Бактерия-возбудитель пневмонии и менингита Streptococcus pneumoniae необычайно быстро эволюционирует, чтобы приспособиться к антибиотикам, которыми человек пытается ее травить, и к вакцинам, которыми пытается от нее защищаться. Насколько быстро, узнали ученые из Института Сенгера (Wellcome Trust Sanger Institute), которые отследили все генетические изменения, произошедшие с бактерией Streptococcus pneumoniae, начиная с 1984 года. Они получили такую возможность благодаря тому, что за эти 27 лет по всему миру собрана коллекция изолятов широко распространенного штамма бактерии (PMEN1). Устойчивость штамма к антибиотикам специалисты отмечают начиная с 70−х годов, когда антибиотики стали широко использоваться для лечения пневмонии.
Николас Краучер (Nicholas Croucher) и его коллеги секвенировали ДНК из 240 изолятов бактерии, собранных за 24 года, чтобы детально проследить эволюцию Streptococcus pneumoniae. Оказалось, за это время геном бактерии перестроился радикально. Перестройки происходят по двум механизмам.
Во-первых, вертикально: точечные мутации, возникающие в одной клетке путем деления от материнской клетки к дочерним. Во-вторых, горизонтально: клетки обмениваются фрагментами ДНК, происходит рекомбинация ДНК. «Различение событий двух этих типов – критический шаг к тому, чтобы проследить эволюционную историю штамма PMEN1, — говорит профессор Джулиан Паркхилл (Julian Parkhill). – Поскольку только мутации, передающиеся вертикальным путем – от бактерии к ее потомкам отражают эволюционное дерево». Построив эволюционное дерево, генетики установили, что штамм PMEN1 возник в Европе и затем многократно проникал в Америку и в Азию.
Исследователи подсчитали, что точечные мутации возникают у бактерии со скоростью примерно одна мутация в 15 недель.
Но «вертикальных мутаций» было бы недостаточно для того, чтобы бактерия приобрела такую устойчивость к антибиотикам. Ученые показали, что горизонтальный перенос затронул три четверти генома Streptococcus pneumoniae. Они также нашли «горячие точки» в геноме – участки, наиболее подверженные горизонтальной передаче генов. К ним относятся участки, кодирующие антигены – молекулы, вызывающие иммунный ответ организма на патогенную бактерию. Именно они наиболее склонны прихватывать чужие фрагменты и таким способом изменяться. Поэтому иммунные клетки вынуждены иметь дело с постоянно меняющимися мишенями. Из-за этого ранее работающие вакцины теряют свою эффективность. «Если иммунная система атакует какой-то антиген, бактерия просто изменяет его подобно тому, как преступник изменяет внешность, и остается неузнанной»,— объясняют ученые.
Они нашли доказательства более 700 случаев горизонтальной рекомбинации в антигенных участках.
Исследователи говорят, что устойчивость к антибиотикам зачастую вырабатывают разные штаммы бактерий путем одних и тех же изменений. Устойчивость же к вакцинам возникает, как правило, у одного штамма, и после этого он начинает доминировать над другими. Причем, как они предполагают, вариации, позволяющие бактерии избегнуть новой вакцины, имеются уже до того, как вакцина начинает применяться. Использование вакцины приводит носителей этих вариаций к процветанию.
Статья о путях выживания бактерий в борьбе с человеком опубликована в Science
