Метаболизм азота важен для адаптации золотистого стафилококка к обитанию на человеке

Золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus) — важный патоген и комменсал человека. Примерно у трети населения эту бактерию можно обнаружить в носовой полости, а также на коже, слизистых оболочках и в кишечнике. При нарушении эпителиального барьера или ослаблении иммунитета S. aureus может вызывать широкий диапазон состояний, начиная с кожных инфекций и заканчивая смертельно опасными заболеваниями. Чаще всего источником инфекции являются собственные комменсалы человека.

Геном S. aureus кодирует ряд факторов, которые позволяют бактериям прикрепляться к среде, уходить от иммунного ответа и защищаться от действия противомикробных препаратов, чтобы быстрее адаптироваться к назальной среде. Мутации бактерий также подвергаются отбору при колонизации, если это способствует их выживанию. S. aureus легко передается от человека к человеку, при адаптации бактерии сталкиваются с общим селективным давлением. Ожидается, что мутации, дающие преимущество, встречаются чаще в одних и тех же генах или группах функционально близких генов и разных штаммах S. aureus. Чтобы выявить признаки адаптации в недавно разделившихся популяциях бактерий, ученые из Великобритании проанализировали геномы изолятов S. aureus, отобранные у одного и того же носителя. Чтобы отличить потенциальные адаптивные генетические изменения от нейтральных мутаций, авторы применили обогащение мутаций по всему геному S. aureus.

Всего авторы проанализировали 3060 изолятов (в основном назальных), отобранные у 791 носителя в рамках десятка исследований. Многие изоляты были резистентными к антибиотикам. Повторно изоляты отбирали у одного носителя через два (70,3%), 2–6 (15,9%), 6–12 (12,0%) и более 12 месяцев (1,8%).

Между изолятами одного человека наблюдался низкий уровень генетического разнообразия. Во всех изолятах, отобранных у одного носителя, авторы оценили количество мутаций, изменяющих белок (миссенс, нонсенс и сдвигающие рамки считывания), в каждой белок-кодирующей последовательности, которые появились de novo во время колонизации S. aureus. Затем авторы задали вопрос, было ли это число выше ожидаемого, если сравнить с остальным геномом.

Среди 2326 белок-кодирующих последовательностей только в генах agrA и agrC (кодирующих регуляторы чувства кворума), а также в гене nasD (кодирующем большую субъединицу ассимиляционной нитритредуктазы) было выявлено значимо повышенное количество влияющих на белок мутаций. Незначимо, но все же повышенным было число мутаций в гене fusA, кодирующем мишень фузидиевой кислоты, гене dfrA, кодирующем мишень триметоприма, и гене pbp2, кодирующем мишень бета-лактамов.

Авторы определили количество мутаций в генах, принадлежащих одному оперону. Избыточное число мутаций было выявлено в девяти оперонах из 1166, включая опероны, к которым принадлежали гены agrA, agrC и nasD, а также в 11 метаболических путях, включая «метаболизм азота» и «биосинтез рибофлавина».

Изменяющие белок мутации часто встречались в генах, связанных с метаболизмом азота, таких как nasD и ureG (кодируют вспомогательный белок уреазы), а мочевина преобладает среди органических соединений назального секрета. Из-за этого авторы предположили, что мутации в nasD и ureG помогают бактерии приспособиться к избытку этого источника азота. Нокаут nasD и ureG подавлял рост в присутствии мочевины. Особенно важную роль играл ген ureG. Встречающиеся в природе мутации Glu246Gln и Thr656Ile гена nasD тормозили рост бактерии в присутствии мочевины, а мутация Cys452Ser стимулировала рост.

Рассматривая мутации в генах, кодирующих мишени антибиотиков из различных функциональных классов, ученые выявили, что S. aureus приобретает мутации устойчивости к таким антибиотикам, как фузидиевая кислота, мупироцин и бета-лактамы.

Также благодаря дополнительному анализу еще 4090 изолятов, полученных от 731 человека, авторы обнаружили несколько генов, накапливающих мутации во время адаптации S. aureus к хозяину. Это были как ранее выявленные гены agrA, agrC и nasD, так и новые: darA/pstA (кодирует белок, регулирующий метаболизм азота), sasA (кодирует поверхностный белок A S. aureus), rsbU (кодирует регуляторный белок) и пять генов, которые еще не были функционально охарактеризованы.

В целом, это исследование указывает на ключевые биологические процессы, которые S. aureus использует для адаптации к организму человека. По мнению авторов, такой анализ бактерий как во время бессимптомной колонизации носителей, так и при возникновении инфекций, может помочь улучшить профилактику, диагностику и лечение заболеваний.

У стафилококка, резистентного к большим дозам антибиотика, есть альтернативный механизм деления