Геномика раскрывает, как конкуренция бактерий влияет на эффективность вакцинации

Крупное генетическое и модельное исследование Streptococcus pneumoniae позволило по-новому взглянуть на то, как недавно введенные вакцины устранили многие штаммы этого вида, и на разнообразные способы конкуренции оставшихся бактерий за возможность их заменить.

S. pneumoniae обычно обитает в задней части носовой полости, где не причиняет вреда. Однако, перемещаясь в другие части тела, она ежегодно вызывает тысячи случаев тяжелой пневмококковой инфекции в Великобритании и еще большее бремя болезней в странах с низким и средним уровнем дохода. Эти инфекции приводят к пневмонии, заражению крови или менингиту и наиболее распространены среди младенцев и пожилых людей. В ответ в Великобритании были введены две вакцины: 7-валентная в 2006 году и 13-валентная в 2010 году. С начала вакцинации детей заболеваемость пневмококковой инфекцией снизилась.

Через несколько лет после начала рутинной вакцинации многие штаммы S. pneumoniae, включая наиболее распространенные болезнетворные, были устранены. Однако бактерии не стали реже встречаться в своей безвредной среде обитания. Вместо этого целевые для вакцины штаммы были заменены другими, которые реже вызывают заболевания у детей. Новое исследование, опубликованное в Nature Ecology & Evolution, предлагает новое объяснение этому феномену.

В работе использовались три большие коллекции геномов, секвенированных в Институте Сенгера, для отслеживания эффектов вакцинации в Великобритании, США и Нидерландах. Вместо того чтобы изучать изменение распространенности отдельных штаммов, исследователи проанализировали частоты генов внутри высокоразнообразной популяции S. pneumoniae.

Хотя в разных локациях доминируют разные штаммы, данные полногеномного секвенирования показали, что все популяции S. pneumoniae были схожи по частотам генов. Это также подтвердилось при сравнении бактериальных популяций до начала программ вакцинации и через несколько лет после. Вычислительное моделирование показало, что это вряд ли произошло случайно.

Для точного изучения динамики частот генов исследователи использовали обширные генетические данные и новые математические методы для сравнения компьютерных симуляций с реальными данными. Новый алгоритм, разработанный Юккой Корандером из команды Института Сенгера, позволил проводить более точное моделирование и ускорил получение результатов с помощью таких моделей до 10 000 раз.

Результаты указывают на важность особого типа естественного отбора — отрицательной частотно-зависимой селекции, при которой гены дают больше преимуществ бактериям, когда они встречаются реже. Это может быть результатом конкуренции между штаммами бактерий, а детальный анализ геномных последовательностей указывает на множество способов, как это происходит. Например, клетки S. pneumoniae:

• Выделяют химические вещества, препятствующие росту других штаммов.
• Имеют разную восприимчивость к вирусным инфекциям.
• Используют разные стратегии для получения питательных веществ.
• По-разному распознаются иммунной системой человека.

Относительная важность этих различных процессов до сих пор плохо изучена.

Эта модель проливает новый свет на то, почему у некоторых бактерий такая сложная популяционная структура, которая затрудняет их полное устранение с помощью вакцинации. Авторы предполагают, что отрицательная частотно-зависимая селекция на уровне генов является общим механизмом для разных видов бактерий. Поскольку полногеномное секвенирование для эпидемиологического надзора становится более рутинным, такие исследования станут ценным фундаментом как для разработки более эффективных стратегий контроля, так и для более глубокого понимания их последствий.