Гены и генетический обмен пиогенного стрептококка (S. pyogenes)

Генетическая система стрептококков представлена всей совокупностью нуклеотидов, содержащихся в хромосоме, плазмидах, мигрирующих элементах — транспозонах, IS-элементах (insertion — вставка, sequence — последовательность, англ.) и ДНК бактериофагов. Они различаются по молекулярной массе, объему закодированной в них информации, способностью к автономной репликации и другими признаками. В течение долгого времени изучение генетики стрептококков сдерживалось отсутствием знаний о генетической организации хромосомы этих микроорганизмов.

К настоящему времени удалось проанализировать геном стрептококков путем электрофореза в пульсирующем электрическом поле, установить его размер, равный 1920 тыс.н.п. и построить первую генетическую и физическую карту генома патогенного стрептококка группы А (штамм SF370). На карте полной нуклеотидной последовательности хромосомной ДНК этого штамма локализовано более 1700 генов, включая гены вирулентности и гены рибосомальных оперонов. В геноме штамма SF370 обнаружено 2 дефектных и 1 индуцируемый умеренный бактериофаг, более 15 IS-элементов, из которых наиболее часто обнаруживался IS 1548. В составе всех ДНК профагов присутствовали гены токсинов (эритрогенинов), обладающих суперантигенной активностью, что позволило сделать предположение об их ведущей роли в подавлении иммунитета хозяина и запуске инфекционного процесса. Кроме того, эти гены индуцируют синтез ферментов агрессии — гиалуронидазы и стрептокиназы.

Анализ хромосом разных штаммов СТА, принадлежащих к одному серотипу (M1), выявил наличие существенных различий по характеру рестрикционных паттернов (pattern — шаблон, образец, англ.). Это свидетельствует, что серологическая классификация не всегда отражает эпидемиологические и эволюционные связи между штаммами, выделенными в разных регионах и в разное время. Вероятно, тяжесть течения стрептококковых инфекций не связана исключительно с генетической организацией патогенных стрептококков, а обусловлена сложным комплексом взаимоотношений в системе «паразит — хозяин», и состояние иммунного статуса хозяина играет при этом важную роль.

Построены предварительные генетические карты геномов и других серотипов стрептококков (М1, М3, М12, М18, М22 и М49). Их анализ выявил идентичность общей организации геномов на хромосомах. Гетерогенность же нуклеотидных последовательностей обусловлена бактериофагами, интегрированными в геном, и IS-элементами, распределенными по различным участкам геномов. Следует отметить, что у всех изученных штаммов СГА обнаружены интегрированные бактериофаги.

Организация генома патогенных стрептококков обеспечивает строгую сопряженность процессов репликации и белкового синтеза. Так, показано, что ген RecA белка у СГА принимает участие в обеспечении рекомбинационных процессов, в репарации ДНК, в запуске синтеза целого каскада белков, участвующих в SOS-ответе. Сам же белок RecA способствует выживанию клеток стрептококка на слизистых поверхностях в условиях воспаления и нейтрофильной инфильтрации.

У СГА выявлен mry-ген, который регулирует продукцию М-белка — основного фактора патогенности стрептококков этой группы. Установлена лидирующая роль трансмиссивных (плазмиды) и мигрирующих (транспозоны) генетических элементов в регуляции вирулентного фенотипа стрептококков.

Показано, что функционально сцепленные белки СГА, ассоциированные с клеточной стенкой и цитоплазматической мембраной (например, М-протеин, иммуноглобулиновые Fc-рецепторы, OF-фактор и др.), кодируются тесно сцепленными генетическими структурами, составляющими кластер генов, имеющий, вероятно, общую систему регуляции.

Ген С5а-пептидазы имеется только у штаммов стрептококков групп А,В,С, G, ни у каких других бактерий он не обнаружен. Ген, выявленный у СГА (scpA), обладает высокой степенью гомологии (до 98%) с геном scpB стрептококка группы В.

Синтез гиалуроновой кислоты регулируется опероном синтазы гиалуроновой кислоты, включающей 3 гена: has A, has В и has G. Ген has А кодирует гиалуроновую синтазу, ген has В — уридинфосфат, глюкозу, участие гена has С в образовании капсулы у стрептококков неизвестно.

Ген glu А кодирует синтез глютамин-синтетазы, являющейся функционально активным ферментом стрептококков. Вероятно, глютамин-синтетаза принимает участие в процессе синтеза клеточной стенки и выполняет функцию поверхностного рецептора. Инактивация этого фермента снижает вирулентность стрептококков.

Ген bac В кодирует синтез бета-С-антигена (белок ВАС) размером 14 кД, участвующего в связывании IgA. Он представляет собой фрагмент ДНК в 245 н.п. Этот ген обнаружен приблизительно у 50% штаммов, выделенных от людей, но у штаммов, полученных от животных, он отсутствует.

Все перечисленные поверхностные белки (С5а-пептидаза, глутаминсинтетаза, белок ВАС) можно рассматривать как факторы, участвующие в формировании вирулентного фенотипа стрептококков. На их основе могут быть получены вакцины, обладающие высоким протективным действием в отношении стрептококков различных видов.

Изучены некоторые механизмы горизонтального переноса генов между штаммами стрептококков различных групп. Важнейшая роль в этих процессах принадлежит трансдукции и конюгативноподобной передаче (КПП) плазмид на мембранных фильтрах. Феномен генетической трансформации обнаружен у стрептококков групп II, F, О, энтерококков, у отдельных штаммов зеленящих стрептококков и у S. pneumoniae. Попытки воспроизвести феномен трансформации у стрептококков группы А пока не увенчались успехом.

Трансдукция как естественный путь генетического обмена у стрептококков протекает с участием вирулентных (А5, А6, А12, А25, СА1) и умеренных (фаг шо) бактериофагов. С их участием в условиях эксперимента удалось передать целый ряд хромосомных и плазмидных маркеров: признак устойчивости к УФ-облучению, признак резистентности к некоторым антибиотикам (стрептомицину, линкомицину, канамицину, эритромицину, спектиномицину и бацитрацину), плазмиду ERL1, детерминирующую множественную антибиотикорезистентность у СГА, способность к синтезу М-протеина, фермента липопротеиназы. У стрептококков разных групп (А, В, С, D, А, Н) описано и изучено более 30 плазмид и у 21 из них выявлена способность к трансмиссии, протекающей наиболее активно у плазмид с молекулярной массой 15-21мД.

Показана не только внутри-, но и межгрупповая передача признаков, например, между стрептококками групп А, С и G. Частота трансдукции вирулентными фагами обычно варьирует в пределах 10-5-10-7. Считают, что бактериофаги стрептококков осуществляют неспецифическую генерализованную трансдукцию различных признаков, важных для выживания в условиях среды обитания, для характеристики степени патогенности и идентификации.

У стрептококков отсутствуют секс-пили, поэтому истинной конъюгации, происходящей в жидкой питательной среде, у них не наблюдается. Необходимое тесное взаимодействие донора и реципиента, по данным электронной микроскопии, происходит при КПП на мембранных фильтрах при ведущей роли липотейхоевых кислот клеточной стенки в формировании межклеточных контактов. Контроль КПП у стрептококков осуществляют плазмиды или транспозоны с конъюгативными функциями, встроенные в хромосомную или плазмидную ДНК, используя фермент транспозазу.

КПП как форма генетического обмена у СГА продемонстрирована для 6 плазмид MLS-типа антибиотикорезистентности (макролиды, линкозамиды, стрептограмин). Эти плазмиды передавали маркер антибиотикорезистентности MLS-типа с частотой 103— 105 как во внутригрупповых, так и в межгрупповых скрещиваниях. Эффект КПП зависел от фазы роста (оптимальная фаза логарифмического роста) и соотношения культур донор/реципиент (равное 1:1). Установлено, что у СГА индуцибель-ную резистентность к антибиотикам MLS-типа детерминирует трансмиссивная плазмида pSM22095 с молекулярной массой 18,8 мД. Построена физическая карта плазмиды pSM22095 и ее дериватов.

- Читать далее "Биологические модели стрептококковой инфекции"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 13.11.2019

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.