Грибковые инфекции представляют собой серьезную угрозу здоровью, поражая более миллиарда человек и вызывая около 1,5 миллиона смертей в год.
Проблема растет из-за недостаточного количества диагностических и терапевтических возможностей, увеличения числа восприимчивых пациентов, распространения патогенов, частично связанного с изменением климата, и тревожного роста резистентности к противогрибковым препаратам. Виды Candida являются одной из основных причин тяжелых внутрибольничных инфекций, что послужило основанием для классификации ВОЗ некоторых видов (Candida auris, Candida albicans, Candida glabrata, Candida tropicalis и Candida parapsilosis) как критических или высокоприоритетных целей.
Перспективной стратегией для совершенствования существующих методов лечения является понимание эволюционных механизмов адаптации к противогрибковым препаратам, а также к человеку-хозяину. Патогены Candida обладают высокодинамичными геномами (как в пределах вида, так и в пределах пациента), что, вероятно, лежит в основе этих адаптивных процессов.
Например, исследования эволюции in vitro позволили выявить геномные изменения, лежащие в основе лекарственной резистентности. Кроме того, анализ серии клинических изолятов, широкогеномные исследования ассоциаций (GWAS) и исследования популяционной геномики частично прояснили клиническую значимость механизмов резистентности. Аналогичным образом, эксперименты по направленной эволюции на мышах, анализ парных клинических изолятов и исследования популяционной геномики позволили изучить механизмы адаптации хозяина, связанные с вирулентностью, адгезией или филаментным ростом. Кроме того, в некоторых исследованиях использовались соотношения между несинонимичными и синонимичными вариациями (например, πN/πS) для определения признаков отбора, которые полезны для прогнозирования генов, участвующих в клинической адаптации, когда соответствующие фенотипы (например, чувствительность к препаратам или адгезия клеток у пациента) не поддаются измерению.
Однако наше понимание того, как виды Candida адаптируются в клинических условиях, ограничено по многим причинам. Во-первых, большинство клинических исследований включают малые объемы выборок и/или не содержат строгой статистической проверки ассоциаций между генотипами и адаптивными изменениями. Во-вторых, большинство исследований касаются только C. albicans, оставляя открытыми вопросы по другим видам. В-третьих, несмотря на важность структурных вариантов (делеции, дупликации, инверсии и/или транслокации), их вклад в клинически значимую адаптацию остается практически неизученным.
В-четвертых, сходство механизмов адаптации у разных видов остается неустановленным, поскольку большинство исследований посвящено только одному виду и использует различные методы. Это имеет ключевое значение для понимания эпидемиологии этих патогенов, а также для создания персонализированных стратегий лечения и профилактики. В-пятых, многие поисковые клинические исследования сосредоточены только на известных адаптивных механизмах (то есть на известных генах лекарственной резистентности), что означает, что могут существовать неизученные факторы. Наконец, в современных исследованиях отбора рассматриваются все варианты в пределах гена, что может отражать древнюю адаптацию, не связанную с клиникой. Возможно, важно анализировать только недавно появившиеся варианты, поскольку они с большей вероятностью отражают клинически значимое селективное давление.
Понимание адаптации патогенных микроорганизмов к человеку - давний вопрос, поскольку она лежит в основе вирулентности, госпитальной передачи и механизмов лекарственной устойчивости. Наши нынешние знания ограничены из-за недостаточного количества выборок, отсутствия многовидовых исследований, а также сосредоточенности исключительно на однонуклеотидных полиморфизмах (SNPs) и конкретных генах. Мы восполнили эти пробелы для шести основных видов Candida, проанализировав общедоступные геномы и фенотипы примерно 2 000 штаммов (в основном клинических). Наша коллекция представляет собой ценный ресурс благодаря беспрецедентному размеру, общей системе анализа для нескольких видов, учету сложных вариантов и доступности фенотипов. Это подчеркивает ценность депонирования геномных и клинических данных в публичных хранилищах, которые могут быть использованы для получения новых знаний.
Мы использовали полученные варианты для поиска генов, на которые повлиял недавний потенциально клинически значимый отбор. Мы обнаружили сотни затронутых семейств генов и путей, в основном видоспецифичных, что говорит о многофакторных адаптивных механизмах, отличающихся высокой вариативностью. Кроме того, мы предсказали новые консервативные адаптивные процессы, связанные с лекарственной резистентностью и функциями клеточной адгезии, которые являются интересными пангрибковыми терапевтическими мишенями.
Далее мы проанализировали варианты, гены и пути, связанные с клинической резистентностью ко всем основным противогрибковым препаратам у трех видов Candida. Помимо подтверждения причастности известных факторов резистентности, что подтверждает правильность нашего подхода, наши результаты выявили потенциальных новых игроков, связанных с адгезией, формированием биопленок и транскрипционной регуляцией. Эти новые механизмы включают гены, лежащие в основе перекрестной резистентности к нескольким препаратам одного вида, а также семейства генов, обусловливающих резистентность у нескольких видов.
Помимо общих тенденций, наш каталог селекционных признаков и движущих сил лекарственной резистентности ценен для подтверждения функций генов, полученных в результате неклинических исследований (например, генов лекарственной резистентности, предсказанных на основе эволюции in vitro). Наконец, наш анализ показывает важную роль обычно игнорируемых сложных генетических вариантов и предполагает неожиданное участие (пара)половой рекомбинации в распространении механизмов резистентности.
В целом, мы предлагаем новые идеи и ценные ресурсы, которые улучшают наше понимание селекции и лекарственной резистентности среди основных патогенов Candida. Наши выводы могут послужить руководством для будущих подтверждающих экспериментов, которые могут улучшить терапевтические и диагностические возможности.
