Сиаловая кислота помогает бактериям преодолевать защитные механизмы кишечника

Желудочно-кишечный тракт является основной мишенью для многих бактериальных патогенов. Большинство исследований, посвященных патогенам, проводятся на Citrobacter rodentium. Это мышиная бактерия, которая близка к таким клинически важным возбудителям, как энтеропатогенная Escherichia coli и энтерогеморрагическая E. coli. Они объединяются в одну группу A/E патогенов за счет способности вызывать процесс «прикрепления и сглаживания» (прикрепления к эпителию и стирания микроворсинок — attaching and effacing) и способны плотно прикрепляться к клеткам эпителия кишечника с помощью секреторной системы III типа. Перед этим бактерии какое-то время обитают в просвете кишечника и, вероятно, должны адаптироваться к этой среде, чтобы получать питательные вещества и энергию для колонизации ниши в слизистой. Слизистая оболочка толстого кишечника может способствовать адаптации ввиду высокого содержания в ней нутриентов.

Слизь в основном состоит из муцинов, в состав которых входит моносахарид сиаловая кислота. Она может расщепляться под действием микробных сиалидаз. Некоторые исследования показали, что катаболизм сиаловой кислоты может влиять на рост и состав комменсальной флоры. Исследователи из Университета Британской Колумбии и детской больницы Британской Колумбии решили проверить, могут ли такие бактерии, как Citrobacter rodentium, использовать этот моносахарид для усиления патогенности.

Вначале ученые с помощью антител к C. rodentium и муцину определили локализацию бактерии in vivo на мышах спустя 6 дней после заражения. Бактерии преимущественно располагались в наружном слое слизи, и из-за их тесной связи с ней авторы предположили, что C. rodentium используют слизь или сиаловую кислоту из нее в качестве нутриентов. Культивирование бактерий в средах разного состава показало, что они способны расти в присутствии сиаловой кислоты, но не муцинов. Это подтвердило их способность использовать этот моносахарид как единственный источник углерода.

Затем ученые окрасили ткани толстого кишечника специфическими красителями на сиаловую кислоту. Окрашивание выявило ее высокие уровни как у здоровых, так и у инфицированных мышей.

Наиболее распространенный переносчик сиаловой кислоты у большинства грамотрицательных бактерий — N-ацетилнейраминовый транспортер (NanT). Исследователи обнаружили, что геном C. rodentium содержит оперон nan, ответственный за катаболизм сиаловой кислоты и содержащий, в частности, ген nanT. При делеции этого гена бактерии теряли способность расти в среде, содержащей сиаловую кислоту. Это свидетельствовало о том, что C. rodentium утилизировали моносахарид именно с помощью оперона nan. 

С помощью специально разработанной методики анализа хемотаксиса авторы выявили способность бактерий мигрировать в сторону сиаловой кислоты. Сам анализ основан на вертикальном перемещении бактерий в слое агара по направлению к хемоаттрактанту. При нокауте гена nanT хемотаксическая активность C. rodentium снижалась. 

Опыты in vivo на мышах, зараженных штаммами Citrobacter rodentium дикого типа или с делецией nanT (ΔnanT) показали, что ΔnanT штаммы менее эффективно колонизировали кишечник мышей и провоцировали меньше воспаления.

Затем ученые исследовали профиль секреции белков C. rodentium. Выяснилось, что сиаловая кислота стимулировала секрецию двух белков-аутотранспортеров Pic и EspC. Оба этих белка — сериновые протеазы, имеющие муцинолитические и адгезивные свойства. Индукция их секреции сиаловой кислотой повышала способность Citrobacter rodentium разрушать кишечную слизь (с помощью Pic) и прикрепляться к эпителиальным клеткам (с помощью EspC).

Таким образом, исследователи продемонстрировали, что сиаловая кислота, присутствующая в кишечной слизи, — это важное питательное вещество и ключевой сигнал для бактериальных патогенов A/E. Она стимулирует их покинуть просвет кишечника и позволяет успешно внедриться в эпителий его стенки.

О-гликаны слизи не дают холерному вибриону вырабатывать токсин