Некоторые бактериофаги (фаги) заражают своих бактериальных хозяев и вскоре после этого вызывают их разрыв, высвобождая множество новых фаговых частиц.
Другие фаги более сдержанны. Эти умеренные фаги вводят свою ДНК в бактериальную клетку, где она встраивается в геном хозяина. Интегрированные (лизогенизированные) формы этих вирусов, известные как профаги, могут обеспечивать полезные функции своих бактериальных хозяев и мирно передаваться от одного поколения к другому во время клеточного деления. Однако, если клетка-хозяин подвергается стрессу, профаги могут реактивироваться, продуцируя новые вирусные частицы и лизируя клетку. Профаги, по сути, малозаметны до тех пор, пока они не начинаю действовать. Но лизис бактериальных клеток - не единственный возможный исход в такие моменты. Ученые обнаружили, что когда внутри бактерии-хозяина существует множество профагов, способы их взаимодействия и конкуренции могут обеспечить уникальные (хотя и временные) преимущества подвергшейся стрессу клетке-хозяину. Эта динамика взаимодействия профагов в конечном счете имеет важные последствия для бактерий, фагов, а также для организмов и окружающей среды.
Источник: Silpe, J.E., et al/PLoS Pathogens, 2023, по лицензии CC BY 4.0.
Большинство бактерий содержат в своем геноме один или два профага (или более). В ходе анализа более 33 600 профагов из 13 713 геномов прокариот профаги были обнаружены в 75% изученных геномов, что подчеркивает их повсеместное распространение. Это значение может быть даже занижено — по мере того, как исследователи открывают новые типы фагов, они могут лучше предсказывать наличие профагов в бактериальных геномах.
Хотя принудительное вторжение в геном кажется вредным, профаги могут повысить приспособленность и выживаемость бактерий, привнося в клетку “дополнительные” гены/функции. Например, профаги содержат богатый набор генов устойчивости к антибиотикам, которые способствуют выживанию клеток в условиях антибиотического стресса, а также системы секреции, токсинов и генов уклонения от иммунитета, которые повышают вирулентный потенциал бактериальных патогенов. Опасные последствия холеры, дифтерии и ботулизма могут быть обусловлены факторами вирулентности, связанными с профагами. Профаги также кодируют системы защиты, которые препятствуют проникновению других фагов в организм хозяина. Это защищает клетку-хозяина и, как следствие, резидентных профагов.
Но такой мир хрупок. “В любой момент [профаги] могут удалить хромосому [и] использовать бактерии в качестве фабрики для производства большего количества инфекционных частиц. [Это] завершится гибелью и лизисом бактерии-хозяина, после чего фаг отправится на поиски нового, более подходящего хозяина”, - объясняет микробиолог Софи Хелейн. Основным фактором, приводящим к прекращению размножения профагов, является повреждение ДНК, которое указывает на нарушение бактериального генома. Повреждение может быть вызвано иммунными реакциями во время инфекции или приема антибиотиков. Другие факторы, такие как ограничение питательных веществ или конкуренция бактерий, также могут вызывать появление профагов. В любом случае, “у вас будет мирное, взаимовыгодное взаимодействие до тех пор, пока у бактерий не начнутся проблемы, и профаги не решат расстаться с ними”, - говорит Хелейн.
Так или иначе, но профаги сталкиваются с проблемой: ресурсы бактериальной клетки ограничены. Если в бактерии существует более 1 типа профагов, как это часто бывает, профаги должны конкурировать друг с другом, чтобы размножаться и двигаться дальше. Какие профаги преобладают и как они это делают, определяет не только судьбу фагов, но и судьбу бактерий, в которых они обитают. Лаборатория Хелейн изучала механизмы и динамику конкуренции профагов, используя штамм кишечного патогена Salmonella Typhimurium, который содержит 4 профага. Во время заражения сальмонелла часто находится в макрофагах, где она подвергается воздействию иммунных медиаторов и реакций, которые повреждают ее ДНК. Некоторые клетки могут расти в таких условиях, в то время как другие, испытывающие сильный стресс из—за интенсивного повреждения ДНК, образуют персистеры - временно не растущие бактерии, которые могут противостоять антибиотикам и иммунным реакциям, что затрудняет их уничтожение. Хелейн и коллеги показали, что сальмонелла, которую экспериментально избавили от профагов, лучше приживается в макрофагах по сравнению с бактериями дикого типа. Таким образом, макрофаги убивают бактерии не сами по себе - большую часть работы выполняют профаги.
Кроме того, активно растущие бактерии, выделенные из макрофагов, обладают значительно меньшей активацией профагов по сравнению с клетками-персистерами, в которых все 4 профага удаляются из хромосомы. Но профаги в персистерах реплицируются неравномерно. Один профаг, называемый ST64B, более успешен, чем другие. “Насколько мы понимаем, в устойчивых, но не в растущих бактериях индуцируются профаги, и они начинают размножаться, и [ST64B] имеет преимущество по сравнению с другими профагами”, - отметила Хелейн. Однако это преимущество не гарантирует лизис клеток. Эксперименты с использованием штаммов сальмонеллы, содержащих комбинации каждого из 4 профагов, показали, что бактерии, содержащие профаг, известный как Gifsy-1 (включая клетки дикого типа), лизировались в наименьшей степени, тогда как бактерии, не содержащие Gifsy-1, но несущие ST64B, лизировались в наибольшей степени. Оказалось, что Gifsy-1 блокирует литические циклы других профагов, особенно ST64B.
Gifsy-1 кодирует антифаговую систему (рибонуклеазный эффекторный модуль с АТФазой, ингибитором и нуклеазой, также известный как RemAIN), которая расщепляет тРНК в бактериальной клетке. тРНК служит важным связующим звеном между мРНК и растущими аминокислотными цепочками при производстве белка. Фрагментация тРНК, опосредованная остатками, включая те, которые связаны с активацией профагов, замедляет трансляцию в клетке и, как следствие, ингибирует репликацию профагов. Gifsy-1 не страдает от RemAIN по причинам, которые до сих пор неясны. Однако это означает, что система помогает Gifsy-1 продуцировать больше фаговых частиц, чем профагов-соседей. Это также указывает на то, что антифаговые системы защищают не только от вторгшихся фагов, но и от тех, которые уже поселились в микроорганизме. Недавно была идентифицирована другую антифаговая система, кодируемая Gifsy-1, под названием HepS, с аналогичным механизмом сохранения, что указывает на более общее явление в контексте конкуренции профагов.
В то время как активация профагов обычно приводит к гибели бактерий-хозяев, конкуренция между профагами может способствовать сохранению бактерий. “Эти профаги, когда они реактивируются, могут убивать некоторые бактерии в популяции. Но еще одна вещь, которую мы поняли, заключается в том, что они также реактивируются в некоторых бактериях, которые выживают [как персистеры], и они действительно вносят свой вклад в этот фенотип”, - отметила Хелейн. Клетки-персистеры обладают большей индукцией профагов по сравнению с нормально растущими клетками. Такие системы, как RemAIN и HepS, могут препятствовать завершению литического цикла значительной части профагов в клетках-персистерах, что снижает вероятность внезапной гибели клеток. Gifsy-1 по-прежнему убивает клетки, хотя и не все клетки, в которых он активируется, возможно, из-за дополнительных систем контроля профагов, которые еще предстоит идентифицировать. Хелейн также утверждает, что персистирующие клетки выживают после индукции профага, отчасти потому, что они менее чувствительны к замедлению трансляции, вызванному активностью RemAIN и HepS, по сравнению с фагом. Для проверки этой гипотезы требуются дополнительные исследования.
“Когда сальмонелла попадает в макрофаги, это вызывает стресс, потому что макрофаги атакуют бактерии”, - резюмирует Хелейн. “Теперь эти бактерии сталкиваются с еще одним уровнем сложности, который заключается в появлении профагов, которые также пытаются уничтожить бактерии. Но благодаря этой конкуренции между профагами, когда профаги активируются, они активируют противофаговые защитные системы, которые модифицируют бактерии и поддерживают их в таком состоянии жизнеспособности”. Эти результаты важны для понимания нюансов поведения бактерий, которые могут помочь определить, как лучше всего лечить хронические инфекции. Данные, полученные в лаборатории Хелейн, свидетельствуют о том, что аналогичная динамика наблюдается и у других бактерий, помимо сальмонелл, таких как псевдомонады и клебсиеллы.
В связи с этим важность изучения взаимодействий профаг-профаг и профаг-бактерия выходит за рамки внутренней среды макрофагов. Бактерии обитают в различных средах, образуя сложные, многовидовые сообщества. Хотя очевидно, что профаги влияют на физиологию бактерий, их роль в микробиоме, ассоциированном с хозяином, и в микробиоме окружающей среды, все еще не раскрыта. В ходе недавнего анализа 14 987 бактериальных геномов, выделенных из участков тела человека, ДНК профагов составила в среднем 1-5% от генома каждой бактерии, в зависимости от места выделения. Эти профаги могут индуцироваться в ответ на рацион питания, гормоны, иммунные реакции и другие факторы, повышающие устойчивость бактерий к стрессовым воздействиям окружающей среды или повышающие вирулентность или устойчивость к антибиотикам, что в совокупности оказывает влияние на здоровье хозяина.
Исследователи также обнаружили, что профаги формируют структуру и функции биопленки. Например, при лизисе клеток Streptococcus pneumoniae путем индукции профагами высвобождается внеклеточная ДНК, которая поддерживает формирование матрицы биопленки оставшейся популяцией. Картина, которая складывается из этих результатов, показывает, что профаги играют ключевую роль в том, как бактерии живут (и умирают). Хелейн отметила, что роль профагов в различных контекстах в значительной степени недооценена, но если текущие исследования и свидетельствуют о чем-то, так это о том, что в мире фагов стоит присматривать за "тихонями".
