучены.

«До сих пор никто не изучал различные штаммы бактерий, как мы это сделали с Staphylococcus aureus, чтобы найти эти внехромосомные фаги, которые потенциально могут играть важную роль в заболевании», — говорит Брайан Аттер, постдок в лаборатории и первый автор исследования, опубликованного 25 июня в PLoS ONE. Staphylococcus — распространённая бактерия, способная вызывать серьёзные или даже смертельные инфекции.

До сих пор анализ такого масштаба был невозможен, потому что хромосомная ДНК легко фрагментируется и загрязняет образец в процессе подготовки внехромосомной ДНК, делая её практически неидентифицируемой.

«Чтобы решить эту проблему, мы позаимствовали инструмент у самих фагов: ферменты, которые эти вирусы используют для разрушения заражённой клетки, чтобы высвободить своё потомство», — говорит Дуглас Дойч, аспирант лаборатории. Эти ферменты, на которых сосредоточено исследование лаборатории по разработке новых противомикробных средств, теперь используются для мягкого извлечения хромосомной ДНК, оставляя другие генетические элементы для анализа. Используя эту технику, они искали внехромосомные фаги в 24 клинически значимых штаммах стафилококков.

Внехромосомные фаги оказались широко распространены среди этих штаммов. Более того, исследователи обнаружили доказательства, что эти фаги кодируют гены, способные сделать бактерии более опасными.

Например, при полной расшифровке последовательности одного внехромосомного кольцевого фага от болезнетворного Staphylococcus они идентифицировали ряд генов, которые могут помочь этому штамму уклоняться от иммунной системы хозяина и которые могут легко распространяться на другие бактерии Staphylococcus. Исследователи теперь изучают, какую роль, если вообще играют, эти вирусные гены в способности этого штамма вызывать заболевание.

Последствия выходят за рамки патогенности. Фагные элементы, включая те, что не интегрированы в хромосомы, являются частью бактериальной системы регуляции генов. Например, некоторые из этих элементов могут активировать или «заглушать» бактериальные гены, перемещаясь в хромосому или из неё. В штаммах Staphylococcus исследователи обнаружили как временные элементы, так и те, что постоянно находятся вне хромосом.

«Изучая ДНК вне бактериальных хромосом, можно лучше понять динамику, с которой эти элементы могут мобилизоваться, тем самым контролируя микробные гены», — говорит Фишетти.