Хотя резистентность к антибиотикам обычно считается стабильным признаком, обусловленным наличием генов резистентности, существует несколько исключений.
Так, иногда резистентность нестабильна и присутствует лишь в небольшой части основной популяции, что приводит к фенотипической гетерогенности. Поскольку такие бактерии присутствуют в небольших количествах, они часто остаются незамеченными при диагностике, но примение антибиотиков могут привести к неудачному лечению.
Гетерорезистентность является примером такой гетерогенности и широко наблюдается у различных видов бактерий и против нескольких клинически значимых классов антибиотиков, и считается одной из причин неудач в терапии. Гетерорезистентность определяется как фенотип, при котором основная восприимчивая популяция бактерий содержит небольшую субпопуляцию клеток (обычно с частотой от 10-7 до 10-4), которые значительно более резистентны к антибиотику, чем основная популяция.
Другой характерной особенностью гетерорезистентности является то, что резистентная субпопуляция является нестабильной и переходной. Механизмы, которые могут обеспечивать гетерорезистентность и вызывать нестабильность, делятся на две категории. Первый механизм включает в себя частые точечные мутации, и даже если эти мутации генетически стабильны, они часто несут в себе затраты на функционирование (в оригинале: затраты на фитнесс - fitness costs, прим.ред.). Эти затраты часто могут быть снижены компенсаторными мутациями, что обычно ассоциируется с потерей резистентности, что приводит к кажущейся нестабильности фенотипа.
Второй и наиболее распространенный механизм гетерорезистентности у грамотрицательных бактерий включает тандемную генную амплификацию генов резистентности, которые в одиночной копии недостаточно активны для придания им резистентности, но при амплификации до более высокого числа копий клетки становятся резистентными. Известно, что гетерорезистентность, опосредованная амплификацией генов, возникает с высокой частотой в результате гомологичной рекомбинации между непосредственно повторяющимися последовательностями (например, инсерционными последовательностями, оперонами рибосомальной РНК и транспозонами), которые фланкируют гены резистентности и присутствуют в хромосоме и/или плазмиде. В отсутствие отбора эти генные амплификации легко теряются, поскольку амплифицированные области могут быть удалены в результате неравного пересечения между последовательностями прямого повтора. Считается, что эта потеря и возврат к чувствительности обусловлены как механической скоростью потери, так и фитнесс-затратами, связанными с амплификацией.
Для того чтобы эти амплификации стабильно сохранялись в популяции в течение длительного времени, необходимо компенсировать фитнесс-затраты. Такие механизмы компенсации хорошо изучены для некоторых других типов мутаций антибиотикорезистентности и включают, например, внутри- и внегенные точечные мутации, которые восстанавливают функциональность нарушенной мишени (например, рибосомы, РНК-полимеразы и т.д.). Однако генетические механизмы, лежащие в основе компенсации в гетерорезистентных штаммах, опосредованных амплификацией генов, остаются неизвестными.
Учитывая динамическую природу и нестабильность генных амплификаций, компенсация затрат на жизнедеятельность может происходить несколькими различными путями, включая:
(i) перестройку амплифицированных областей, при которой делеции удаляют затратные гены в пределах амплифицированной области,
(ii) глушение затратных генов мутациями в генах, регулирующих затратные гены, или общее глушение H-NS-подобным белком, и
(iii) замену затратных амплификаций другими менее затратными мутациями, которые обходят необходимость в амплификациях высокого уровня.
Компенсаторные механизмы, снижающие затраты на жизнедеятельность, могут включать одну или несколько из вышеперечисленных возможностей.
В данном исследовании мы изучили, как компенсируются затраты на жизнедеятельность, связанные с амплификацией генов, у изолята трех видов бактерий, демонстрирующих гетерорезистентность к тобрамицину, гентамицину и тетрациклинам при возрастающих концентрациях антибиотиков, превышающих минимальную ингибирующую концентрацию (МИК) основной восприимчивой популяции. Это приводило к быстрому обогащению резистентных клеток с 80-кратным увеличением числа копий генов резистентности, увеличением МИК и резким снижением скорости роста.
При дальнейшем развитии в присутствии антибиотика эти штаммы приобретали компенсаторные мутации резистентности и демонстрировали снижение числа копий при сохранении высокого уровня резистентности. Детерминистская модель показала, что потеря амплифицированных единиц обусловлена в основном их фитнес-затратами, а компенсаторные мутации не влияют на скорость потери амплификаций генов.
Полученные нами результаты свидетельствуют о том, что гетерорезистентность, опосредованная изменением числа копий, может способствовать и предшествовать эволюции к стабильной резистентности.
