Глава 1.3. Патогенность бактерий

Факторы патогенности. Инфицирование слизистых поверхностей. Инвазия. Внутриклеточная жизнь бактериальных патогенов. Жизнь внутри вакуоли. Взаимодействие бактериальных патогенов с иммунной системой хозяина. «Острова патогенности» и система секреции бактериальной клетки.

Наличие пептидогликана у бактериальной клетки определяет основную стратегию ее паразитизма, при которой продолжительность инфекционного процесса лимитируется иммунной системой хозяина (первая стратегия). Патогенная бактерия может кратковременно имитировать вторую стратегию путем несбалансированного роста, когда утрачивается клеточная стенка (L-формы бактерий) и она становится менее узнаваемой для иммунной системы хозяина. Однако в этом случае бактерия вынуждено переходит на более низкий уровень биосинтеза органических веществ, что приводит к замедлению ее размножения. В результате возбудитель не накапливается до такой степени, что бы вызвать типичный инфекционный процесс. Болезнь переходит в стадию резидентного бактерионосительства и может закончиться гибелью паразита без смены им хозяина. Для того, что бы быть патогенными, бактерии должны: инфицировать слизистые поверхности; проникать через них в хозяина; размножаться во внутренней среде хозяина; противодействовать его защитным механизмам и причинять ему вред. Необходимость в выполнении первых двух требований отпадает, если бактерии проникают в ткани через альвеолы (в составе мелкодисперсного аэрозоля) и поврежденную кожу (укусы переносчиков). Для выполнения каждого из этих требований бактерии должны обладать рядом биологических факторов, которые кратко описаны ниже [Smith H., 1995; Finlay В., Falkow S., 1997; Бухарин О.В., Литвин В.Ю., 1997].

Факторы патогенности. Каждый из них ответственен за проявление конкретных свойств микроорганизма в инфекционном процессе. К ним относят: факторы адгезии и колонизации — с их помощью бактерии распознают рецепторы на мембранах клеток, прикрепляются к ним и колонизируют клетки (различные поверхностные структуры клеточной стенки); факторы инвазии — благодаря им бактерия проникает в клетку (белки наружной мембраны); факторы, препятствующие фагоцитозу — либо маскируют бактерию от фагоцитоза (капсула), либо подавляют фагоцитоз (различные белки — белок А у стафилококков, белок М у стрептококков); факторы, подавляющие фагоцитоз — вещества, подавляющие окислительный взрыв фагоцитов (например, V-W-антигены Y. pestis); ферменты «защиты и агрессии» бактерий — способствуют распространению бактерий по тканям хозяина (гиалуронидаза, лецитиназа, протеазы и др.); эндотоксины  — представлены только у грамотрицательных микроорганизмов (липосахариды и связанные с ними белки клеточной стенки). Высвобождаются в среду организма после гибели клетки и обладают многообразным воспалительным и пирогенным действием неспецифического характера; экзотоксины (подробно о них в разделе 1.5) — токсические молекулы, активно секретируемые в окружающую среду с помощью специальных секретируемых систем [Коротяев А.И., Бабичев С.А., 1998]. Далее мы покажем участие этих факторов в инфекционных процессах.

Инфицирование слизистых поверхностей. Слизистые поверхности носоглотки, желудочно-кишечного тракта и половых путей, изобилуют комменсалами, которые ограничивают доступ патогенов к питательным веществам. Кроме того комменсалы занимают поверхностное пространство и продуцируют различные ингибирующие вещества. Механизм противодействия бактериальных патогенов комменсалам плохо изучен. Известно, что лишь очень небольшим количествам патогенов слизистой оболочки удается преодолеть эту защиту. Следующий барьер, который они должны преодолеть, это слизь. Обнаружено, по крайней мере, два механизма, позволяющие бактериям преодолевать этот барьер. Первый — это подвижность (т. е., обладание жгутиками) и хемотаксис. Второй — наличие в слизи рецепторов хозяина для адгезинов бактерий, которые удерживают бактерии и блокируют взаимодействие с рецепторами эпителиальных клеток. Патогенные бактерии способны расти в слизи, тем самым подавляя любые рецепторы или другие блокирующие агенты [Smith H., 1995]. Далее, что бы не допустить удаления в результате движения воздушного потока либо содержимого кишечника, им необходимо закрепиться на поверхности эпителия. Способность бактерий к адгезии и колонизации поверхностей закреплена естественным отбором. Она наблюдается не только в организме человека и теплокровных животных. Эта функция необходима бактериям при сапрофитическом существовании. Например, легионеллы активно прикрепляются к поверхности цианобактерий [Bohach, Snyder 1983], холерные вибрионы активно колонизируют зоопланктон, хитин которых используется ими как источник питания и стимулируют размножение холерных вибрионов [Nalin at al., 1979]. Таким об разом адгезия — это общебиологическое явление, известное как свойство микроорганизмов фиксироваться и размножаться, колонизируя поверхности различной природы. Большинство грамотрицательных бактерий прикрепляются к эпителиальным клеткам человека и животных с помощью адгезинов, представляющих собой особые органеллы [Бухарин О.В. и Усвяцов Б.Я., 1996]. Отдельные патогены используют сразу несколько «факторов адгезии», например, B. pertussis и H. influenzae. Наиболее распространенными являются пили — выросты нитевидной формы, расположенные на полюсах бактериальной клетки. Как правило, они состоят из белковых субъединиц с молекулярной массой 15000—30000 и содержат до 50 % гидрофобных аминокислот [Мороз А.Ф., 1988]. Пили используются бактериями для связи с субстратами почвы, и этот процесс нередко имеет характер адгезин-рецепторного взаимодействия, обеспечивающего им высокую специфичность при колонизации в организме теплокровного. Например, пили уропатогенньп кишечных палочек связываются с группировкой альфа-D-галактопиранозил-(1–4) — бета-В-галактопиранозида, входящей в состав гликолипида поверхности эпителия, выстилающего верхний отдел уринарного тракта [Hultgren S. et al., 1993]. Количество и тонкая структура таких рецепторов в уринарном тракте человека варьируют, однако у уропатогенных бактерий синтезируются различные адгезиновые варианты пилей, что значительно повышает вероятность их адгезии Синегнойная палочка проявляет адгезивные свойства по отношению к эпителию дыхательного тракта, чем объясняется частая его колонизация при застойных явлениях в трахее и бронхах. Адгезия синегнойной палочки к другим эукариотическим клеткам происходит только в случае их термического или химического повреждения [Мороз А.Ф., 1988].

Адгезия бактериального патогена может осуществляться к компонентам внеклеточного матрикса — фибронектину, коллагену, ламинину и др. Матриксные белки имеют последовательность RGD, с которой взаимодействуют интегрины клеточной поверхности. Тем самым белки внеклеточного матрикса способствуют «приклеиванию» бактерий к клеткам-мишеням хозяина [Finlay В., Falkow S., 1997]. Адгезия бактерий к таким белкам носит специфический характер и каждый патоген реализует эту возможность «по-своему». Для проявления патогенности некоторых бактерий критическое значение имеет их взаимодействие с матриксными белками. Например, белок YadA способствует связыванию Yersinia enterocolitica с клеточным, но не плазменным фибронектином посредством адгезии с коллагенами и ламинининами. Утрата YadA снижает вирулентность возбудителя иерсиниоза для мышей почти в 100 раз [Pere J.C. et al., 1995].

В последние годы стало ясно, что адгезия бактерий не является простым механическим взаимодействием их лиганд-структур с рецепторами на поверхности клеток-мишеней хозяина, имеющими другое предназначение. Взаимодействие патогена с клеткой хозяина может приводить к активации сигнальных систем клеток непосредственно бактериальным компонентом, либо через стимуляцию активационных факторов хозяина, например, воспалительных цитокинов. Было показано, что энтеропатогенные кишечные палочки (ЕРЕС) секретируют белки, активирующие сигнальный путь, включающий фосфорилирование одного из белков клетки-хозяина — Нр90. После этого становится возможной адгезия бактерии к поверхности клетки. Самым удивительным для ученых, обнаружившим данное явление, оказалось то, что тирозин-фосфорилированная форма Нр90 и есть тот рецептор, с которым взаимодействует адгезии ЕРЕС — наружный мембранный белок интимин (94 кд), кодируемый еае-геном [Rosenshine et al., 1996; Goosney D. et al., 1999]. Механизм, запускающий инвазию бактерий после их адгезии к клеткам хозяина, включается еще до того, как эта адгезия произошла. Бактерии способны «чувствовать» свое окружение и регулировать плотность своих популяций посредством сигналов «от клетки к клетке» (рис. 7).

Рис. 7. Схематическое изображение запуска генов инвазии пролиферирующими бактериями. Самая простая система передачи сигнала «от клетки к клетке» предполагает взаимодействие двух генов. Первый — это ген I, кодирующий автоиндуцируемую синтетазу, второй — R-ген, кодирующий транскрипциональный активаторный белок (R-белок). Автоиндуцируемая синтетаза отвечает за синтез автоиндуцируемой молекулы (AI), которая проникает: через клеточную мембрану. С увеличением клеточной плотности внеклеточная концентрация AI возрастает тысячекратно, и AI связывает транскрипциональный активатор. Комплекс R-белок/АI активирует экспрессию гена-мишени, например, обеспечивающего бактерии способность проникать в клетку-мишень [Van Delden С, Iglewski В., 1998]

Заметим, что почти все факторы вирулентности бактерий строго регулируются, при этом их экспрессия связана с различными сигналами окружающей среды (температура, концентрация ионов, осмолярность, количество железа, рН, наличие источника углерода, содержание кислорода и др.). Патогены используют один или более из этих факторов для того, чтобы «понять» в какой микросреде, т. е., на какой стадии инфекционного процесса они находятся в настоящее время. Например, гены инвазии обычно включаются на ранней стадии инфекции, но подавляются, когда бактерии проникают внутрь клеток хозяина [Finlay В., Falkow S., 1997].

Обращает на себя внимание избыточность механизмов адгезии и колонизации у бактерий.

Инвазия. Многие патогенные микроорганизмы способны проникать в клетки хозяина и активно в них размножаться. Для проникновения в клетки бактерии используют адгезивные молекулы, называемые инвазинами. Наиболее распространенный механизм адгезии включает активацию сигналов в клетке хозяина, которые делают возможным инвазию бактерий посредством запуска нормальных клеточных реакций. Проникновение же бактерий в клетку обеспечивается элементами ее цитоскелета.

Некоторые патогены, например, Rickettsia prowazeckii, продуцируют фосфолипазы, разрушающие клеточную стенку вокруг «прилипшего» микроорганизма и он проникает непосредственно в цитоплазму [Walker D.H. et al., 1983]. Однако каким образом осуществляется контроль энзиматической деградации, предотвращающий клеточный лизис и как клетки хозяина восстанавливают свои мембраны после инвазии, остается неизвестным [Finlay В., Falkow S., 1997].

Рассмотрим более изученные механизмы инвазии. В табл. 1 сопоставлены механизмы инвазии некоторых патогенных бактерий.

Таблица 1