Учёные из Сколтеха (группа ВЭБ.РФ) и их американские и китайские коллеги прояснили механизм, который позволяет гену устойчивости к антибиотикам закрепиться в бактерии Klebsiella pneumoniae. Полученные сведения могут помочь в борьбе с этой бактерией, которая встречается повсеместно, но при ослабленном иммунитете может вызывать у человека воспаление лёгких, менингит и другие инфекционные заболевания. Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Работа поддержана грантом РНФ.
Ранее китайские исследователи показали, что ген устойчивости к антибиотику достался бактерии от плазмиды. Так называются небольшие кольцевые фрагменты ДНК, которые способны к автономному распространению. Они могут переходить из клетки в клетку даже между бактериями разных видов. Поскольку плазмиды расходуют ресурсы клетки, иммунитет бактерий с ними борется. Плазмиды, в свою очередь, используют механизмы подавления иммунитета. Но иногда бактериям в конечном итоге оказывается выгодным такое вторжение: плазмида может нести в себе ценный ген и наделить им бактерию.
Так произошло в случае с антибиотикорезистентной Klebsiella pneumoniae. Хотя анализ ДНК микроба однозначно показывает, что он «оснащён» иммунной системой CRISPR-Cas, нацеленной против плазмиды с геном резистентности, бактериальный иммунитет бездействует. В итоге патоген пользуется защитой от антибиотика. Медиков такая ситуация не устраивает, и чтобы найти способ её изменить, могут пригодиться любые сведения о механизмах противостояния иммунных систем бактерий и плазмид. В частности, активно исследуются подавляющие бактериальный иммунитет биомолекулы, называемые анти-CRISPR белками. В Сколтехе такие исследования ведутся в Лаборатории анализа метагеномов Центра био- и медицинских технологий.
Заведующий лабораторией и старший преподаватель Сколтеха Артём Исаев, научный руководитель исследования, поделился его результатами: «Ранее наши китайские коллеги обнаружили связь между анти-CRISPR белком и частотой вспышек инфекции Klebsiella pneumoniae. Оказалось, что с помощью этого белка плазмида, несущая ген устойчивости к антибиотику, выключает иммунитет патогенной бактерии. Мы же в своём исследовании прояснили, как именно этот белок работает, и выяснили что это один из самых распространённых анти-CRISPR белков в природе. Мы также установили, что два анти-CRISPR белка — AcrIE9 и AcrIE10 — всегда ходят в паре, хотя механизмы их действия очень похожи. Зачем плазмидам перестраховываться и дублировать анти-CRISPR функцию, пока неясно».
«Также мы обнаружили новый анти-CRISPR белок, который может обладать необычным механизмом действия: вероятно, он воздействует на ДНК бактерии, а не на белки её иммунной системы CRISPR-Cas, — добавил учёный. — Готового рецепта для полного устранения плазмид устойчивости к антимикробным препаратам сейчас нет, но чем больше мы узнаём о взаимодействии плазмид и бактериального иммунитета, тем больше шансов повлиять на распространение генов антибиотикорезистентности».
Неожиданно, что своё открытие учёные сделали в эксперименте с другой бактерией. Лаборатория исследовала иммунную систему CRISPR-Cas в кишечной палочке. Эта система изучается уже более 20 лет, но зачем она нужна кишечной палочке, до сих пор неясно: в её клетке этот иммунитет не работает, и неизвестны условия, в которых он бы активировался. Учёные искусственно включили «спящую» иммунную систему лабораторного штамма кишечной палочки и проверили, будут ли анти-CRISPR белки, синтезируемые плазмидами и другими мобильными генетическими элементами, активны против этой системы. Среди полученных белков-кандидатов действительно обнаружились те, что подавляют бактериальный иммунитет.
«Хотя сами бактерии разные, мы поняли, что одна и та же плазмида может жить как в кишечной палочке, так и в Klebsiella pneumoniae, и одни и те же анти-CRISPR белки помогают плазмидам закрепиться, подавляя иммунный ответ бактерий, — поясняет Исаев. — Мы впервые показали анти-CRISPR активность против хорошо изученной системы CRISPR-Cas кишечной палочки, и это привело нас к систематическому анализу распределения анти-CRISPR белков, который показал, как легко они могут преодолевать границу между разными видами бактерий. Эти белки могут способствовать распространению коньюгативных плазмид, которые часто меняют поведение своих клеток-хозяев, как в примере с Klebsiella pneumoniae и вспышкой устойчивой к антибиотикам инфекции. При этом плазмиды кодируют целые панели таких анти-CRISPR белков, что может помогать плазмидам закрепляться в самых разных клетках».
По словам учёных, результаты исследования указывают на то, что медицинский мониторинг следует вести не только для известных генов антибиотикорезистентности, но и для антииммунных генов, тоже вносящих свой вклад в распространение инфекций. Задача будущих исследований — понять, как можно повлиять на этот процесс, ведь активация иммунных систем бактерий может помочь удалить гены антибиотикорезистентности из их популяций.
