Высыхание туберкулезных микобактерий при аэрозольной передаче способствует развитию устойчивости к рифампицину

Туберкулез и в XXI веке остается самым смертоносным инфекционным заболеванием в мире. Многие факторы способствуют успеху Mycobacterium tuberculosis (Mtb) как патогена, в том числе резистентность к антимикробным препаратам. Mtb передается воздушно-капельным путем, покидая организм инфицированного человека в аэрозольных каплях, которые образуются во время кашля. При каждой передаче от хозяина к хозяину Mtb оказывается в суровых условиях, в частности, подвергается обезвоживанию, поскольку аэрозольные капли быстро испаряются. Адаптации к высыханию изучены у многих свободноживущих бактерий, но вопрос о том, что происходит в этих условиях с Mtb, остается открытым.

В Nature Microbiology опубликована статья исследователей из США, которые продемонстрировали, что высыхание для туберкулезной микобактерии — это регулируемое физиологическое состояние, активно изменяющее ее биологию. В этом процессе участвуют окислительные повреждения ДНК и несовершенная репарация, приводящая к мутагенезу, а результатом может быть устойчивость к рифампицину.

Авторы высушивали клетки туберкулезной микобактерии на специальном фильтре, имитируя высыхание аэрозоля. После высушивания снижалось количество колониеобразующих единиц, однако регидратация восстанавливала жизнеспособность бактерий.

Транскриптомный и метаболомный анализы показали, что восстановление сопровождалось значительными изменениями в функции клеток Mtb. Высушенные бактерии накапливали активные формы кислорода, в них происходило окисление биомолекул, в том числе липидов и нуклеотидов, а также разрывы ДНК, одноцепочечные и двухцепочечные. Резко выросла активность генов, связанных с защитой от окислительного и осмотического стресса и различными путями репарации ДНК, а трансляция и окислительное фосфорилирование были подавлены.

Тем не менее репарация ДНК в бактериальной клетке оказалась несовершенной. После обезвоживания число клеток Mtb с мутациями устойчивости к рифампицину, возрастает в 50–100 раз, то есть можно утверждать, что обезвоживание обладает мутагенным действием.

Среди генов, вовлеченных в репарацию ДНК, активность которых изменялась при высыхании микобактерий, авторы обратили внимание на ген mfd. Его продукт Mfd — ДНК-транслоказа, который осуществляет репарацию ДНК, связанную с транскрипцией. Конкретнее, фермент распознает РНК-полимеразу, заблокированную на поврежденном участке ДНК, разрушает транскрипционный комплекс, высвобождая транскрипт и РНК-полимеразу, и привлекает к этому участку механизмы репарации ДНК. Репарация играет важную роль в реакции на стресс обезвоживания. В то же время известно, что Mfd может быть «фактором эволюционной изменчивости» бактерий, в частности, способствовать возникновению мутаций устойчивости к антибиотикам.

Сайленсинг (подавление экспрессии) mfd не повлиял на выживание Mtb после обезвоживания, но снизил количество устойчивых к рифампицину мутаций после обезвоживания (а на уровень мутаций после культивирования в условиях дефицита питательных веществ не повлиял). Хотя высушивание было связано с увеличением количества мутантов, устойчивых к другому препарату — ципрофлоксацину, от активности mfd их количество не зависело.

Рифампицин — это антибиотик первой линии для лечения туберкулеза, устойчивость к нему связана с худшими клиническими исходами и требует применения альтернативных многокомпонентных схем лечения. Почти всегда ее причиной становятся мутации в небольшом участке β-субъединицы РНК-полимеразы (RpoB). Авторы сделали интересное наблюдение: самая распространенная мутация в гене RpoB, опосредующая устойчивость к рифампицину, замена серина на лейцин в позиции 450 (RpoB-S450L), при подавлении активности mfd практически исчезла, ее заменила вторая по частотности мутациа (RpoB-H445Y).

Известно, что вновь образующиеся устойчивые к рифампицину мутанты Mtb имеют дефекты приспособленности. Авторы предположили, что Mfd компенсирует сниженную приспособленность, возникающую из-за мутации RpoB-S450L после высушивания. Они исследовали геномы около 50 000 клинических изолятов Mtb и, действительно, в штаммах с мутациями в гене mfd мутация rpoB^S450L встречалась существенно реже. Таким образом, Mfd, по-видимому, не только повышает частоту возникновения мутаций резистентности при высыхании, но и влияет на преобладание тех или иных конкретных мутаций при передаче патогена.

Картирование случаев передачи туберкулеза между людьми говорит о низком уровне мутаций в каждом цикле передачи (0–5 на геном). Вопрос в том, насколько высыхание может увеличить это значение.

Также пока неясно, ограничивается ли роль ДНК-транслоказы Mfd возможностью приобретения устойчивости к рифампицину, ведь он воздействует на туберкулезную микобакатерию не так давно. Возможно, Mfd также смягчает потерю приспособленности, вызываемую естественными мутациями, в том числе теми, которые могут влиять на распространение патогена. Поэтому исследования существования Mtb вне организма хозяина могут оказаться важными для борьбы с туберкулезом.

Препараты, содержащие ароматические гетероциклы, лучше проникают в туберкулезную микобактерию