Холера по-прежнему является проблемой, особенно в менее развитых регионах, по данным ВОЗ, продолжающаяся седьмая пандемия холеры по-прежнему вызывает до четырех миллионов случаев заражения и до 143 000 смертей ежегодно.
Только несколько штаммов V. cholerae могут вызвать пандемическое заболевание, большинство из них являются безвредными водными микроорганизмами. Это происходит потому, что пандемические штаммы приобрели специализированные "наборы инструментов" генов и других генетических элементов, называемых "островами патогенности", которые могут превратить бактерию в патоген.
Штаммы, вызывающие пандемии холеры, приобрели острова патогенности в результате процесса, известного как "горизонтальный перенос генов", при котором бактерии обмениваются генами как внутри вида, так и между видами. Горизонтальный перенос генов является мощной движущей силой эволюции бактерий, поскольку он может быстро наделить бактерии новыми способностями, которые помогают им адаптироваться и выжить. Но он также является неизбирательным, передавая гены, которые не нужны или даже вредны для их нового хозяина.
Горизонтальный перенос генов часто происходит с помощью плазмид - самовоспроизводящихся кольцевых фрагментов ДНК, которые встречаются у бактерий и могут нести до нескольких сотен генов. Однако штаммы V. cholerae, вызывающие продолжающуюся в настоящее время 7-ю пандемию холеры, редко несут плазмиды, в то время как плазмиды в изобилии присутствуют в родственных штаммах, выделенных из окружающей среды, но не от пациентов. Это удивительное явление привлекло внимание ученых, которые решили разобраться в нем. "Мы хотели выяснить, почему плазмиды так редки в 7-й пандемической кладе V. cholerae, пролить свет на то, как эволюционируют бактериальные патогены", - говорит профессор Мелани Блокеш, возглавлявшая исследование.
Сначала исследователи ввели небольшую модельную плазмиду в штаммы V. cholerae из 6-й и 7-й пандемий, а также в непандемические штаммы, выделенные из различных водоемов. Затем они отслеживали стабильность плазмиды на протяжении многих поколений. Удивительно, но модельная плазмида сохранялась во всех штаммах, но была быстро элиминирована из штаммов 7-й пандемии.
Воодушевленные, ученые использовали методы генной инженерии, чтобы определить части генома V. cholerae, ответственные за эту потерю. Этот подход привел к открытию двух новых защитных систем, которые работают вместе для уничтожения плазмид и кодируются в двух разных островах патогенности.
Исследователи назвали эти системы "защитными модулями ДНК" (Ddm) и описали их в журнале Nature. Первая из них, DdmDE, состоит из двух белков, которые нацелены на маленькие плазмиды и разрушают их, в чем им помогает вторая защитная система, DdmABC. Оказалось, что эта вторая система играет гораздо более широкую роль в защите бактерий. Она может не только усиливать уничтожение малых плазмид, но и действовать против клетки-хозяина, разрушая ее ДНК и вызывая форму клеточного самоубийства. По сути, DdmABC защищает бактериальную популяцию от вирусов, убивая инфицированные клетки до того, как вирус успеет реплицироваться и распространиться.
Авторы также обнаружили, что DdmABC нацелена на большие плазмиды, которые часто несут огромные массивы генов резистентности к антибиотикам и могут сохраняться, переходя от одной бактерии к другой, распространяя множественную лекарственную резистентность. "Этот вывод может объяснить, почему недавние пандемические штаммы в основном несут резистентность к антибиотикам, интегрированную в их геном, а не на плазмидах", - говорит Блокеш.
"Совместная активность этих двух защитных систем раскрывает давнюю загадку отсутствия плазмид в 7 пандемических штаммах V. cholerae", - говорят исследователи. "Более того, наше открытие позволяет предположить, что способность штаммов 7-й пандемии защищаться от мобильных генетических элементов, вероятно, сыграла ключевую роль в их эволюции и успехе".
