Главными факторами патогенности бактерий являются адгезины, капсула, токсины, ферменты агрессии и инвазии.
Часть из них кодируется непосредственно генами нуклеоида (например, капсула и ферменты у некоторых видов). Другая часть кодируется внехромосомными факторами наследственности – плазмидами и эписомами (см. выше). Плазмидные гены обычно определяют взаимодействие возбудителей с эпителием, а хромосомные – существование и размножение бактерий внеклеточно в органах и тканях.
Генетической основой для синтеза факторов вирулентности являются так называемые генетические «острова» или «островки» патогенности, а также гены особой системы клеточной секреции. «Острова патогенности» – нестабильные участки ДНК размерами до 200 тыс Да, обнаруживаемые только у патогенных бактерий. Они часто являются местом интеграции бактериофагов и подвижных элементов генома. Известны острова, несущие гены адгезинов, различного типа токсинов, генов лекарственной устойчивости и т. д. Система секреции, в свою очередь, определяет одноэтапный транспорт эффекторных молекул из цитоплазмы к поверхности бактериальной клетки к месту их контакта с чувствительными клетками макроорганизма. Эти молекулы изменяют белки поражаемых клеток.
Распространение и передача генов вирулентности среди бактерий осуществляется несколькими путями. Одним из важных способов является фаговая или лизогенная конверсия. В этом случае клетка становится вирулентной только при наличии в геноме профага, кодирующего факторы вирулентности (в первую очередь – токсины). Так, дифтерийный токсин выделяют только те коринебактерии, у которых имеются tox-гены, полученные от умеренного фага. Часть лизогенных штаммов E.coli образуют цитотоксин, напоминающий по действию классический токсин Shigella dysenteriae.
Одним из наиболее распространенных механизмов передачи генов патогенности является и передача плазмид при конъюгации.
Плазмиды, несущие данные гены, делят на плазмиды вирулентности и плазмиды устойчивости. Плазмиды вирулентности могут кодировать экзотоксины, адгезины или факторы инвазии.
Плазмиды устойчивости (R-плазмиды) передают информацию об устойчивости к антибиотикам и часто определяют множественную резистентность к лекарственным препаратам. Интегрированные опероны плазмид нередко содержат вместе гены антибиотикорезистентности и гены резистентности к тяжелым металлам.
Следует отметить, что возникающая и постоянно повышающаяся устойчивость микроорганизмов к применяемым лекарственным средствам стала одной из главных проблем современной химиотерапии. Штаммы бактерий, обладающие множественной устойчивостью к антибиотикам и антисептикам, определяют течение инфекционного процесса, особенно в госпитальных условиях. Примером здесь могут служить метициллин-резистентные штаммы золотистого стафилококка, нечувствительные к большинству применяемых антибиотиков.
У бактерий выделяют природную резистентность к лекарственным препаратам – генетически обусловленное отсутствие чувствительности микроорганизма к антибактериальным средствам (например, устойчивость вирусов к антибиотикам, грамотрицательных бактерий к пенициллину и т.п.) Приобретенная устойчивость возникает в результате мутации отдельных штаммов бактерий и селекции устойчивых клонов микроорганизмов или в результате обмена генетической информацией между отдельными бактериальными клетками.
Все эти процессы приводят к следующим фенотипическим проявлениям антибиотикоустойчивости:
Происходит превращение активной формы антибиотика в неактивную вследствие ферментативной инактивации или модификации (наиболее часто встречается выработка b- лактамаз и цефалоспориназ – фермента, разрушающегося b-лактамное кольцо пенициллинов, цефалоспоринов, монобактамов и карбапенемов;
Осуществляется блокирование специфических рецепторов для антибиотиков;
Утрачивается проницаемость клеточной стенки для данного препарата;
Изменяются структуры клеточных мишеней для антибиотика (например, пенициллинсвязывающих белков);
Нарушается система специфического транспорта данного химиопрепарата в бактериальную клетку;
У микроорганизмов может возникать альтернативный путь получения жизненно важного метаболита, заменяющего основной путь, блокированный препаратом.
Частота случаев антибиотикоустойчивости обусловлена двумя процессами: распространением генов, детерминирующих устойчивость, среди бактерий и распространением резистентных клонов бактерий среди восприимчивых организмов.
Образование устойчивых популяций микроорганизмов проходит через несколько этапов. Например, в результате спонтанной мутации возникают отдельные резистентные особи (или уже есть природно-устойчивые клоны) в бактериальной популяции (одна мутация на 105-107 микроорганизмов). Далее повышение количества резистентных особей происходит путем генетических рекомбинаций, на фоне действия антимикробного агента (искусственная селекция). Формирование лекарственно-устойчивых бактериальных популяций происходит и путем селекции за счет подавления роста чувствительных к препарату микроорганизмов (особенно при назначении низких доз антибиотика и частой смене препаратов). Завершается процесс распространением устойчивых штаммов от больных к больным и за счет носительства среди медперсонала.
5.10. Генетика вирусов
Геном вирусов содержит единственный тип нуклеиновой кислоты – либо ДНК, либо РНК. В свою очередь, нуклеиновая кислота вируса может находиться в одно- или двунитчатой форме.
В зависимости от типа его нуклеиновой кислоты репликация генома вируса, а также процесс транскрипции происходят различными путями.
ДНК-содержащие вирусы размножаются в ядре клеток. Для транскрипции они используют клеточную полимеразу (вирусы герпеса, аденовирусы).
Если ДНКовый вирус репродуцируется в цитоплазме (как вирус оспы), то транскрипция осуществляется его собственным ферментом.
Наиболее сложным циклом репликации вирусной ДНК обладают гепаднавирусы (типичный представитель – вирус гепатита В). При этом на матрице исходной вирусной ДНК в результате обратной транскрипции образуется кольцевая молекула РНК, с которой, в свою очередь, синтезируется одна («негативная») цепь молекулы ДНК. На ней, в свою очередь, происходит синтез комплементарной «позитивной» цепи вирусной ДНК.
Транскрипция вирусных генов регулируется взаимодействием специфических ДНК-связывающих белков с промоторными и энхансерными элементами вирусного генома. Промоторные элементы являются инициаторами транскрипции (например, нуклеотидная ТАТА-последовательность). Энхансеры усиливают транскрипцию. Эти элементы обладают сходной последовательностью нуклеотидов с соответствующими участками клетки-хозяина, что обеспечивает использование регуляторных факторов самой клетки для репликации вируса.
Более сложные вирусы обладают собственными факторами транскрипции. Первоначально транскрибируются матричные вирусные РНК, кодирующие неструктурные (ранние) вирусные белки. Обычно они представляют собой ферменты, участвующие в синтезе вирусной нуклеиновой кислоты. Активация поздних генов приводит к образованию структурных вирусных компонентов. Вирусные гены могут иметь в составе интронные некодирующие последовательности. После транскрипции они удаляются из мРНК (посттрансляционный процессинг и сплайсинг мРНК).
РНК-содержащие вирусы могут быть плюс-нитевыми и минус-нитевыми. В последнем случае с вирусной РНК не может напрямую осуществляться процесс трансляции.
У однонитчатых плюс-нитевых вирусов (пикорнавирусы, флавивирусы и др.) трансляция прямо осуществляется с исходной РНК.
У однонитчатых минус-нитевых вирусов происходит предварительный синтез смысловой комплементарной копии РНК. Для этой цели такие вирусы (ортомиксовирусы, парамиксовирусы, рабдовирусы и др.) обладают вируспецифическим ферментом – РНК-зависимой РНК-полимеразой (транскриптазой).
Существуют вирусы со смешанной «плюс-минус» последовательностью РНК (например, аренавирусы), у которых плюс-нитевые участки соседствуют с минус-нитевыми. Ранние вирусные белки у этих вирусов обычно транскрибируются с минус-нитевых участков.
При репликации РНК однонитчатых вирусов в клетке образуются промежуточные структуры, состоящие из двух цепочек РНК. Такие образования встречаются только в клетках, зараженных вирусом.
У двунитчатых РНКовых вирусов (к ним относятся вирусы семейства Reoviridae) плюс-нить не транскрибируется, и в жизненном цикле вируса используется минус-цепь РНК, как у остальных минус-нитевых вирусов.
Наиболее сложен цикл у представителей семейства Retroviridae. Они обладают плюс-нитевым вирусным геномом. Тем не менее генетическая информация первоначально переписывается на ДНК, т.е. по РНК вируса образуется комплементарная цепь ДНК. Этот процесс возможен из-за наличия вирусспецифической РНК-зависимой ДНК полимеразы (обратной транскриптазы, ревертазы). Образующаяся ДНК интегрирует с геномом клетки. Транскрипцию встроенной ДНК обеспечивают клеточные РНК-полимеразы.
Как и бактерии, вирусы подвергаются генотипической (мутационной, рекомбинационной) и фенотипической изменчивости.
Вирусные мутации, возникающие в естественных условиях, обычно связаны с неточным действием вирусных полимераз. Частота мутаций у ДНК-содержащих вирусов ниже, чем у РНК-содержащих.
При генетической рекомбинации вирусов может быть обмен полными генами (межгенная рекомбинация), или участками одного и того же гена (внутригенная рекомбинация).
При заражении клетки одновременно несколькими вирусами возможны различные виды взаимодействия – множественная реактивация, перекрестная реактивация, рекомбинация, пересортировка генов, гетерозиготность. При взаимодействии на уровне продуктов генов (т.е. фенотипических проявлений) возникают негенетические взаимодействия: комплементация, фенотипическое смешивание.
Одним из видов рекомбинации является пересортировка (реассортация) генов. Она наблюдается при генетических перестройках у вирусов, имеющих сегментированный геном. Например, рекомбинантов вируса гриппа получают при совместном культивировании вирусов, обладающих разными генами гемагглютинина и нейраминидазы. В этом случае происходит быстрое изменение свойств образующегося нового вируса и возникает новый тип вируса. Такой вариант получил еще название «генный шифт» (сдвиг), в отличие от «генного дрейфа» – медленного изменения вирусных свойств из-за точечного мутационного процесса.
Множественная реактивация возникает при заражении клетки несколькими вирусами с дефектными геномами. Если эти повреждения генома различны у разных вирусов, то вирус может репродуцироваться. Это связано с тем, что вирусы с поражением разных генов дополняют друг друга за счет рекомбинации геномов. Результатом этого является продукция жизнеспособного вируса.
Перекрестная реактивация(кросс-реактивация) возникает тогда, когда клетку заражают два вируса, один из которых имеет дефектный геном, а у другого генотип не поврежден. При смешанной инфекции двумя подобными вирусами возникает рекомбинация уцелевших участков генома поврежденного вируса с геномом полноценного вируса; в результате этого появляются вирионы со свойствами обоих родителей.
Гетерозиготность – это формирование вирусов, содержащих в своем составе два разных генома или один полный геном и часть второго. Такой процесс может происходить при совместном культивировании двух штаммов вируса. В свою очередь, у двухцепочечных вирусов (например, у представителей семейства Retroviridae) гетерозиготность представляет собой рядовое явление, такие вирусы могут быть гетерозиготными по большинству маркеров.
Комплементация представляет собой вид фенотипического взаимодействия. Она не меняет генотипы вирусов при совместном их культивировании, однако один из вирусов (или оба) предоставляют друг другу недостающие белки или ферменты для размножения и развития. При этом увеличивается количественный выход как одного, так и обоих вирусов при совместном инфицировании чувствительных клеток. Процесс комплементации может активировать изначально нежизнеспособные вирусы. Примером может быть вирус гепатита В, который обеспечивает жизнеспособность дельта-вируса – дефектного РНК-вируса. Дельта-вирус покрывается белком вируса гепатита В – HВs-антигеном. Возникающая новая инфекция приводит к развитию тяжелых «фульминантных» форм вирусного гепатита.
Интерференция вирусов отражает конкуренцию близких или родственных типов вируса за репликативные ферментные системы клетки-хозяина. При этом размножение одного из таких вирусов может подавляться или полностью прекращаться.
Фенотипическое смешивание (или транскапсидация) возникает тогда, когда при совместном культивировании и репликации геном одного из вирусов оказывается заключенным в капсид другого.
