Две системы защиты ДНК — причина устойчивости 7-й пандемии холеры

Холеру вызывает бактерия Vibrio cholerae, водный патоген, который заражает кишечник человека через загрязнённую воду и пищу. Попав в организм, V. cholerae колонизирует внутреннюю поверхность кишечника, вызывая водянистую диарею, которая без лечения может привести к сильному обезвоживанию и смерти.

Холера остаётся проблемой, особенно в менее развитых или охваченных кризисом регионах. По данным ВОЗ, текущая седьмая пандемия холеры ежегодно является причиной до четырёх миллионов случаев заражения и до 143 000 смертей.

Горизонтальный перенос генов

Лишь несколько штаммов V. cholerae способны вызывать пандемическое заболевание, в то время как большинство из них — безвредные водные организмы. Это связано с тем, что пандемические штаммы приобрели специализированные «наборы инструментов» из генов и других генетических элементов, называемых «островами патогенности», которые могут превратить бактерию в патоген.

Штаммы, вызывающие пандемии холеры, приобрели острова патогенности в процессе, известном как «горизонтальный перенос генов», посредством которого бактерии обмениваются генами как внутри вида, так и между видами. Горизонтальный перенос генов — мощный двигатель эволюции бактерий, так как он может быстро наделять их новыми способностями, помогающими адаптироваться и выживать. Но он также неразборчив и может передавать гены, которые бесполезны или даже вредны для нового хозяина.

Горизонтальный перенос генов часто связан с плазмидами — самовоспроизводящимися кольцевыми молекулами ДНК, встречающимися у бактерий и способными нести до сотен генов. Однако у штаммов V. cholerae, вызывающих текущую 7-ю пандемию холеры, плазмиды встречаются крайне редко, в то время как у родственных штаммов, выделенных из окружающей среды, а не от пациентов, плазмиды распространены широко.

Это удивительное явление привлекло внимание учёных из EPFL. «Мы хотели выяснить, почему плазмиды так редки в клоне 7-й пандемии V. cholerae, пролив свет на то, как эволюционируют бактериальные патогены», — говорит профессор Мелани Блокеш, руководившая исследованием вместе с Миленой Яскульской и Дэвидом У. Адамсом в Школе наук о жизни EPFL.

Две системы защиты ДНК

Сначала исследователи ввели небольшую модельную плазмиду в штаммы V. cholerae из 6-й и 7-й пандемий, а также в непандемические штаммы, выделенные из различных водоёмов. Затем они отслеживали стабильность плазмиды на протяжении многих поколений. Неожиданно модельная плазмида сохранялась во всех штаммах, но быстро элиминировалась из штаммов 7-й пандемии.

Воодушевлённые этим, учёные использовали методы генной инженерии, чтобы определить участки генома V. cholerae, ответственные за эту потерю. Этот подход привёл к открытию двух новых систем защиты, которые работают вместе для устранения плазмид и закодированы в двух различных островах патогенности.

Публикуя результаты в Nature, исследователи назвали системы «модулями защиты ДНК» (Ddm). Первый из них, DdmDE, состоит из двух белков, которые нацеливаются на малые плазмиды и разрушают их в процессе, которому помогает вторая система защиты, DdmABC.

Эта вторая система оказалась играющей гораздо более широкую роль в защите бактерий. Она не только может усиливать элиминацию малых плазмид, но и способна обратиться против клетки-хозяина, разрушая её ДНК и запуская форму клеточного самоубийства. По сути, DdmABC защищает бактериальную популяцию от вирусов, убивая заражённые клетки до того, как вирус успевает размножиться и распространиться.

Команда также обнаружила, что DdmABC нацеливается на крупные плазмиды, которые часто несут большие массивы генов устойчивости к антибиотикам и могут сохраняться, перескакивая от одной бактерии к другой, распространяя множественную лекарственную устойчивость. «Это открытие может объяснить, почему у недавних пандемических штаммов устойчивость к антибиотикам в основном интегрирована в их геном, а не находится на плазмидах», — говорит Блокеш.

«Совместная активность этих двух систем защиты решает давнюю загадку отсутствия плазмид у штаммов V. cholerae 7-й пандемии, — говорят исследователи. — Более того, наше открытие предполагает, что способность штаммов 7-й пандемии защищаться от мобильных генетических элементов, вероятно, сыграла ключевую роль в их эволюции и успехе».