Клостридия и капуста: от чего зависит конкурентоспособность кишечного патогена

Clostridioides difficile (C. diff) — наиболее распространенная причина тяжелой инфекционной диареи, связанной с оказанием медицинской помощи. (Ранее этот патоген относили к роду Clostridium, но потом реклассифицировали на основе анализа гена 16S РНК.) Факторы риска заражения C. diff, помимо лечения антибиотиками, — возраст старше 65 лет и недавнее пребывание в медицинских учреждениях.

Группа под руководством исследователей из Медицинского центра Университета Вандербильта обнаружила, что C. diff может использовать для выживания и роста 4-тиоурацил, вещество, которые содержится в растениях семейства крестоцветных. Интересно, что для других микроорганизмов, обитающих в кишечнике человека, 4-тиоурацил токсичен. Таким путем клостридия получает конкурентное преимущество в инфицированном кишечнике.

Исследователи нашли у C. diff фермент тиоурацилдесульфуразу (TudS), превращающий 4-тиоурацил в пиримидиновое азотистое основание урацил, необходимое для синтеза. Они также показали, что 4-тиоурацил в виде 4-тиоуридина тоже может включаться в состав РНК. По этой причине он токсичен для резидентных кишечных микробов, у большинства из которых нет фермента TudS. Однако у всех 18 исследованных патогенных линий C. diff присутствовали гомологи TudS.

Нуклеотиды — необходимые для клетки соединения, их синтез требует энергетических затрат, таким образом, 4-тиоурацил становится ценным пищевым ресурсом для патогена. Известно, что многие бактерии, обитающие в ЖКТ человека, например, лактобактерии или Helicobacter pylori, сами не производят нуклеотиды, а получают их из среды обитания. В то же время аналоги нуклеотидов, способные встраиваться с ДНК или РНК, обычно подавляют жизнедеятельность микроорганизма. (Тем не менее устойчивость к 4-урацилу у бактерий, не имеющих TudS, может обеспечиваться и мутациями в генах других ферментов, например, урацил-фосфорибозилотрансферазы, которая встраивает уридин в РНК, или регулятора биосинтеза пиримидинов PyrR.)

С помощью жидкостной хроматографии и тандемной масс-спектрометрии исследователи показали, что в стуле детей, инфицированных C. diff, меньше урацила, чем у здоровых контролей. Когда мышей после курса антибиотиков инфицировали C. diff дикого типа или C. diff, лишенными гена ключевого фермента биосинтеза пиримидинов, в первом случае инфекция протекает тяжелее. Однако рост дефектного штамма в культуре восстанавливало добавление урацила или 4-тиоурацила, и мыши, которым добавляли в пищу 4-тиоурацил, болели так же тяжело при инфекции C. diff, не способной синтезировать пиримидины, как при инфекции бактерией дикого типа. Аналогичные результаты были получены в мини-биореакторе — в экспериментах с сообществом бактерий, выделенных из человеческих фекалий: добавление 4-тиоурацила повышало конкурентоспособность C. diff по сравнению с непатогенными комменсальными микроорганизмами кишечника.

Фермент TudS может стать новой мишенью для лекарств против C. diff. Его нет ни в клетках резидентной микрофлоры, ни в клетках человека, поэтому антимикробный препарат, нацеленный на этот фермент, может подавить размножение C. diff без побочных эффектов.

Исследователи также показали в экспериментах in vitro, что добавление фермента TudS к пробиотическому штамму E. coli повышает его способность конкурировать с C. diff.

Хотя исследователи показали, что 4-тиоурацил присутствует в кишечнике человека, его источник пока точно не установлен. Известно, что его уровень повышен в кишечнике скота, получающего богатый крестоцветными растениями корм. Это соединение также присутствует в брокколи.

«Необходимы дополнительные исследования, чтобы выявить источник 4-тиоурацила, но если он поступает с пищей, это может помочь в разработке диетических вмешательств при инфекции C. diff», — сказал первый автор статьи Мэтью Муннеке. Это не значит, что здоровым людям нужно исключить брокколи из рациона, добавил он. В здоровом кишечнике некоторые резидентные микробы содержат ферменты, подобные TudS, и, вероятно, могут преобразовывать 4-тиоурацил в питательные вещества. Только при сниженном разнообразии микрофлоры C. diff может воспользоваться своим конкурентным преимуществом.

Каким образом фекальная трансплантация избавляет пациента от клостридиальной инфекции