Как кишечная палочка становится убийцей: от безобидной бактерии до патогена

Мирный житель кишечника и его нормальная работа

В 1885 году немецкий педиатр Теодор Эшерих выделил из детского кала бактерию, которую позже назвали Escherichia coli. Подавляющее большинство её штаммов обитает в толстом кишечнике человека и теплокровных животных с первых дней жизни. Они занимают экологическую нишу на поверхности слизистой оболочки, не пуская туда опасных чужаков, синтезируют витамины группы B и витамин K, участвуют в переваривании остатков пищи.

В норме кишечная палочка сосуществует с иммунной системой без конфликтов. Иммунитет сдерживает её размножение в просвете кишечника, а сама бактерия не пытается проникнуть сквозь слизистый барьер эпителия. Проблема возникает в тот момент, когда геном стабильного симбионта перестраивается под воздействием внешних факторов.

Горизонтальный перенос генов как фабрика патогенности

У бактерий нет полового размножения в привычном виде, однако они непрерывно обмениваются генетическим материалом даже между разными видами. Передача генов от одной взрослой клетки к другой называется горизонтальным переносом. Обычная E. coli обладает чрезвычайно пластичным геномом, размер которого может колебаться от 4,5 до 5,5 миллионов пар оснований за счёт добавления новых генетических блоков.

Существуют три способа, с помощью которых мирная бактерия превращается в убийцу:

• Трансформация, при которой микроб поглощает свободные фрагменты чужой ДНК прямо из окружающей среды после гибели других бактерий.
• Трансдукция, когда бактериофаг случайно упаковывает в свой капсид гены токсинов предыдущего хозяина и впрыскивает их в здоровую кишечную палочку.
• Конъюгация, во время которой бактерии соединяются белковым мостиком и передают друг другу кольцевые молекулы ДНК — плазмиды.

В геноме накапливаются целые кластеры чужеродных генов, известные как островки патогенности. Они кодируют сложные белковые машины, превращающие бактерию в агрессивного захватчика.

Молекулярное оружие патогенных штаммов

Смертоносность кишечной палочки строится на трёх ключевых инструментах, позаимствованных у других микробов. Первый инструмент представляет собой систему секреции третьего типа. Это микроскопический шприц из белковых субъединиц, которым бактерия прокалывает мембрану клетки кишечного эпителия и вводит туда собственные белки-эффекторы. Один из таких белков, интимин, прочно привязывает бактерию к эпителию, полностью разрушая естественные ворсинки кишечника.

Второй компонент поражения заключается в шигаподобных токсинах, обозначаемых как Stx1 и Stx2. Гены этих токсинов кишечная палочка получила от близкой родственницы — дизентерийной палочки Shigella dysenteriae через бактериофаги. Токсин состоит из двух субъединиц. Субъединица B связывается с гликолипидными рецепторами Gb3 на поверхности клеток эндотелия кровеносных сосудов, а субъединица A проникает внутрь цитоплазмы. Там она отщепляет остаток аденина от 28S рибосомальной РНК. Синтез белка в клетке мгновенно останавливается, запуская апоптоз.

Массовая гибель эндотелиальных клеток приводит к внутренним кровотечениям в кишечнике, микротромбозам сосудов и разрушению клубочков почек. Развивается гемолитико-уремический синдром, вызывающий острую почечную недостаточность и угрожающий жизни.

Штаммы-убийцы в истории медицины

В зависимости от набора генов вирулентности патогенные кишечные палочки делят на несколько групп. Энтеропатогенные разрушают ворсинки, энтеротоксигенные выделяют токсины, вызывающие водянистую диарею путешественников, а энтерогеморрагические штаммы вызывают кровавый понос и поражение почек.

Самый известный энтерогеморрагический штамм носит серотип O157:H7. Буква O обозначает структуру липополисахарида внешней мембраны, а буква H указывает на белок жгутика. В 1982 году в США вспышка тяжелейшей инфекции после употребления недостаточно прожаренных бургеров привела к идентификации этого опасного агента. Главным резервуаром штамма оказался крупный рогатый скот. У коров нет рецепторов Gb3 в почках, поэтому бактерия живет в их кишечнике без малейшего вреда для животного.

В мае 2011 года в Германии вспыхнула ещё более смертоносная эпидемия, вызванная штаммом O104:H4. Источником заражения стала пророщенная пажитниковая трава. Исследования показали уникальную комбинацию генов. Бактерия обладала способностью прикрепляться к эпителию колониями по типу сложенной кирпичной кладки от энтероагрегативных штаммов, но при этом несла фаговый ген шигатоксина Stx2. В результате заразились тысячи людей, у сотен развился тяжелый гемолитико-уремический синдром.