Генетические особенности стафилококков (Staphylococcus)

К настоящему времени полностью определена нуклеотидная последовательность геномов 15 метициллин-резистентных штаммов S. aureus, (MRSА N315, MRSА 252, MW2, COL, 04-02981, JKD 6159, LGA251, Т0131, USA300 FPR3757, USA300 TCH 1516, JKD 6008, TW20, ST398, в том числе 2, резистентных к ванкомицину). Работа по расшифровке геномов еще 10 штаммов S. aureus продолжается. Помимо штаммов S. aureus, в генном банке представлены данные результатов секвенирования 2 штаммов S. epidermidis (один из которых способен образовывать биопленки), 2 штаммов S. lugdunensis, 2 штаммов S. pseudintermedius, по одному штамму S. haemolyticus, S. saprophyticus и S. camosus.

Результаты секвенирования показали, что геномы штаммов S. aureus, имеют низкое содержание G+C (32,8-32,9 %). Длина хромосомы варьирует от 274253 до 3033000 н. п. Сравнительный анализ выявил, что более 50% из почти 2600 протеинов, кодируемых геномом S. aureus, проявляют наибольшее сходство с таковыми же, обнаруженными у микроорганизмов рода Bacillus (Bacillus subtilis и Bacillus haloduians). Эти протеины обеспечивают важные для вегетативной жизни бактерии функции, такие как репликация ДНК, синтез протеинов, метаболизм углеводов. Кодирующие их гены формируют основу или «ядро» (англ. — core) генома S. aureus. Вместе с тем оказалось, что около 33 % генов кодируют уникальные белки, обнаруживаемые только у S. aureus, при этом функциональная активность некоторых из них осталась не расшифрованной до настоящего времени. Было установлено, что большинство нуклеотидных различий, выявленных между секвенированными штаммами, являются результатом интеграции некоторых генетических областей, отличающихся как по содержанию G+C, так и по использованию кодонов.

Это позволило заключить, что хромосома S. aureus составлена из двух типов ДНК: относительно стабильного генетического «ядра», полученного от бактерии- предшественницы, тесно связанной с родом Bacillus, и геномных островов, приобретенных от других бактерий в результате горизонтального переноса.

Все геномные острова, обнаруженные у S. aureus, можно разделить на две большие группы. Это геномные острова, несущие, главным образом, гены антибиотикоре-зистентности, и геномные острова, содержащие гены патогенности. К первой группе относят стафилококковые хромосомные кассеты (англ. — staphylococcal chromosome cassette, или SCC). Ко второй группе относят и интегрированные бактериофаги, которые также представляют пул мобильной ДНК микробной клетки и нередко несут гены патогенности.

а) Стафилококковые хромосомные кассеты (SCC). Генетической основой устойчивости стафилококков к β-лактамным антибиотикам является ген тесА, кодирующий синтез пенициллин-связывающего протеина РВР-2' (от англ, penicillin-binding protein), отсутствующего у чувствительных микроорганизмов. При подавлении β-лактамным антибиотиком активности основных пенициллин-связывающих белков, РВР-2' в силу своего более низкого сродства к препаратам данной группы, продолжает функционировать и сохраняет микробной клетке жизнеспособность. Ген tecА локализован в хромосоме S. aureus в специфической области, обнаруживаемой только у метициллин-резистентных штаммов стафилококка — tec ДНК, расположенной между геном nov, кодирующим ДНК-гиразу, и геном spa, кодирующим синтез протеина А.

При секвенировании тес ДНК было обнаружено, что ген тесА находится на интегрированном в хромосому новом мобильном генетическом элементе, структурно отличающемся от транспозонов и бактериофагов, получившем название стафилококковая хромосомная кассета tec (SCСtec). Как мобильный генетический элемент SCCtec характеризуется присутствием концевых инвертированных и прямых повторов, набором сайт-специфических рекомбиназных генов (ccrА, ccrВ, ccrС), а также генов комплекса тес. При дальнейшем изучении структуры тес ДНК у клинических изолятов MRSA выявлено существование нескольких аллотипов SCCtec, различающихся как размерами (от 21 до 67 т.п.н.), так и набором генов, составляющих кассеты.

Разделение на типы основано на различиях в генах, образующих собственно комплекс тес, и аллотипах (1-8) генов, кодирующих рекомбиназы, входящие в различных сочетаниях в стафилококковую хромосомную кассету. В настоящее время достаточно полно охарактеризованы 11 типов кассет и многочисленные подтипы.

Большинство госпитальных штаммов несут один из трех аллотипов SCCtec (тип I, II или Ш). SCCtec тип IV обнаруживают как в штаммах госпитального, так и внегоспитального происхождения, принадлежащих к различными генетическими линиями золотистого стафилококка. Выявленную впервые в коагулазоотрицательном штамме S. haemolyticus кассету типа V, образованную генами ccr типа 5 и комплексом тес класса С, идентифицируют только в некоторых штаммах MRSA внегоспитального происхождения.

Имеющиеся доказательства передачи устойчивости к оксациллину между различными штаммами S. aureus во время терапии β-лактамами, а также эпидемиологические данные, свидетельствуют о способности SCCmec к миграции, в том числе и между различными видами. Поскольку устойчивость к метициллину у коагулазоотрицательных видов стафилококка обнаруживают чаще, чем у S. aureus, а ген tecA консервативен, считается, что именно коагулазоотрицательные виды служат резервуаром метициллин-резистентности. Существует гипотеза, согласно которой гены комплекса тес, так же как и гены комплекса ccr, подвергаются сочетанной рекомбинации и процессам генных перестроек в геноме коагулазоотрицательных видов стафилококка, в результате которых постоянно образуются новые кассеты тес. Однако только небольшая их часть может быть передана в штаммы 5. aureus. Ряд исследований, проведенных в последние годы по изучению типов SCCmec у клинических изолятов коагулазонегативных стафилококков, свидетельствует в пользу этой гипотезы.

Семейство SCC не ограничивается только элементами, несущими гены комплекса тес. При секвенировании метициллин-чувствительного штамма MSSA476 обнаружен SCCmec-подобный элемент, обозначенный SCC476, размером 22,8 kb, кодирующий протеин, детерминирующий резистентность к фузидиевой кислоте. Недавно охарактеризован еще один тип кассеты, получивший название SCCHg, несущий оперон, обеспечивающий резистентность к ионам ртути, и гены рекомбиназ.

Единственным представителем семейства SCC, несущим не гены антибиотикорезистентности, а гены патогенности, является элемент SCC capI, который кодирует генный кластер (CP1), обеспечивающий образование мукоидной капсулы. Он также содержит открытую рамку считывания СМ14, проявляющую 46%-48% гомологии с геном, детерминирующим синтез энтеротоксина С (тип 3). Показано, что капсульные штаммы проявляют более высокую резистентность к фагоцитозу и обладают повышенной вирулентностью для мышей, чем СР1 -негативные мутанты.

Некоторые штаммы содержат SCC-подобныс области, которые интегрированы в тот же сайт хромосомы, что и классические SCC элементы, но у которых отсутствуют гены рекомбиназ. Размеры таких областей колеблются от 0,1 до 34 Kb. По предложению японских исследователей их следует называть псевдо-SCC элементами, или ψSCC. Примером таких элементов является мобильный генетический элемент, катаболизирующий аргинин, впервые обнаруженный в геноме полностью секвенированного штамма, принадлежащего к эпидемическому клону USA300.

Острова патогенности S. aureus. У S. aureus обнаружено несколько типов островов патогенности, обладающих сложной генетической структурой. Идентифицированные разными авторами, они имеют различную номенклатуру. Описан ряд семейств, внутри каждого из которых существуют несколько аллельных вариантов.

Прежде всего, выделяют семейство стафилококковых островов патогенности, кодирующих синтез токсинов, обладающих суперантигенной активностью. Обладая размером 15-20 kb, эти генетические элементы имеют специфические сайты интеграции в хромосоме токсигенных штаммов и сохраняют определенные черты сходства с профагами. Прототипом является остров патогенности SaPI1, который кодирует токсин синдрома токсического шока (TST-1) и дополнительно еще два энтеротоксина — SEK и SEL. Идентифицированы два других острова патогенности, кодирующие TST-1: SaPI2 и SaPIbov, отличающиеся локализацией в хромосоме, размерами, а также структурой фланкирующих прямых повторов. В полностью секвенированном штамме COL был обнаружен SaPI3, проявляющий многие общие черты с SaPI1, но кодирующий энтеротоксин В, а также дополнительно токсины SEK и SEG. Еще один остров патогенности, SaPI4, во многом сходен SaPIl, но содержит ген sec, детерминирующий синтез энтеротоксина С, вместо гена tst, а также дополнительно гены sek, sel и sem, кодирующие синтез соответствующих токсинов.

К этому же семейству принадлежит и SaPI bov2, обнаруженный в штамме, выделенном от крупного рогатого скота, несущий ген, кодирующий синтез адгезина Вар, ассоциируемого с образованием биопленки, и обеспечивающий адгезию к клеткам эпителия молочных желез.

Другое семейство представляют геномные острова vSaα и vSa β, кодирующие экзотоксинподобные протеины (SET-SE), которые также относят к суперантигенам. Оба острова существуют в виде аллельных вариантов. В хромосомах каждого из секвенированных штаммов S. aureus vSaα и vSa β присутствуют в различных комбинациях. Такое распределение аллельных форм свидетельствует в пользу гипотезы о том, что эти когда-то мобильные острова были приобретены независимо друг от друга в результате внутривидового переноса между штаммами.

Помимо названных выше, недавно у S. aureus был описан остров патогенности etd PAI, длиной 9054 н.п., несущий гены etd и edin-B, кодирующие соответственно эксфолиативный токсин ETD и протеин EDIN-B — представитель семейства экзопротеинов, блокирующих дифференциацию эпидермальных клеток.

б) Бактериофаги. Все секвенированные штаммы содержат в своем геноме 1-3 бактериофага, многие из которых присутствуют в виде аллельных форм и различаются, прежде всего, наличием генов, детерминирующих синтез токсинов, в том числе стафилококковых энтеротоксинов SEA, SEP, SEG, SEK, а также лейкоцидина Пантона-Валентайна.

Некоторые фаги, встраиваясь в соответствующий сайт хромосомы, нарушают экспрессию бета-гемолизина, то есть вызывают отрицательную конверсию. Нередко они дополнительно несут ген стафилокиназы, и их интеграция приводит к появлению этого фактора патогенности у микробной клетки, то есть к положительной конверсии в отношении другого признака. Кроме того, фаги этой группы могут нести ряд дополнительных генов, детерминирующих синтез протеинов, также играющих роль факторов патогенности.

в) Другие мобильные генетические элементы стафилококков. Помимо геномных островов у стафилококков, обнаружены и другие мобильные генетические элементы, такие как плазмиды, транспозоны, инсерционные последовательности, многие из которых могут нести гены антибиотикорезистентности. Особенно большое число таких элементов обнаружено в геноме метициллин-резистентных штаммов S. aureus и коагулазонегативных стафилококков.

Геномы коагулазоотрицательных видов, таких как S. epidemidis, S. haemolyticus, S. saprophyticus, имеют меньшие размеры. Протяженность хромосомы у этих видов не превышает 2,72 Mbp. У этих видов не обнаружены гены токсинов, характерные для S. aureus. Однако геномы и этих видов отличаются значительной пластичностью и несут в своем составе большое количество мобильных генетических элементов, таких как бактериофаги, транспозоны и инсерционные последовательности.

- Читать далее "Внутривидовая дифференциация Staphylococcus aureus и других видов стафилококка"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 10.3.2020

Остались вопросы или замечания?

Все размещенные статьи преследуют образовательную цель и предназначены для лиц имеющих базовые знания в области медицины.
Без консультации лечащего врача нельзя применять на практике любой изложенный в статье факт.
Жалобы и возникшие вопросы просим присылать на адрес statii@dommedika.com
На этот же адрес ждем запросы на координаты авторов статей - быстро их предоставим.