Переключаемые участки ДНК помогают бактериям сопротивляться антибиотикам и встречаются чаще, чем считалось

Бактерии используют несколько известных механизмов для адаптации к изменяющейся среде, таких как мутации и обмен фрагментами ДНК. Менее изучен механизм, позволяющий бактериям подстраховаться от быстрых изменений среды, тонко регулируя использование определённых генов или путей метаболизма. Этот процесс известен как «фазовое варьирование».

Фазовое варьирование осуществляется с помощью уникального семейства бактериальных промоторов и других регуляторных фрагментов ДНК, называемых инвертонами. Эти элементы могут физически переворачиваться на 180° на месте. В «прямой» ориентации (относительно окружающей ДНК) они включают близлежащие гены; в «обратной» — гены выключены.

Команда исследователей из Broad Infectious Disease and Microbiome Program (IDMP), Массачусетской больницы общего профиля и MIT Center for Microbiome Informatics and Therapeutics (CMIT) сообщает в журнале Science, что:

  • Инвертоны широко распространены среди разнообразных бактерий, особенно у видов, обитающих в кишечнике человека.
  • Многие из них помогают бактериям регулировать взаимодействие с иммунной системой хозяина, контролируя, какие белки и молекулы отображаются на их поверхности.
  • Инвертоны, по-видимому, реагируют на окружающую среду. Например, анализ бактерий кишечника после трансплантаций микробиома показал, что многие инвертоны меняют ориентацию при колонизации нового реципиента.
  • Инвертоны регулируют гены устойчивости к антибиотикам, причём соотношение их положений «выкл»/«вкл» значительно меняется после воздействия лекарств.

Механизм устойчивости через инвертоны:

  1. В популяции бактерий инвертон, контролирующий ген устойчивости, находится в положении «выкл» у большинства клеток (такие гены часто влияют на жизненно важные функции, поэтому обычно они отключены).
  2. У небольшой доли клеток инвертон находится в положении «вкл», делая их устойчивыми.
  3. Воздействие антибиотика уничтожает основную популяцию, но эта небольшая устойчивая группа может восстановить её.
  4. После исчезновения антибиотика со временем инвертон снова переключается в положение «выкл» у большинства клеток.

Методология:

Исследователи проанализировали последовательности почти 55 000 бактериальных геномов из базы данных National Center for Biotechnology Information с помощью специального алгоритма PhaseFinder, ищущего характерные геномные признаки инвертонов, а также провели лабораторные исследования и взяли пробы бактерий у пациентов после трансплантации микробиома.

Результаты указывают на важную роль инвертонов в управлении сосуществованием бактерий и их хозяев и в потенциальном способствовании растущей волне антибиотикорезистентности, что требует дальнейшего углублённого изучения.