Совместная работа микробиологов, клиницистов и экспертов по эволюции бактерий показала, что со временем высокоадаптированные сообщества бактерий в пазухах людей с муковисцидозом (МВ) становятся более фрагментированными и подвергаются мутациям, которые разрушают их геномы.
Это открытие, бросающее вызов догмам, заставило ученых по-новому взглянуть на эволюцию микроорганизмов при хронических инфекциях. В статье, опубликованной в журнале Cell Reports, исследователи из Медицинской школы Питтсбургского университета сообщают, что размер и структура популяций Pseudomonas aeruginosa широко варьируют в синусах. Они обнаружили, что эта так называемая биогеография в месте инфекции оказывает фундаментальное влияние на эволюцию бактерий во время хронических инфекций.
"Давнее воззрение в области муковисцидоза утверждает, что инфекция каждого пациента рассказывает свою уникальную историю, и что Pseudomonas эволюционирует непредсказуемым образом", - говорит руководитель исследования Дженнифер Бомбергер. "Используя инструменты эволюционной биологии, мы показали, что эта сложная и громоздкая проблема может быть упрощена - эти бактерии следуют общим тенденциям, которые коренятся в эволюционной биологии, и изучение этих тенденций может помочь нам создать более эффективные вмешательства".
Муковисцидоз - неизлечимое генетическое заболевание, которым страдают десятки тысяч людей по всему миру и поскольку их иммунная система нарушена, пациенты с МВ также страдают от частых бактериальных и грибковых инфекций, которые сначала проникают в носовые пазухи, а затем распространяются в нижние дыхательные пути, где они сеют хаос и могут усугубить существующие проблемы с дыханием. Несмотря на то, что бактериальные инфекции ассоциируются с худшими исходами болезни у пациентов с МВ, врачи мало знают о том, как эти инфекции зарождаются.
"Пазухи - это как Дикий Запад", - говорит ведущий автор исследования Кэтрин Армбрустер. "Поразительно, как мало мы знаем об эволюции Pseudomonas в верхних дыхательных путях. Нет четкого руководства по лечению хронических инфекций пазух при муковисцидозе. Даже если эти инфекции синусов, вероятно, заносят бактерии в легкие, неясно, взаимодействуют ли эти две популяции и как".
Вдохновленные исследованиями древних взаимоотношений между бактериями и их хозяевами - насекомыми, ученые использовали передовые исследования генома и современные методы визуализации для анализа популяций P. aeruginosa, взятых из пазух пациентов с МВ. Их анализ показал, что эволюция P. aeruginosa проходит в два этапа. На патоадаптивной стадии бактерии образуют большое сообщество, в котором большинство сохраняющихся мутаций приносят адаптивную пользу. Но со временем, в ходе хронических инфекций, популяции бактерий могут накапливать не очень полезные мутации и фрагментироваться. Эволюция на этой стадии напоминает то, что происходит в бактериях, живущих симбиотически внутри насекомых, где генетический дрейф играет большую роль в этих небольших популяциях, и геномы бактерий начинают разрушаться.
Это понимание может сыграть важную роль в переосмыслении терапевтических подходов к лечению хронических бактериальных инфекций: вместо того чтобы ориентироваться на мутации "отвлекающего маневра", исследователи предлагают обратить внимание на мутации, вызванные сильнейшим эволюционным давлением, и на модели геномной адаптации и эрозии. "Геномы могут дать нам более полную картину истории бактериальных линий, бумов и спадов, через которые прошла популяция", - говорит Армбрустер.
"Возможно, пациенты с муковисцидозом не так уж и непохожи друг на друга в том, как развиваются их инфекции".
"Существует идея, что ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции", - добавляет она. "Но мы также можем перефразировать это утверждение: ничто в эволюции не имеет смысла, кроме как в свете размера и структуры популяции".
Catherine R. Armbruster et al. Адаптация и геномная эрозия во фрагментированных популяциях Pseudomonas aeruginosa в синусах людей с муковисцидозом (аннотация).
Известно, что Pseudomonas aeruginosa адаптируется к дыхательным путям людей с муковисцидозом (МВ), но как меняется биогеография очага инфекции и связанные с ней эволюционные процессы по мере развития пожизненной инфекции, остается неясным. В данном исследовании мы проверяем гипотезу о том, что ранние адаптации, способствующие агрегации, влияют на эволюционно-генетические траектории, изучая продольный анализ P. aeruginosa из пазух носа шести взрослых людей с МВ. Линии с высокой степенью адаптации к хозяину несли в себе генотипы мутаторов, демонстрирующие признаки ранней деградации генома, связанной с недавним ослаблением хозяина.
Используя передовой метод визуализации (MiPACT-HCR [microbial identification after passive clarity technique-идентификация микроорганизмов после пассивного метода определения четкости]), мы обнаружили, что структура популяции зависит от деградации генома, причем наиболее адаптированные к хозяину штаммы P. aeruginosa с деградированным геномом (мутаторы) обитают в небольших, редких агрегатах. Мы предполагаем, что после первоначальной адаптивной эволюции в более крупных популяциях в условиях сильного отбора на агрегацию, P. aeruginosa сохраняется в небольших, фрагментированных популяциях, которые испытывают более сильное влияние генетического дрейфа. Такие условия обогащают мутаторов и способствуют дегенеративной эволюции генома.
Наши результаты подчеркивают важность биогеографии очагов инфекции для эволюции патогена.
