О-гликаны слизи не дают холерному вибриону вырабатывать токсин

От холеры ежегодно страдают до 4 миллионов человек в мире. Ее возбудитель Vibrio cholerae обычно передается через зараженную питьевую воду и может вызывать сильную диарею и обезвоживание. Существует много штаммов холерного вибриона, однако микроб становится патогенным только тогда, когда он инфицирован вирусом под названием фаг СТХ (CTXɸ). В результате такой токсигенной конверсии из нетоксигенных штаммов V. cholerae возникают пандемические и эндемичные штаммы. CTXφ кодирует обе субъединицы холерного токсина, вызывающего симптомы холеры. Несмотря на критическую роль CTXφ во время инфекции, сигналы, влияющие на вызванную им токсигенную конверсию и экспрессию холерного токсина, остаются плохо охарактеризованными, особенно в контексте слизистой оболочки кишечника.

Исследователи Массачусетского технологического института в Кембридже (США) и коллабораторы выявили компоненты слизи кишечника, которые могут блокировать инфекцию холеры, вмешиваясь в механизмы выработки токсина. Эти полисахариды — гликаны — являются основным компонентом муцинов, гелеобразных гликопротеинов, из которых состоит слизь. Исследователи определили особый тип гликанов, который может предотвратить выработку токсина V. cholerae.

Чтобы произошла токсигенная конверсия, фаг СТХ должен связаться с рецептором на поверхности бактерий, известным как ко-регулируемый токсином пилус (toxin co-regulated pilus, TCP). Ученые работали с очищенными муцинами MUC5AC и MUC2 из желудочно-кишечного тракта свиньи. Методом количественной ОТ-ПЦР они обнаружили, что муцины способствуют снижению экспрессии гена tcpA, кодирующего TCP, в 5–30 раз по сравнению с контролем. Анализ транскриптома показал, что муцин-ассоциированные гликаны значительно подавляли гены, кодирующие обе субъединицы холерного токсина, ctxA и ctxB. При этом снижение экспрессии гена ctxA происходило дозозависимым образом. Авторы сделали вывод, что сложные гликановые структуры, обнаруженные в слизистом барьере кишечника, сами по себе достаточны для подавления генов вирулентности, которые несет CTXφ.

Муцин-ассоциированные гликаны влияли на путь вирулентности TcpP/ToxR/ToxT у V. cholerae. При реализации этого пути ген холерного вибриона toxR облегчает TcpP-опосредованную активацию промотора гена toxT, инициируя регуляторный каскад, который в конечном итоге вызывает секрецию холерного токсина и регулируемой им экспрессию пилуса. Результаты секвенирования РНК показали, что гликаны снижали экспрессию toxT в умеренной, но статистически значимой степени.

Когда V. cholerae заражает эпителиальные клетки, выстилающие желудочно-кишечный тракт, они начинают в больших количествах продуцировать циклический АМФ (цАМФ). Это заставляет их выделять огромное количество воды, что приводит к тяжелой диарее. Исследователи в экспериментах in vitro на эпителиальных клетках человека HT-29 обнаружили, что при заражении вибрионом, обезвреженным муцин-ассоциированными гликанами, клетки не производили циклический АМФ.

Затем авторы изучили, какие конкретные мотивы гликанов могут воздействовать на холерный вибрион. Используя многомерную масс-спектрометрию с ионизацией нанораспылением (NSI-MSn), они охарактеризовали более 80 структур очищенных муциновых гликанов из их коллекции. В пуле гликанов MUC5AC преобладали O-гликаны типа Core 1 и Core 2, которые были частично модифицированы фукозой и слабо сиалилированы. Далее они химически синтезировали наиболее распространенные гликаны, инкубировали каждую структуру с V. cholerae и использовали количественную ОТ-ПЦР для измерения экспрессии генов вирулентности. Синтетическая структура Core 2 подавляла экспрессию этих генов в той же степени, что и пул сложных гликанов, в то время как структура Core 1 была менее эффективной. Исследователи подтвердили полученные результаты на культурах клеток и с помощью иммуноферментного анализа. Таким образом, именно мотив Core 2 важен для ослабления вирулентности V. cholerae.

В целом, результаты работы освещают механизм, с помощью которого муцин-ассоциированные О-гликаны влияют на CTXφ-опосредованную конверсию и патогенность V. cholerae, и подчеркивают потенциальную роль полимеров муцина для борьбы с холерой. Исследователи считают, что эти молекулы могли бы стать привлекательной альтернативой антибиотикам. «В отличие от антибиотиков, к которым быстро развивается устойчивость, гликаны на самом деле не убивают бактерии. Похоже, что они просто отключают экспрессию генов, кодирующих их токсины, так что это еще один способ, с помощью которого можно попытаться лечить эти инфекции», — прокомментировал Бенджамин Ванг, первый автор статьи.

Бактерии кишечника защищаются от холерного вибриона его же оружием