Международная исследовательская группа под руководством Центра исследований инфекций Гельмгольца (HZI) обнаружила новую стратегию адаптации патогена человека Pseudomonas aeruginosa к своему хозяину. В журнале Proceedings of the National Academy of Sciences исследователи [демонстрируют](https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2415345122), что эпигенетические процессы могут приводить к появлению различных подгрупп внутри генетически идентичных популяций бактерий. Эта гетерогенность может быть ключом к успешной колонизации бактерий в организме хозяина.
Pseudomonas aeruginosa — мастер выживания
Pseudomonas aeruginosa процветает в почве и воде, а также в организме человека, особенно когда иммунная система ослаблена. В больницах P. aeruginosa является одним из самых опасных патогенов: она может инфицировать раны, хронически колонизировать лёгкие и часто устойчива ко многим антибиотикам. Рост её лекарственной устойчивости вызывает растущую обеспокоенность во всём мире.
Открытие нового механизма
Исследовательская группа Центра исследований инфекций Гельмгольца (HZI) обнаружила ранее неизвестный приём, используемый этой бактерией: P. aeruginosa может функционально организовываться различными способами в популяции идентичных клонов — как если бы это был не один микроорганизм, а сразу несколько. Эта диверсификация стала возможной благодаря механизму эпигенетической памяти, который сохраняет активность определённых генов в поколениях.
Профессор Сюзанна Хауслер, ведущий автор исследования и заведующая отделом молекулярной бактериологии в HZI и TWINCORE — Центре экспериментальных и клинических исследований инфекций, совместном учреждении HZI и Ганноверской медицинской школы, объясняет: «Наши результаты показывают, что P. aeruginosa сознательно полагается на разнообразие, что позволяет ей адаптироваться к меняющимся условиям в организме человека».
Анализ генов
Чтобы определить, какие бактериальные гены из почти 6 000 в геноме P. aeruginosa склонны к вариативности, исследователи проанализировали многочисленные профили экспрессии генов бактерий, выращенных в одинаковых условиях. Оказалось, что ген glpD, который кодирует фермент, участвующий в метаболизме глицерина, является одним из наиболее вариабельных по своей экспрессии. Это удивительно, учитывая, что в бактериальной чистой культуре каждая бактерия должна быть точной копией другой.
Используя [генетическую инженерию](https://phys.org/tags/genetic+engineering/), исследователи смогли показать поведение включения/выключения этого гена у отдельных бактерий в популяции: некоторые клетки экспрессируют этот ген на очень высоком уровне, в то время как большинство — нет. Исследователи определили, что эти различия возникают благодаря механизмам эпигенетического переключения и создают своего рода память, которая передаётся через несколько поколений.
Клиническое значение
Вариабельность экспрессии glpD во всей популяции имеет решающее значение для клинически значимого поведения. Бактерии с активной экспрессией glpD, например, демонстрируют повышенную продукцию токсинов и подвижность, а индивидуальная способность патогена взаимодействовать с иммунными клетками или уничтожать их также более выражена.
Бактерии со сниженной экспрессией glpD, напротив, ведут себя более осторожно. Это разнообразие в популяции может позволить патогену одновременно атаковать и уклоняться от иммунной системы — потенциально решающее преимущество на ранних стадиях [инфекции](https://phys.org/tags/infection/), гарантирующее выживание части популяции даже при внезапной атаке.
Доктор Николас Освальдо Триньер, учёный в отделе Хауслер, говорит: «Это разнообразие внутри клональной популяции — не слабость, а умная стратегия выживания. Оно позволяет патогену создавать клетки с индивидуальными задачами в своей популяции, что приводит к успешным инфекциям и выживанию бактерий в хозяине».
Методы исследования
Исследователи использовали передовые методы анализа отдельных клеток, живую микроскопию и математическое моделирование. Их результаты показывают, что такое внутрипопуляционное разнообразие может развиться даже из очень небольшого начального числа бактерий — например, когда всего несколько патогенов попадают в организм через рану или вдыхаются в лёгкие.
Исследование даёт новое представление о том, почему инфекции P. aeruginosa так трудно лечить и искоренять в долгосрочной перспективе. Традиционные антибиотики и иммунная система могут быть не в состоянии воздействовать на все функциональные подтипы в бактериальной популяции. Это может открыть новые возможности для разработки терапевтических методов.
В будущем такие эпигенетические механизмы, как обнаруженный здесь, могут стать мишенями для новых лекарств, специально разработанных для ограничения адаптивности патогена к выживанию у пациентов.
Предоставлено: [Ассоциация Гельмгольца немецких исследовательских центров](https://phys.org/partners/helmholtz-association-of-german-research-centres/)