Бактерии мира без овощей

Бактерия Helicobacter pylori, печально известная как причина язвы и рака желудка, колонизировала организм человека более 100 тысяч лет назад. Коллекция геномов, собранная Helicobacter pylori Genome Project, насчитывает уже несколько тысяч образцов со всего мира и показывает широкую географическую вариативность хеликобактера. Исследователи из Китая, Японии и Швеции проанализировали около 7000 геномов H. pylori. Среди авторов статьи, опубликованной в Nature, — Helicobacter Genomics Consortium.

Авторы нового исследования сделали вывод, что уже первые люди современного типа были инфицированы двумя различными эковидами хеликобактера: Hardy и Ubiquitous. (Эковидами они называют бактерии одного вида, которые накопили различия в определенных участках генома, но в остальном имеют единый рекомбинирующий пул генов.)

Сегодня эковид Ubiquitous обнаруживается во всех человеческих популяциях, где собирали образцы, но эковид Hardy сохранился преимущественно у коренных популяций Сибири, Северной Канады и Чили. (Отсюда и название, указывающее на их «выносливость» в неблагоприятных условиях.) Одна африканская линия эковида Hardy сменила хозяина — ее обнаружили у гепардов, львов и тигров, содержащихся в зоопарках. Эту линию до сих пор рассматривали как отдельный вид хеликобактера H. acinonychis.

Полногеномное секвенирование показало, что различия между эковидами Hardy и Ubiquitous локализованы в определенных участках генома. Кроме того, хотя у хеликобактера широко распространена гомологичная рекомбинация — обмен участками генома между штаммами, коинфицирующими одного хозяина, — крупные перестройки генома могут служить маркером происхождения того или иного клона. Таких масштабных различий было больше между любой парой штаммов Hardy и Ubiquitous, чем между штаммами одного и того же эковида.

От более распространенного вида H. pylori, который авторы назвали Ubiquitous, эковид Hardy отличается однонуклеотидными полиморфизмами более чем в 100 генах. Большая их часть кодирует белки внешней мембраны и факторы взаимодействия с клетками хозяина.

Одно из важных различий между Hardy и Ubiquitous — гены ферментов уреаз. У хеликобактера есть две стратегии защиты от высокой кислотности среды: проникновение в слизь, выстилающую желудок, где кислотность ниже, и продукция уреаз, производящих аммиак из мочевины. Уреазы используют никель в качестве кофактора. Однако большинство линий хеликобактера, принадлежащих к эковиду Hardy, имели еще один вариант уреазы — железосодержащий. Авторы предполагают, что эта уреаза позволяет им выжить в желудке хищника с более кислой средой и более низким содержанием никеля. Железосодержащая уреаза есть у дельфинов, кошек и хорьков, а у всеядных видов, таких как свиньи и макаки, ее нет.

Также у штаммов эковида Hardy встречаются две дополнительные копии вакуолизирующего цитотоксина VacA — ключевого токсина геном H. pylori.

Авторы предположили, что эковид Hardy специализирован для обитания в желудках людей, чей рацион состоит преимущественно из мяса или рыбы. Большинство людей потребляют растительную пищу в том или ином виде, за исключением коренного населения регионов, где она малодоступна. Согласно гипотезе авторов, оба эковида хеликобактера распространялись по Земле вместе с мигрирующим человечеством, но Hardy исчез из большинства линий, а в Африке стал предком хеликобактера больших кошек. Рекомбинация не затрагивала участки генома, отличающие два эковида, возможно, благодаря действию очищающего отбора, который «не позволяет» отклониться от исходного признака.

Новое представление об эволюции эковидов хеликобактера в желудке человека и о возможности их стабильного сосуществования в некоторых популяциях важно и для лучшего понимания древней истории человечества, и для профилактики заболеваний ЖКТ в современном мире.

«Helicobacter pylori способен жить в наших желудках десятилетиями, в постоянной борьбе с иммунной системой человека, что может привести к желудочным заболеваниям. Что меня завораживает — помимо различий в генах, участвующих в усвоении питательных веществ, эковид Hardy отличается от обычного Ubiquitous большей долей генов, которые он использует для взаимодействия с клетками желудка и клетками иммунной системы. Похоже, что у этих бактерий совершенно иная стратегия взаимодействия с хозяином. Выяснение, что это за стратегия, может дать совершенно новое понимание развития желудочных заболеваний», — говорит соруководитель исследования Кайса Торелл из Гётеборгского университета (Швеция).