Холера, заразившая человека, лишается разнообразия защиты от фагов

Как и большинство бактерий, Vibrio cholerae — возбудитель холеры — постоянно подвергается атакам бактериофагов, поэтому для выживания бактерии необходим противовирусный иммунитет. Характерная особенность генома V. cholerae — это суперинтегрон на хромосоме 2. Он представляет собой крупный генетический элемент, состоящий из множества генных кассет. Уже известно, что около 10% этих кассет участвуют в защите от фагов, и предполагалось, что в условиях стресса они перегруппировываются для повышения генетического разнообразия. Однако у штаммов V. cholerae, вызывавших пандемии холеры, такого явления не наблюдалось. Авторы статьи в Science установили, что внесение генетического разнообразия в суперинтегрон происходит путем горизонтального переноса генов, причем эти гены высвобождаются из лизированных бактерий, которые росли на хитине. Такая зависимость от хитина приводит к тому, что в человеческом организме у холерного вибриона снижается разнообразие защитных систем. 

Суперинтегрон филогенетической линии Эль-Тор (7PET), вызвавшей седьмую (нынешнюю) пандемию холеры, отличается большим размером и высокой стабильностью. В эталонном штамме N16961 он занимает около 130 тысяч пар оснований и содержит 179 генных кассет — примерно 3% генома. Однако его делеция не вызывает значимых изменений фенотипа, в том числе в стрессовых условиях, моделируемых в лаборатории. Поэтому ученые усомнились в том, что для функционирования суперинтегрона необходима стресс-индуцированная перегруппировка его кассет. 

Чтобы проверить, функциональны ли кассеты суперинтегрона, ученые заражали штамм A1552 линии 7PET пятью разными вибриофагами в условиях высокой и низкой плотности клеток. Влияние всех остальных систем защиты авторы исключили путем делеции известных защитных локусов, лежащих за пределами суперинтегрона. Штамм с такой делецией оказался восприимчив ко всем пяти фагам, то есть кассеты внутри суперинтегрона не обеспечивали защиты. 

Затем авторы предположили, что вместо внутриклеточной перегруппировки кассеты суперинтегрона могут перемещаться путем горизонтального переноса. Для проверки этой гипотезы они вырастили дикий тип V. cholerae на хитине и добавили геномную ДНК двух штаммов, устойчивых к антибиотику канамицину. Оба штамма-донора несли ген аминогликозид-3′ -O-фосфотрансферазы (aph) на хромосоме 1 или 2, не связанный с суперинтегроном — по интеграции этого гена ученые отследили поглощение внешней ДНК холерным вибрионом дикого типа. При этом около 20% бактерий приобретали также кассеты суперинтегрона, которые встраивались в него по сайту рекомбинации attI. 

Дальнейший анализ молекулярного механизма показал, что генные кассеты, приобретенные путем горизонтального переноса, встраиваются в суперинтегрон при помощи кодируемой в нем же рекомбиназы intI. При этом для переноса генов антифагового иммунитета холерному вибриону необходима естественная компетентность (то есть способность поглощать функциональную ДНК из внешней среды). Она, как уже было показано, зависит от условий, в том числе от роста бактерий на хитине. 

Наконец, ученые подтвердили, что защитные гены, расположенные в первой позиции суперинтегрона (то есть ближе всего к его собственному промотору), активно экспрессируются и обеспечивают высокую степень защиты от бактериофагов. Также возможен межвидовой перенос генных касет суперинтегрона. 

Работа демонстрирует функцию суперинтегрона в различных штаммах V. cholerae в естественных условиях экологической ниши этого вида — то есть в водной среде и при наличии хитина. Поглощение внеклеточной ДНК, добавленной искусственно или высвобожденной из лизированных бактерий, способствует горизонтальному распространению генных кассет суперинтегрона, участвующих в антифаговом иммунитете. Поскольку человеческий организм, в который попал холерный вибрион, отличается от типичной экологической ниши этой бактерии, разнообразие механизмов защиты от фагов снижается. Однако у этого есть и обратная сторона — совсем недавно другая группа ученых показала, что холерный вибрион, лишенный защиты от бактериофагов, становится опаснее для человека.