Все стафилококки обладают генами, кодирующими систему кворум-сенсинга (QS), которая обеспечивает изменение группового поведения и экспрессии генов в ответ на плотность клеток.
Эта межклеточная коммуникация играет важную роль в переходе от безвредного колонизатора кожи к инвазивному патогену и регулируется посредством секреции и детекции аутоиндуцирующих пептидов (AIP). Механизм QS, регулируемый AIP, кодируется хромосомным локусом, называемым регулятором вспомогательных генов (agr), который контролирует экспрессию генов, участвующих в образовании биопленок, адгезии к поверхности и производстве токсинов, а также белков Agr, участвующих в процессе QS.
Система agr была подробно изучена для S. aureus, но локусы agr обнаруживаются во всех стафилококках, причем каждый вид использует уникальный AIP в качестве сигнальной молекулы QS. Еще одной ключевой особенностью секреции AIP является интерференция QS с системами agr других видов стафилококков и группами специфичности agr внутри одного вида. Это явление было тщательно изучено для S. aureus и многие неродственные AIP действуют как мощные ингибиторы его системы QS. QS-интерференция менее изучена у других стафилококков; однако она может быть распространенным явлением в общих средах обитания стафилококков, приводя к изменению уровней экспрессии генов сосуществующих видов, чувствительных к ингибированию agr неродственными AIP.
Определить влияние интерференции QS на бактериальную микробиоту человека и животных, состоящую из множества видов, сложно из-за ее комплексной природы и множества взаимодействий, не связанных с QS. Тем не менее, в последних исследованиях основное внимание уделялось интерференции QS с S. aureus со стороны комменсальных стафилококков в контексте атопического дерматита и его лечения. Ранние клинические исследования показали благотворное влияние секретируемых ингибирующих AIP Staphylococcus hominis на исход атопического дерматита, вызванного S. aureus, в результате ингибирования QS. Это многообещающие результаты с точки зрения исследования стратегий противодействия вирулентности, основанных на ингибировании QS, в качестве альтернативы традиционному лечению антибиотиками или в качестве синергетических вариантов воздействия вместе с антибиотиками.
Разработка ингибиторов QS была и остается сосредоточена на AIP S. aureus и исследованиях их структурно-активных отношений, что позволило получить мощные ингибиторы самого S. aureus. Однако недавние разработки в области технологий идентификации AIP привели к значительному увеличению числа известных AIP, не относящихся к S. aureus и M. mammaliicum . Некоторые из этих AIP являются мощными ингибиторами QS S. aureus, демонстрируя эффективное in vivo ослабление инфекций, вызванных метициллинрезистентными штаммами S. aureus (MRSA).
Влияние неродственных AIP на системы agr, отличные от S. aureus, практически не изучалось, в том числе влияние распространенного колонизатора кожи S. epidermidis, несмотря на его обилие на коже человека. Роль S. epidermidis как симбионта многогранна, и недавние исследования даже показывают его полезную роль для хозяина, хотя в то же время он может вызывать инфекции, ассоциированные с медицинскими устройствами. В нескольких исследованиях были изучены модификации родственных AIP для создания активаторов и ингибиторов его системы agr. Аналогичным образом, было сообщено, что S. lugdunensis, комменсал кожи человека, вызывает тяжелый эндокардит, и влияние QS на его систему agr изучалось редко.
Таким образом, значительное увеличение числа недавно идентифицированных AIP в сочетании с недостаточным изучением их взаимодействий побудило нас к систематическому картированию взаимодействий QS всех известных AIP с восемью штаммами-репортерами agr трех терапевтически значимых видов: S. aureus, S. epidermidis и S. lugdunensis. Наша мотивация была двоякой: во-первых, создать определяющий набор данных о взаимодействиях QS в качестве ресурса для изучения тенденций между бактериальными видами в одной и той же среде обитания, а во-вторых, обнаружить мощные ингибирующие взаимодействия, особенно в отношении менее изученных систем agr S. epidermidis и S. lugdunensis.
В ходе данного исследования мы идентифицировали шесть рибосомно синтезированных и посттрансляционно модифицированных пептидов (RiPP) и с помощью химического синтеза собрали полную коллекцию AIP. В результате картирования было выявлено 280 взаимодействий QS, которые были разделены на стафилококки, ассоциированные с человеком, и стафилококки, ассоциированные с животными, что продемонстрировало существенные различия в ингибирующей активности между этими группами.
AIP видов Staphylococcus simulans, связанных с крупным рогатым скотом, продемонстрировали потенциал в качестве ингибиторов QS в отношении исследуемых штаммов и поэтому были выбраны в качестве отправной точки для исследования структурно-активных отношений. Это исследование дает представление о требованиях к интерференции QS, позволяя получить самые мощные ингибиторы, о которых сообщалось на сегодняшний день для S. epidermidis и S. lugdunensis. Кроме того, мы протестировали AIP S. simulans в качестве антивирулентного агента в тесте для оценки риска приобретенного подавления ингибирующего эффекта и разработали тест для успешного мониторинга деактивации agr вирулентного MRSA ингибитором QS. Наконец, было показано, что пептид ослабляет кожную инфекцию, вызванную MRSA, в модели на мышах.
Наши результаты раскрывают сложную сеть взаимодействий стафилококков и дают дополнительный импульс для исследования модуляции QS в борьбе с антибиотикорезистентными патогенами.
