ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ, ФОРМИРУЮЩИЕ ЭПИДЕМИЧЕСКИ ОПАСНЫЙ ШТАММ ХОЛЕРНОГО ВИБРИОНА
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ, ФОРМИРУЮЩИЕ ЭПИДЕМИЧЕСКИ ОПАСНЫЙ ШТАММ ХОЛЕРНОГО ВИБРИОНА
Аннотация
В статье рассматриваются генетические механизмы, формирующие эпидемически опасный штамм холерного вибриона. Холера является серьезной проблемой общественного здравоохранения во многих развивающихся странах. Холерный вибрион постоянно эволюционирует, адаптируется к неблагоприятным условиям окружающей среды и в результате вспышек и растущей устойчивости к лекарственным препаратам появляются новые фенотипические и генотипические свойства. Быстрые изменения в эволюции бактерий происходят непрерывно благодаря горизонтальному переносу генов, из-за приобретения или потери геномных сегментов.
Приобретение в результате горизонтального переноса генов наиболее важных факторов вирулентности в патогенезе холеры, помогает патогену вызывать заболевание. В свою очередь, интенсивность, продолжительность и частота эпидемий холеры увеличиваются, что свидетельствует о необходимости более эффективных подходов к профилактике и борьбе. В этом отношении понимание эволюционных процессов, которые приводят к появлению пандемических клонов V. cholerae, может помочь в разработке новых методов борьбы с этим патогеном.
1. Введение
Холера является опасным для жизни инфекционным заболеванием , которое вызывает грамотрицательная бактерия, холерный вибрион (V. cholerae) . Описания болезни, которая, как считается, является холерой, встречаются еще в 5 веке до нашей эры, и она существовала на Индийском субконтиненте на протяжении веков. Традиционным очагом распространения холеры является дельта Ганга в Индии и Бангладеш . В 1817 году холера распространилась за пределы Индийского субконтинента, и в период с 1817 по 1923 год произошло шесть всемирных пандемий холеры , вызванных серогруппой O1 и унесших жизни миллионов людей по всему миру . На протяжении веков холера была одним из самых смертельно опасных заболеваний . В настоящее время она также остается значительной угрозой общественному здравоохранению во многих странах мира. В условиях ограниченных ресурсов она непропорционально сильно поражает тысячи бедных и уязвимых групп населения . Впервые выделил холерный вибрион в чистой культуре в ходе работы, которая началась в Египте и продолжилась в Калькутте, Индия в 1884 году Роберт Кох .
Холера является заболеванием, которое носит эндемический, эпидемический и пандемический характер . Зона, где холера является эндемичной, определяется как территория с подтвержденными случаями, выявленными за последние 3 года . Так, она эндемична в Азии, Латинской и Центральной Америке, а также в Африке к югу от Сахары . Холера исторически была эндемичной на азиатском субконтиненте (Индонезия, Индия, Бангладеш, Вьетнам, Таиланд, Пакистан, Непал и Ирак), но в настоящее время также в Африке (Южная Африка, Мозамбик, Ботсвана, Замбия, Сьерра-Леоне, Нигерия, Ангола, Демократическая Республика Конго, Йемен, Зимбабве, Объединенная Республика Танзания и Гвинея), Латинской Америке (Бразилия, Перу, Чили, Колумбия и Эквадор) и Карибском бассейне (Гаити, Куба и Доминиканская Республика) , .
Продолжающаяся сейчас седьмая пандемия холеры началась в Индонезии в 1961 году на острове Сулавеси и распространилась через Азию в Африку, Европу и Латинскую Америку. Эта пандемия вызвана новым биоваром V. cholerae, впервые выделенным в 1905 году в Эль Торе, Египет . В 1992 году появились новые токсигенные серогруппы, которые вызвали вспышки холеры в Индии и Бангладеш и распространились по всей Азии , . Распространение седьмой пандемии холеры на Американский континент было впервые задокументировано в Перу, которая затем быстро распространилась по Южной и Центральной Америке. С 1991 по 2002 год в регионе было зарегистрировано около 1,2 миллиона случаев заболевания .
По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), ежегодно во всем мире регистрируется от 1,4 до 4,0 миллионов случаев заболевания холерой и от 21 000 до 143 000 смертей от неё , , преимущественно в Азии и Африке, с периодическими крупными эпидемиями . После землетрясения на Гаити в октябре 2010 года в стране вспыхнула эпидемия холеры с которой, страна не сталкивалась более века , эпидемия затронула десятки тысяч человек и привела к гибели более 4000 , а с 2017 по 2018 год из-за урагана Мэтью была новая вспышка, и ВОЗ сообщила о 800 000 случаях холеры и примерно 10 000 смертей .
Также, по оценкам ВОЗ, в период с 27 апреля по 19 июня 2017 года было зарегистрировано 172 286 предполагаемых случаев заболевания, включая 1170 смертей . Вспышки биовара Эль Тор произошли в нескольких африканских странах с 1997 по 1999 год, с 2012 по 2014 год в Мозамбике и в 2010 году в Камеруне. Эпидемии штамма O139 были причиной инфекций среди пожилых людей в Пакистане в период с 1995 по 2010 год в Таиланде, и спорадически в Китае и Бангладеш .
С самой масштабной эпидемией холеры в 2016 году столкнулся Йемен, было зарегистрировано более 1,2 миллиона предполагаемых случаев заболевания и 3000 смертей . В свою очередь, с 2021 года наблюдается рост случаев заболевания холерой в Африке (Камеруне, Демократической Республике Конго, Эфиопии, Кении, Малави, Мозамбике, Нигерии, Южном Судане, Объединенной Республике Танзания, Зимбабве, Нигере, Бурунди и Сомали), а также на Ближнем Востоке (Сирии, Ливане, Йемене и Ираке) .
По состоянию на 2022 год во всём мире было зарегистрировано 495 433 случаев холеры, а наибольшее количество было зарегистрировано в Бангладеш, Афганистане, Индии, Филиппинах, Ираке и Непале , Пакистане , Ливане, где заболевание возникло впервые за 30 лет и Сирии .
Замена классического биовара на Эль Тор, появление серогруппы O139 и быстрое распространение устойчивых к антибиотикам штаммов указывают на непрерывную эволюцию V. choleraе . В связи с чем, в мае 2018 года на 71-й сессии Всемирной ассамблеи здравоохранения была принята резолюция «Ликвидация холеры: глобальная дорожная карта до 2030 года» для сокращения смертности от холеры на 90% и ликвидации эндемической холеры в 20 странах к 2030 году .
Целью работы был анализ публикаций, посвященных изучению генетических механизмов, формирующих эпидемически опасный штамм холерного вибриона.
В данном обзоре мы рассматривали статьи, поиск которых проводился в электронных базах данных PubMed, Web of Science, eLibrary.ru, Google Scholar. Для поиска использовались следующие ключевые слова: холерный вибрион, пандемия, штаммы, мобильные генетические элементы, вирулентность.
2. Результаты исследования
Уникальный генетический состав и удивительная жизнеспособность холерного вибриона являются ключевыми факторами, которые помогают возбудителю холеры быстро адаптироваться к неблагоприятным условиям окружающей среды и противостоять воздействию противомикробных препаратов . Горизонтальный перенос генов может вызывать быстрые изменения в эволюции бактерии , из-за приобретения или потери геномных сегментов её эволюция непрерывна . Так, около 5-10% от геномного содержания V. cholerae состоит из гибких генофондов, которые были приобретены в результате горизонтального переноса генов . Способность обмениваться генами внутри видов и между видами, обусловленная различными мобильными генетическими элементами (МГЭ), , посредством естественной трансформации , , конъюгации и трансдукции . Montero и соавт. отмечают, что основной движущей силой эволюции вирулентности V. cholerae является приобретение МГЭ, которые являются определяющим фактором генетического расхождения между штаммами, находящимися в окружающей среде и пандемическими.
Штаммы V. choleraе определяются структурой их О‐антигена липополисахарида , серологически классифицируемые более чем на 200 серогрупп , но только токсигенные штаммы серогрупп O1 и O139 способны продуцировать холерный токсин и являться причиной эпидемической и пандемической холеры во время эпидемий. Новая серогруппа V. cholerae, O139, появилась на Индийском субконтиненте (Бангладеш) в 1992 году и распространилась по всему азиатскому субконтиненту к середине 2000-х годов. В 2004 году в Азии и Африке был выделен еще один новый тип V. cholerae O1 в виде гибридного биотипа Эль Тор .
Таким образом, 99% случаев заболевания во всем мире вызваны серогруппой O1 . На основе биохимической структуры, V. cholerae O1 подразделяется на два биовара, классический и Эль Тор, а также, в последнее время, измененный биовар Эль Тор , . Классический биовар был распространен до 1960-х годов , вызвал шестую и, вероятно, более ранние пандемии холеры , но в период, предшествующий седьмой пандемии (1923-1961), сообщалось о некоторых спорадических вспышках, связанных с биоваром Эль Тор . Причиной продолжающейся седьмой пандемии холеры является биовар Эль Тор .
Каждый биовар дифференцируется на три серотипа , основанных на антигенных факторах : Огава, Инаба и редкий тип Хикодзима , они группируются в зависимости от статуса метилирования концевого перозаминового фрагмента липополисахарида. Штаммы Огава метилированы, штаммы Инаба неметилированы, а штаммы Хикодзима экспрессируют как метилированные, так и неметилированные O-антигены . Распространенность Огава и Инаба меняется со временем , они могут циркулировать одновременно во время эпидемий и способны переходить друг в друга, серотип Хикодзима встречается редко, и данные свидетельствуют о том, что это нестабильная переходная форма, которая возникает, когда штамм переходит из серотипа Огава в серотип Инаба .
Геном V. choleraе разделен на две кольцевые негомологичные хромосомы (chr1 и chr2) , содержащие более 3900 открытых рамок считывания , , . Niault и соавт. считают, что Chr2 была приобретена предком V. choleraе в качестве плазмиды и эволюционировала вместе с Chr1, биовар Эль Тор не содержит плазмид, что связано с наличием защитных систем, расположенных в двух геномных островах, которые делают плазмиды нестабильными и устраняют их из популяции.
Основным фактором вирулентости V. cholerae является выделяемый термолабильный экзотоксин на основе мультимерного белка типа AB , который состоит из одной субъединицы A и пяти идентичных субъединиц B . Субъединица B отвечает за связывание с рецептором ганглиозида GM1 на клетках кишечника и транслокацию холерного токсина в клетку, где субъединица A проникает в клетку, что способствует увеличению уровня циклического АМФ (цАМФ) и впоследствии приводит к секреторной диарее, которая вызывает сильное обезвоживание . Ген ctxA и ctxB, кодирующий субъединицу A и субъединицу B холерного токсина, является частью интегрированного генома нитчатого лизогенного профага CTXϕ .
Первый этап формирования патогенного варианта V. cholerae был связан с получением непатогенными вибрионами 01 серогруппы островов патогенности VPI (от Vibrio pathogeniciti island) . По мнению Chun и соавт. , диверсификация общего предшествующего штамма происходила под влиянием факторов окружающей среды посредством последовательного приобретения МГЭ, остров патогенности VPI-1 и VPI-2, которые повсеместно встречаются у штаммов шестой (классический биотип) и седьмой (биотип Эль Тор) пандемий. VPI-2 содержит ген нейраминидазы (nanH), усиливающего действие холерного токсина .
В свою очередь, Kumar и соавт. считают, что горизонтальная передача VPI-1 между различными штаммами V. cholerae не может происходить посредством конъюгации, бактерия может поглощать геномную ДНК, включая VPI-1, посредством трансформации.
VPI-1 кодирует токсинкорегулируемые пили (TCP от toxin-coregulated pilus), которые являются сновным фактором колонизации в желудочно-кишечном тракте и важны в патогенезе холеры . Кроме того, они функционируют как рецептор для бактериофага CTXφ , , несущего ген ctxAB и кодирующего ключевой фактор вирулентности холеры холерный токсин, и, следовательно, необходимого для эволюции патогенного V. cholerae , а также развития эпидемий и пандемий .
Следующим важнейшим этапом превращения нетоксигенного штамма V. choleraе в токсигенный, является приобретение CTXφ , . CTXφ и гены токсинов (ace, zot, ctxAB) играют важную роль в модуляции вирулентности и эволюции атипичных изолятов , .
Кодируемый VPI-1 TCP представляет собой гомополимер из нескольких субъединиц основного пиллингового белка TcpA. После выработки, TcpA перемещается на поверхность клетки и служит рецептором для CTXφ. Штаммы V. choleraе, не содержащие CTXφ или VPI-1, двух важных МГЭ, повсеместно присутствующих в токсигенных штаммах, являются нетоксигенными и не могут вызывать холеру , . Таким образом, необратимая интеграция CTXφ в хромосомную ДНК V. cholerae является одним из важных событий в эволюции холерного вибриона как патогена. Интегрированный CTXφ может инициировать непрерывную репликацию для производства новых вирионов и распространяться в других клетках V. cholerae .
Кроме этого, V. choleraе штаммы биотипа O1 Эль Тор приобрели профаги RS1 , ген которых rstC усиливает транскрипцию структурных генов ctxAB и два других острова, ассоциированных с островами пандемичности VSP-1 и VSP-2 (от Vibrio seventh pandemic island-1 и 2) , . Элемент RS1 находится рядом с профагом Эль Тор CTXφ, он похож, но не идентичен элементу RS2 профага . Однако считается, что RS1, VSP-1 и VSP-2 не являются предпосылкой для патогенеза холеры, но участвуют в приспособленности и устойчивости штаммов 7-й пандемии V. cholerae по сравнению с классическим штаммом серотипа O1 . Важно отметить, что, хотя VSP-2 существует в нескольких различных конфигурациях, многие из которых содержат большие делеции, недавнее исследование показало, что совокупная способность VSP-1 и VSP-2 островов защищаться от различных МГЭ сыграла ключевую роль в эволюции 7-го пандемического штамма, вероятно, способствуя вытеснению 6-го пандемического штамма, у которого отсутствуют эти механизмы, и, следовательно, его становлению как наиболее успешной линии пандемического V. choleraе на сегодняшний день .
Также происходил горизонтальный перенос генов между штаммами седьмой пандемии. В отличие от штаммов первой волны, штаммы второй и третьей волн содержат самопередающийся интегративный конъюгативный элемент, несущий несколько генов устойчивости к антибиотикам (SXT ICE) . SXT это мобильный элемент ДНК, принадлежащий к ICE, обладающий устойчивостью к лекарствам . Приобретение SXT ICE, вероятно, повлияло на переход популяции от штаммов первой волны к штаммам второй/третьей волн. Интересно, что штаммы O139, появившиеся в 1990-х годах, также содержат SXT ICE. Кроме того, штаммы 2 и 3 волны претерпели множество замен и мутаций CTXφ, что привело к появлению штаммов-вариантов Эль Тор . Атипичные штаммы, несмотря на их изменчивость генотипических и фенотипических признаков, больше похожи на штаммы Эль Тор, но содержат классический ген ctxB .
3. Заключение
Таким образом, холера, по-прежнему является серьезной проблемой общественного здравоохранения во многих развивающихся странах. Холерный вибрион постоянно эволюционирует, адаптируется к неблагоприятным условиям окружающей среды и в результате вспышек и растущей устойчивости к лекарственным препаратам появляются новые фенотипические и генотипические свойства. В свою очередь, быстрые изменения в эволюции бактерий происходят непрерывно благодаря горизонтальному переносу генов, из-за приобретения или потери геномных сегментов.
Приобретение в результате горизонтального переноса генов наиболее важных факторов вирулентности в патогенезе холеры, помогает патогену вызывать заболевание.
В свою очередь, интенсивность, продолжительность и частота эпидемий холеры увеличиваются, что свидетельствует о необходимости более эффективных подходов к профилактике и борьбе. В этом отношении понимание эволюционных процессов, которые приводят к появлению пандемических клонов V. cholerae, может помочь в разработке новых методов борьбы с этим патогеном.