Парадигмы симбиозов протистов и бактерий, влияющих на здоровье человека: Acanthamoeba species и Trichomonas vaginalis (аннотация)Парадигмы симбиозов протистов и бактерий, влияющих на здоровье человека: Acanthamoeba species и Trichomonas vaginalis
С тех пор как в 1967 году Линн Маргулис опубликовала основополагающую статью, в которой выдвинула теорию эндосимбиотического происхождения органелл, изучение симбиотических отношений между одноклеточными эукариотами и прокариотами привлекает все большее внимание микробиологов и эволюционистов.
В то время как эволюционное значение эндосимбиотических ассоциаций у протистов возникло и интенсивно изучается, влияние этих отношений на здоровье человека учитывается редко. Микробные эндосимбиозы с участием эукариотических патогенов человека встречаются нечасто, а передающийся половым путем облигатный паразит Trichomonas vaginalis и свободно живущий оппортунистический патоген Acanthamoeba представляют собой два уникальных случая в этом отношении.
Причины этой особенности T. vaginalis и Acanthamoeba могут быть связаны с их образом жизни, характеризующимся богатой бактериями средой. Однако эта особенность не объясняет в полной мере причину того, что в одноклеточных эукариотических патогенах человека, кроме T. vaginalis и Acanthamoeba, до сих пор не обнаружен бактериальный эндосимбионт, хотя в прошлом сообщалось о редких и малоизученных примерах морфологической идентификации бактериоподобных микроорганизмов, связанных с Giardia и Entamoeba. В этой обзорной статье мы представляем совокупность экспериментальных доказательств, раскрывающих глубокое влияние этих примеров симбиоза протистов и бактерий на патогенез соответствующих видов микроорганизмов и, в конечном итоге, их воздействие на здоровье человека.
Отношения между протистами и бактериями были предметом многих эволюционных исследований, и в настоящее время существует общее понимание того, что эволюция протистов сильно зависит от присутствия бактерий. Например, горизонтальный перенос генов (ГПГ) - перенос генетического материала от бактерий к протистам - вносит значительный вклад в геномы протистов (López-García et al., 2017). Большинство этих исследований было посвящено экологическим протистам, где симбиоз между прокариотическими и протистовыми партнерами-хозяевами может быть классифицирован, в основном на основе трофических взаимодействий, как мутуалистический, комменсалистский или аменсалистский. Эндосимбиоз, существование одного организма внутри другого, не является редкостью среди протистов и бактерий. Действительно, эволюция этих отношений происходила отдельно во многих линиях и играет важную роль в адаптации обоих видов к новым экологическим нишам (Nowack and Melkonian, 2010; Wernegreen, 2012).
Однако менее понятна роль этих взаимодействий в отношении патогенных протистов. Подверженность этих патогенов воздействию потенциальных эндосимбионтов варьирует в зависимости от природы паразитизма протиста, будь то облигатный или оппортунистический, или от места заражения хозяина. Многие патогенные протисты заражают явно стерильные среды (кровь, центральная нервная система и мышечная ткань), но другие способны вторгаться в ткани органов, колонизированных миллиардами микроорганизмов (например, кишечный тракт, мочеполовой тракт). Взаимодействие протистов и бактерий в этих средах важно для понимания, поскольку оно может влиять на патогенез и иммунные реакции хозяина. Облигатные паразиты зависят от организма хозяина в плане выживания, поэтому их воздействие на потенциальных эндосимбионтов зависит от ниши, которую они используют в организме хозяина, в то время как оппортунистические паразитические протисты обычно свободно живут в окружающей среде, но могут случайно заразить человека.
В окружающей среде они сосуществуют в экологических нишах со многими другими микроорганизмами и часто способны вести хищнический образ жизни и убивать бактерии. Однако в некоторых случаях бактерии способны противостоять внутриклеточному уничтожению и перевариванию, устанавливая эндосимбиотические отношения и приводя к глубоким изменениям в образе жизни протистов. В то время как эволюционное значение эндосимбиотических ассоциаций среди протистов возникло и интенсивно изучается, влияние симбиотических отношений протистов и бактерий на здоровье человека редко принимается во внимание исследователями. Микробные эндосимбиозы с участием эукариотических патогенов человека встречаются нечасто, и в этом отношении два важных примера - передающаяся половым путем Trichomonas vaginalis и свободноживущий вид Acanthamoeba - представляют собой два интересных случая.
В этом обзоре мы сосредоточимся на биологии, эпидемиологии, патогенезе двух парадигматических примеров симбиозов между протистами и бактериями, которые имеют разный образ жизни, оппортунистический патоген и облигатный паразит, соответственно, и уникальным образом влияют на здоровье человека:
1. Множественные симбиотические отношения между бактериями и видами Acanthamoeba и развитие бактерий, устойчивых к амебам.
2. Уникальная ситуация, когда два облигатных патогена человека вовлечены в симбиотические отношения: T. vaginalis и бактерии Mycoplasma hominis.
До наступления эры -омики микробный патогенез был областью исследований, которая фокусировалась почти исключительно на взаимодействии отдельных патогенов с хозяином, как in vitro, так и in vivo, вместо того, чтобы учитывать, что животные-хозяева в каждый момент времени взаимодействуют со сложными микробными сообществами, микробиотой, состоящей из множества видов (вирусы, бактерии и археи, протисты и грибы), которые в свою очередь взаимодействуют между собой с рядом полезных и/или вредных последствий для хозяина. Недавно для отражения этих взаимодействий был введен термин "патобиом" для описания сценариев, в которых взаимодействие между несколькими видами микроорганизмов влияет на состояние здоровья хозяина (Bass et al., 2019).
Исторически взаимодействие видов Acanthamoeba с эндосимбиотическими бактериальными патогенами человека было хорошо охарактеризовано, и действительно роль Acanthamoeba как экологического резервуара для бактериальных патогенов, таких как L. pneumophila, а также как "биологического спортзала", где бактерии могли "тренироваться" и развивать внутриклеточные механизмы выживания, представляла собой уникальный подход в изучении микробной вирулентности, исследовании эндосимбиотических отношений и важных последствий их молекулярных и клеточных механизмов в патологии человека. В этом отношении симбиоз между Acanthamoeba spp. и бактериальными патогенами представлял собой единственный пример симбиоза между протистами и бактериями с последствиями для здоровья человека до обнаружения жизнеспособных и реплицирующихся M. hominis внутри T. vaginalis. В этой статье мы подробно рассматриваем влияние на патогенез этих двух парадигматических и уникальных симбиотических отношений протистов и бактерий.
Мы описываем и обсуждаем многие аспекты, связанные с этими двумя симбиозами, и ключевым общим фактором, возникающим в обоих примерах, является глубокое влияние на реакцию хозяина и вирулентность как протистов, так и бактерий. Однако многие открытые вопросы все еще требуют решения. Во-первых, многие исследования использовали Acanthamoeba в качестве модели для изучения фагоцитоза (Leoni Swart et al., 2018), а экспериментальная бактериальная инфекция Acanthamoeba может служить "тренировочной площадкой" для последующей инфекции клеток человека, причем некоторые бактерии часто становятся более патогенными после пассажа в культуре Acanthamoeba. Изучение молекулярных путей и стратегий, с помощью которых бактерии могут стать резистентными к амебам и противостоять фагоцитозу, может оказаться полезным для лечения патогенов, способных предотвратить уничтожение макрофагами.
Кроме того, вопрос о том, как Acanthamoeba способна выживать при этих бактериальных внутриклеточных инфекциях и последующем размножении, также заслуживает изучения для поиска новых потенциальных методов лечения. С клинической точки зрения, прямое влияние ко-патогенности Acanthamoeba/эндосимбионтов на клинический исход кератита, вызванного Acanthamoeba, является спорным: некоторые исследования показывают, что она усиливает патологию, в то время как другие не находят доказательств в пользу этого. Влияют ли коинфекции на иммунный ответ хозяина и вносят ли они вклад в клиническую вариабельность? Одним из возможных вариантов может быть явление ГПГ между Acanthamoeba и бактериями и между бактериями и другими эндосимбионтами: способствует ли ГПГ резистентности к лекарствам или вирулентности?
Традиционный исследовательский подход к изучению эффекта симбиоза Acanthamoeba/бактерий обычно учитывает взаимодействие с одним бактериальным патогеном. В данной обзорной статье мы обсудили также возможность того, что взаимодействие Acanthamoeba с несколькими микроорганизмами может приводить к различным клиническим исходам. Необходимо уделять больше внимания взаимодействию между несколькими бактериальными симбионтами, патогенными и непатогенными.
Симбиоз T. vaginalis/M. hominis оказывает влияние на ряд различных состояний здоровья, однако в некоторых аспектах требуется дальнейшее изучение. Прежде всего, необходимо ответить на несколько вопросов, связанных с влиянием симбиоза на иммунный ответ хозяина. Было показано, что M. hominis, по крайней мере in vitro, вызывает повышенный воспалительный ответ хозяина. Участвует ли симбиотически связанная M. hominis в ассоциированных с иммунитетом потенциальных последствиях трихомониаза, таких как повышенный риск заражения ВИЧ, а также рака простаты и шейки матки?
И T. vaginalis, и M. hominis могут создавать хронические инфекции. Это подразумевает многогранное взаимодействие с иммунитетом хозяина, особенно с врожденным иммунным ответом: необходимо изучить потенциальные механизмы иммунного уклонения, а также гипотетическое влияние симбиоза на такие механизмы. В качестве иллюстрации, недавняя идентификация и функциональная характеристика поверхностной нуклеазы M. hominis MHO_0730, потенциально вовлеченной в стратегии уклонения от NETs (нейтрофильных ловушек), обсуждавшиеся ранее, поднимают вопрос о том, могут ли симбиотически связанные M. hominis наделить этой способностью T. vaginalis. Более того, M. hominis может в значительной степени влиять на некоторые аспекты патогенетического действия T. vaginalis: вносит ли симбиоз вклад в широкий диапазон вариабельности клинических проявлений трихомониаза?
Интересно, что M. hominis может быть не единственной бактерией, устанавливающей симбиоз с T. vaginalis. Несколько лет назад метагеномный анализ микробиомов влагалища женщин, страдающих трихомониазом, в сравнении с контрольной популяцией привел к выявлению геномных последовательностей ранее неизвестного и неклассифицированного Mollicute. Реконструкция полной последовательности генома позволила описать ранее неизвестную Mycoplasma, хотя в настоящее время она все еще не культивируется: Candidatus M. girerdii. Примечательно, что ДНК M. girerdii можно было обнаружить только в T. vaginalis-положительных образцах из влагалища (Fettweis et al., 2014). Присутствие M. girerdii в популяциях больных трихомониазом было предметом лишь нескольких противоречивых исследований (Ioannidis et al., 2017; Masha et al., 2018; Jarrett et al., 2019), и его специфическая роль как нового эндосимбионта T. vaginalis и его потенциальное влияние на патогенез все еще остается неизученной областью исследований, заслуживающей большего внимания.
Аспект первостепенной важности, который возник как следствие многих результатов, касающихся патологических проявлений, в которых симбиозы протистов и бактерий играют определенную роль, заключается в том, что при клинической инфекции следует учитывать всю картину всех взаимодействующих видов микроорганизмов, потенциально вовлеченных в "патобиом", как при трихомониазе, так и при инфекции Acanthamoeba.
Действительно, колонизация хозяина одним протистом влечет за собой также приобретение бактериальных эндосимбионтов, которые могут присутствовать. Такой подход может способствовать повышению точности диагностики и эффективности лечения, открывая новые перспективы вмешательства и инфекционного контроля.
Важно отметить, что эволюционные последствия симбиотических отношений с бактериями, установленных Acanthamoeba и Trichomonas, также должны быть приняты во внимание: может ли эта строгая биологическая ассоциация хотя бы частично объясняться эволюционными преимуществами для симбионтов? Являются ли эти симбиозы все еще молодыми в эволюционном масштабе времени? Можем ли мы ожидать непредвиденного влияния эндосимбиозов на эволюцию многочисленных видов микроорганизмов?
