Бактерии адаптируются к селективному давлению ближайшего окружения различными способами.
Один из механизмов включает в себя приобретение независимых мутаций, которые обеспечивают адаптацию путем конвергентной эволюции. Внекишечные патогенные Escherichia coli (ExPEC), принадлежащие к типу последовательности 95 (ST95), представляют собой глобальный клон, часто ассоциирующийся с тяжелыми инфекциями человека, включая острый пиелонефрит, сепсис и неонатальный менингит.
ExPEC - ведущий патоген человека, ответственный за ~80% всех инфекций мочевыводящих путей (ИМП) и ~25% всех инфекций кровотока. ExPEC также являются основной причиной менингита у недоношенных новорожденных и второй по частоте причиной неонатального менингита. Эти инфекции часто приводят к тяжелым последствиям: пиелонефрит сопровождается высокой морбидностью, 30-дневная смертность по всем причинам при инфекции кровотока, вызванной ExPEC, составляет ~16%, а неонатальный менингит приводит к смертности в 10-15% и неврологическим последствиям в 30-50% случаев в развитых странах. ExPEC также ассоциируются с растущей антибиотикорезистентностью, что усложняет лечение и увеличивает нашу зависимость от антибиотиков последнего ряда.
ExPEC включают в себя разнообразные штаммы из двух основных филогрупп (B2 и D) внутри вида E. coli. Несмотря на это, большинство штаммов ExPEC, вызывающих инфекцию у человека, принадлежат к небольшому числу глобально распространенных клонов, которые можно дифференцировать на основании их мультилокусного типа последовательности (ST), включая ST69, ST73, ST95 и ST131. ST95 является вторым по распространенности клоном ExPEC в мире после ST131 и включает штаммы, вызывающие инфекции как у людей, так и у животных.
Изоляты ST95 обычно обладают меньшим количеством приобретенных генов резистентности к антибиотикам по сравнению с другими глобальными клонами, такими как ST131, что позволяет предположить, что состав их генов вирулентности играет ключевую роль в колонизации, передаче и патогенезе. В рамках ST95 было определено несколько вирулентных серотипов, включая O1:K1:H7, O18:K1:H7 и O45:K1:H7. Штаммы этих серотипов продуцируют капсулу K1, состоящую из полисиаловой кислоты, и способствуют значительному числу тяжелых заболеваний, включая острый пиелонефрит, сепсис и неонатальный менингит.
Изоляты из клона ST95 обладают мозаичным набором факторов вирулентности, большинство из которых кодируются на горизонтально приобретенных геномных островах. К ним относятся гены, кодирующие различные типы фимбрий-шаперонов (например, фимбрии типа 1, P, S и F1C), токсины (например, гемолизин и цитотоксический некротизирующий фактор 1) и системы поглощения железа (например, сидерофоры и гем-связывающие белки).
ST95 также формируют биопленки, повышающие сопротивляемость инфекции, на что влияет образование внеклеточного матрикса (ВКМ), состоящего из амилоидных волокон и/или полисахарида целлюлозы, который модифицируется путем добавления фосфоэтаноламина (pEtN). Сложность ВКМ может варьироваться; некоторые ST95, такие как эталонный циститный штамм UTI89, продуцируют ВКМ, состоящий как из амилоидных волокон, так и из целлюлозы, в то время как другие штаммы ST95, такие как MS7163, продуцируют амилоидные волокна, но не целлюлозу.
Интригует тот факт, что производство амилоидных волокон, но не целлюлозы, связано с увеличением тяжести заболевания, примером чего могут служить штаммы MS7163 и S88 из вирулентного серотипа ST95 O45:K1:H7, вызывающего треть всех случаев неонатального менингита во Франции, и высоковирулентный штамм E. coli O104:H4, вызвавший вспышку заболевания, в результате которой в Германии в 2011 году было инфицировано около 4 000 человек и погибло 54 человека. Несмотря на это, влияние нарушения производства целлюлозы на патогенез E. coli и распространенность этого фенотипа остается невыясненным.
В данном исследовании мы использовали коллекцию из 613 общедоступных геномов для создания всеобъемлющей филогении ST95 без рекомбинаций, выявив восемь различных кладов и консервативный генотип капсулы K1. Поразительно, но мы обнаружили сильную сигнатуру нарушения производства целлюлозы и модификации pEtN в результате конвергентной эволюции и продемонстрировали, как этот фенотип обусловливает повышенную вирулентность в двух животных моделях инфекции - крысиной модели неонатального менингита и мышиной модели ИМП.
Мы показали, что неспособность производить целлюлозу значительно усиливает инвазивную инфекцию ST95 в крысиной модели неонатального менингита, что приводит к нарушению целостности кишечного барьера у новорожденных крыс и усиленному распространению в печень, селезенку и мозг. В соответствии с этими наблюдениями, нарушение производства целлюлозы в ST95 усиливало сигналы врожденного иммунитета и инфильтрацию тканей нейтрофилами в мышиной модели инфекции мочевыводящих путей. Мутации, нарушающие выработку целлюлозы, были также выявлены у других вирулентных ExPEC ST, Shigella и Salmonella, что позволяет предположить коррелятивную связь со многими энтеробактериями, вызывающими тяжелые инфекции человека.
В совокупности наши результаты дают объяснение появлению гипервирулентных клонов Enterobacteriaceae.
