Медленно растущие Mycobacterium tuberculosis долгое время озадачивали исследователей тем, как он развивает устойчивость к антибиотикам так быстро, в течение нескольких недель и месяцев.
Исследователи из Университета штата Сан-Диего обнаружили решающий фактор к разгадке: ответ может заключаться в эпигенетической области, а не в генетической, где большинство ученых сконцентрировали свои усилия.
Их открытие может помочь в продвижении новой диагностики, терапевтических средств и мишеней вакцин.
Эпигенетика - это изучение наследственных изменений в экспрессии генов, которые не влекут за собой соответствующего изменения основной последовательности ДНК, т.е. изменения фенотипа, но не генотипа. Это влияет только на физическую структуру ДНК, посредством процесса, называемого метилирование ДНК, при котором к молекуле ДНК добавляется химический "колпачок", предотвращающий или облегчающий экспрессию определенных генов.
Исследователи описывают обнаруженный феномен быстрого реагирования как "межклеточное мозаичное метилирование", процесс, с помощью которого Mycobacterium tuberculosis диверсифицируются, создавая многочисленные субпопуляции, каждая из которых имеет свой фенотип. В то время как антибиотики могут убить многие из этих субпопуляций мутантов, по крайней мере некоторые из них выживают и развивают лекарственную устойчивость.
"Мы считаем, что это также объясняет, почему диагностическое тестирование у некоторых пациентов не предсказывает неудачу в лечении, а также почему некоторые пациенты возвращаются спустя месяцы, когда болезнь возвращается в гораздо более резистентное состояние", - говорит Фарамарз Валафар, эксперт по туберкулезу Школы общественного здравоохранения Университета Сан-Диего, изучающий генетику и эпигенетику легочных заболеваний. "Именно поэтому компьютерная томография легких многих "излеченных" пациентов показывает поражения с возможной бактериальной активностью".
Во всем мире туберкулез входит в десятку основных причин смерти. По данным ВОЗ, в 2019 году от него умерли 1,4 миллиона человек, а ежегодно болеют около 10 миллионов человек.
Группа Валафара собрала сотни образцов лекарственно устойчивых штаммов бактерий у пациентов в Индии, Китае, на Филиппинах и в Южной Африке, а также в Европе, благодаря сотрудничеству с исследователями в области туберкулеза во всем мире.
Исследование было опубликовано в eLife в конце октября.
"Мы знаем на протяжении десятилетий, что эпигенетика бактерий может влиять на экспрессию определенных генов, что может привести к появлению различных фенотипов, даже если они имеют идентичные генотипы", - говорит Валафар. Антибиотикорезистентность, как правило, вызывается мутациями генома, но эта бактерия является одной из нескольких, которые используют альтернативные механизмы в эпигенетической области, чтобы обеспечить быструю адаптацию.
"Мы обнаружили, что у некоторых из них были мутации, которые привели к переменному метилированию ДНК, и эти штаммы имели гораздо большее разнообразие в эпигеномной области, и, таким образом, они обладали большим потенциалом лекарственной устойчивости", - добавляет Валафар.
Исследователи обнаружили отсутствие строгих закономерностей и метилирование было довольно случайным. Они использовали передовые сравнительные геномные и эпигенетические методы для выявления вариаций между клетками внутри колонии от одного изолята, от одного пациента - включая крошечные вариации, которые, тем не менее, повлияли на экспрессию генов. Им это удалось, потому что они не предполагали, что эталонный ген имеет общую структуру, а реконструировали каждый ген с нуля и проанализировали его эпигенетические признаки.
Теперь они сосредоточатся на тестировании ключевых генов, которые они идентифицировали с помощью метилирующих сигнатур. Еще многое предстоит сделать, прежде чем их открытие в конечном итоге может быть использовано для диагностики.
"В туберкулезе много резистентности, которая ускользает от современной молекулярной диагностики, и мы не знаем почему. Это проблематично, - сказал Валафар. "Это исследование предлагает новую область, новые инструменты и новый подход к поиску альтернативных механизмов". Мы отходим от классического взгляда на молекулярную диагностику и используем новый, комплексный подход к анализу бактерий". В современном стандарте лечения туберкулеза используются два типа антибиотиков - бактериостатики, которые предотвращают размножение бактерий, но не убивают их, и бактерициды, которые действительно убивают их. "Если мы сможем ингибировать механизм диверсификации, то сможем ингибировать кратковременную эпигенетическую устойчивость и убить бактерии до того, как мутации в геноме разовьются и вызовут долгосрочную генетическую устойчивость", - сказал Валафар.
