Pseudomonas aeruginosa широко распространена в природных и антропогенных средах и становится все более важным оппортунистическим патогеном человека.
Pseudomonas aeruginosa вызывает острые нозокомиальные инфекции легких, мягких тканей и системные инфекции, а также хронические легочные инфекции у людей с основными воспалительными заболеваниями легких, такими как хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ), муковисцидоз (МВ) и бронхоэктазы без ХОБЛ, при которых он вызывает повышенную заболеваемость и смертность. Устойчивость P. aeruginosa к антимикробным препаратам растет во всем мире, о чем свидетельствует ее включение в список патогенов ESKAPE Всемирной организации здравоохранения, и она является причиной >500 000 смертей в год.
Хотя люди часто приобретают P. aeruginosa из окружающей среды, передача инфекции от человека к человеку в больнице хорошо известна среди пациентов с МВ, что приводит к строгой сегрегации когорт и отдельных пациентов в клиниках, однако в других когортах пациентов этот риск не рассматривался. Тем не менее, эпидемические клоны P. aeruginosa были выявлены как в исследованиях инфекций, вызванных МВ, так и не вызванных МВ, что свидетельствует о наличии широко распространенных сетей передачи. При МВ эти эпидемические клоны, такие как эпидемический штамм Liverpool (LES), ассоциируются с ускоренным воспалительным поражением легких и худшими клиническими исходами, что свидетельствует о возможности их появления с повышенной вирулентностью в определенных группах пациентов.
Поэтому мы попытались понять патогенную эволюцию P. aeruginosa, определив, когда и как возникли и распространились эпидемические клоны, изучив, как они адаптировались к конкретным хозяевам и как внутрихозяинная эволюция повлияла на текущие модели передачи.
Результаты
Мы проанализировали глобальную коллекцию из 9829 изолятов P. aeruginosa и выявили 21 основной клон, которые мы назвали "эпидемическими". Эти эпидемические клоны вызывали большинство клинических инфекций, были широко распространены на филогенетическом древе и имели глобальное распространение. По нашим оценкам, эти эпидемические клоны возникли из предковых мест, распределенных по всему миру, а затем несинхронно распространились в период с конца XVII по конец XX века, что, возможно, было вызвано изменениями в плотности населения, миграционными процессами и/или загрязнением воздуха. Используя пангеномный анализ, мы выявили значительные различия между геномами эпидемических и спорадических изолятов в приобретении генов, участвующих в специфических клеточных процессах, таких как контроль транскрипции.
Мы обнаружили, что эпидемические клоны, по-видимому, имеют внутренние предпочтения в отношении индивидуумов с МВ или без МВ, и выявили четкую экспрессионную сигнатуру генов, положительно и отрицательно ассоциированных со сродством к МВ. Мы обнаружили, что клоны с высокой аффинностью к МВ лучше выживают в макрофагах пациентов с МВ, отчасти благодаря экспрессии модулятора DksA1, что позволяет предположить, что повышенная способность к уклонению от врожденного иммунитета хозяина может объяснить присущий определенным эпидемическим клонам успех в заражении пациентов с МВ.
Изучая историю мутаций отдельных клонов, чтобы понять, как эпидемические клоны P. aeruginosa адаптировались к человечу в ходе многочисленных раундов эволюции в организме пациентов, мы выявили 224 из 5641 гена, общее мутационное бремя которых было выше, чем предполагалось случайно, и которые мы назвали "патоадаптивными" генами. Мы обнаружили, что продукты этих патоадаптивных генов тесно взаимосвязаны, что указывает на их вероятную скоординированную функциональную роль. Многие гены чаще мутировали как в изолятах пациентов с МВ, так и в изолятах, не относящихся к МВ, что позволяет предположить, что в процессе адаптации к специфике хозяина изменяются различные функциональные программы.
Патоадаптивные гены часто ассоциировались с изменениями в трансмиссивности и/или адаптации к специфике хозяина. В подтверждение этой идеи мы обнаружили убедительные доказательства перекрестного инфицирования как между пациентами с МВ, так и между пациентами без МВ, но очень мало случаев передачи инфекции от МВ к пациентам без МВ.
Заключение
Полученные нами данные описывают основные последовательные этапы эволюции P. aeruginosa от экологического организма до одного из основных патогенов человека. Эти этапы включают эволюцию, вызванную горизонтальным переносом генов, порождающим эпидемические клоны, различное внутреннее сродство этих клонов к хозяину (связанное со специфическими транскрипционными изменениями, позволяющими выживать в макрофагах) и многочисленные раунды конвергентной, специфической для хозяина адаптации, в конечном итоге приводящие к потере способности передаваться между различными группами пациентов. Таким образом, наша работа подчеркивает важность глобального надзора и профилактики перекрестного инфицирования для предотвращения появления будущих эпидемических клонов.
