Бактерии, имеющие важное клиническое значение, такие как Pseudomonas aeruginosa, могут становиться гипермутантами при потере репарации несоответствия ДНК и клинически коррелируют с высокими показателями множественной лекарственной устойчивости.
Дефицит репарации несоответствия ДНК (mismatch repair - MMR) приводит к гипермутации, или аномально высокой скорости мутаций, и создает последовательный паттерн мутаций во всех доменах жизни. Недавно была проведена экстракция сигнатур de novo из больших массивов бактериальных геномных данных и эти сигнатуры были ассоциированы с дефицитом MMR у некоторых видов бактерий, включая Pseudomonas aeruginosa.
MMR-дефицитные бактерии, характеризующиеся преимущественно инактивацией генов mutS или mutL, имеют большое клиническое значение в связи с их ассоциацией с множественной лекарственной резистентностью (MDR). Эта связь между дефицитом MMR и MDR была документирована главным образом у P. aeruginosa, выделенных из хронических респираторных инфекций у пациентов с бронхоэктазами, включая пациентов с муковисцидозом (МВ), смертельно опасным аутосомно-рецессивным заболеванием, которым страдают более 100 000 человек во всем мире.
Дефицит MMR наблюдается в 60% изолятов P. aeruginosa от пациентов с МВ (pwCF), а статистический анализ секвенированных лонгитюдных изолятов P. aeruginosa, собранных от pwCF, позволил предположить, что дефицит MMR является движущей силой приобретения MDR в организме хозяина. Дефицит MMR и MDR также наблюдались при инфекциях, не связанных с ХОБЛ, и их распространенность остается важным вопросом, на который нет ответа. In vitro P. aeruginosa с дефицитом MMR приобретает резистентность к одному антибиотику быстрее, чем дикий тип. Как именно дефицит MMR приводит к приобретению MDR и какова роль антибиотикотерапии в этом процессе до конца не ясно.
В данной работе мы стремились изучить, как дефицит MMR приводит к MDR, и выявить связь между мутационной сигнатурой, связанной с дефицитом MMR, и MDR. Мы провели in vitro адаптивную эволюцию лабораторных штаммов P. aeruginosa с дефицитом MMR путем воздействия различных антибиотиков с последующим секвенированием всего генома (WGS), чтобы охарактеризовать мутационную сигнатуру, приобретенную в отсутствие MMR. Затем мы проверили эволюционировавшие MMR-дефицитные P. aeruginosa на приобретение перекрестной резистентности к препаратам разных классов. Используя данные WGS из эволюционировавших линий, мы выявили предполагаемые механизмы лекарственной резистентности, которые впоследствии подтвердили с помощью структурного анализа.
Далее мы использовали этот же подход для изучения набора проспективно собранных клинических изолятов P. aeruginosa от pwCF и обнаружили, что анализ мутационных сигнатур успешно предсказывает статус MMR и будущее приобретение MDR в образцах пациентов. Наконец, мы дополнительно проверили предсказательную способность анализа мутационных сигнатур, используя две большие общедоступные коллекции изолятов P. aeruginosa от pwCF и три отдельных случая заболевания, чтобы прояснить широкий потенциальный вклад дефицита MMR в инфекции, не связанные с МВ.
В целом наша работа показывает, что WGS и анализ мутационных сигнатур могут быть использованы для выявления бактерий с дефицитом MMR, которые уже имеют MDR или быстро приобретут MDR. Такая быстрая идентификация должна помочь врачам в выборе потенциально эффективного прецизионного лечения, такого как рациональная комбинированная терапия, вместо того чтобы полагаться на эмпирическую терапию, которая потенциально может привести к дальнейшей резистентности.
В настоящее время не существует надежной диагностики для определения статуса MMR, а схемы целенаправленного лечения P. aeruginosa с дефицитом MMR еще не разработаны. Клинические приложения WGS, такие как метагеномное секвенирование следующего поколения, становятся широко доступными для чувствительной и надежной диагностики бактериальных инфекций, что создает основу для возможного клинического применения анализа мутационных сигнатур. Раннее выявление MMR-дефицитных инфекций с помощью WGS и анализа мутационных сигнатур может стать основой для прецизионной медицинской помощи, что приведет к улучшению результатов лечения пациентов.
Помимо P. aeruginosa, дефицит MMR наблюдается и у других видов ESKAPE (Enterococcus faecium, S. aureus, K. pneumoniae, A. baumannii, P. aeruginosa и Enterobacter spp.). Примечательно, что до 15% изолятов A. baumannii из отделений интенсивной терапии демонстрируют гипермутационный фенотип. Расширение масштабов данного исследования способно раскрыть более широкое влияние дефицита MMR на рост распространенности бактериальных MDR в клинических условиях и может выявить жизненно важную информацию, которая поможет справиться с этим глобальным кризисом здравоохранения. Кроме того, в будущем планируется охарактеризовать другие сигнатуры, связанные с альтернативными путями, потенциально связанными с клиническими фенотипами резистентности.
