Первым действующим лицом этого превращения является сегмент ДНК длиной в 41 тысячу нуклеотидных оснований, содержащий генный кластер, кодирующий белки для содержащих токсин фимбрий. Второе действующее лицоумеренный фаг CTXФ, снабженный одноцепочечной ДНК, в которой расположены гены, кодирующие холерный токсинCtxAB (Waldor, Mekalanos, 1996). Фимбрии (бахромки) на поверхности бактерии не только помогают ей прикрепиться к стенке тонкой кишки, но и являются клеточными рецепторами к CTXФ. Клетки вибриона, обладающие фимбриями, распознаются и инфицируются фагом CTXФ. Представляется, что предковая форма холерного вибриона вначале приобрела генный кластер, кодирующий фимбрии, что открыло путь инфицированию и конверсии фага CTXФ (Davis, Waldor. 2003). Профаг CTXФ и его гены, отвечающие за синтез токсина, являются частью генома клетки-хозяина и наследуются дочерними клетками вибриона. После первоначального инфицирования клетка-хозяин и ее CTXФ претерпели выраженную адаптивную совместную эволюцию. Имеет место тонкое взаимодействие между геномами профага и клетки-хозяина, и это взаимодействие наиболее очевидным образом проявляется в регуляции активности генов токсина в профаге. Экспрессия их преимущественно направляется не самим фагом, но белками, кодируемыми генами бактерии. Этот мутуализм в форме кооперативной регуляции активности генов создает оптимальные условия для вирулентности и пенетрантности бактерии (Davis, Waldor, 2003; McLeod et al., 2005). Нитчатые фаги сильно отличаются от образцовых фагов, с которыми мы познакомились в главе 2, от хвостатого фага. Эффективное инфицирование нитчатыми фагами не приводит к лизису и смерти клетки-хозяина. Напротив, после репликации и сборки дочерних вирусных частиц они секретируются из клетки через кодируемый бактериальной клеткой поровый белковый комплекс. В отличие от литических фагов CTXФ может активно реплицироваться внутри холерного вибриона и продуцировать дочерние фаги, не убивая клетку-хозяина (Faruque, Albert, Mekalanos, 1998). Процесс индукции фага CTXФ также отличается особенностями: она происходит без вырезания профага из хромосомы клетки-хозяина. Следовательно, лизоген CTXФ может индуцироваться, вступать в репликативный цикл и высвобождать дочерние частицы фага, сохраняя одновременно и клетку-хозяина и профаг. Таким образом, CTXФ может осуществлять лизогению и реплицироваться как часть бактериального генома, а также одновременно инфицировать и другие клетки, высвобождая из клетки-хозяина новые вирусные частицы. Таким образом, генетическая информация может распространяться как вертикально, так и горизонтально между клетками-хозяевами. Фаги такого типа могут съесть пирог и одновременно сохранить его.
В этой драме есть и мощный помощник. Это тоже фаг, близкий сородич CTXФ, называемый RS1, который часто обнаруживают включенным в ДНК клетки-хозяина рядом с профагом CTXФ (Faruque et al., 2002; Davis, Waldor, 2003). Правда, RS1, в отличие от CTXФ, является дефектным фагом и не имеет полного набора генов, необходимых для осуществления его репликации и сборки новой вирусной частицы. Действительно, RS1 не кодирует структурные вирусные белки. Вместо этого ондля упаковки своего геномаиспользует вирусные частицы, синтезированные фагом CTXФ. Это добавочный фаг, который паразитирует на CTXФ. Фаг RS1 так часто обнаруживают вместе с CTXФ в патогенных холерных вибрионах, что ученые предположили, что присутствие его дает лизогену какое-то конкурентное преимущество, и оказались правы. Белок, продуцируемый RS1, а не фагом CTXФ, может регулировать экспрессию генов, кодирующих холерный токсин в профаге CTXФ. RS1 полезен для лизогена CTXФ, потому что его гены способствуют успешной передаче бактериального патогена новым хозяевам. Естественный отбор, действующий на геном CTXФ, благоприятствует сохранению паразитизма RS1, так как гены CTXФ реплицируются более успешно в условиях более массивного распространения вибрионов во время эпидемий.
Приобретение лизогенных фагов и последовательностей чужеродной ДНК холерным вибрионом исключительно важно для его патогенности и эпидемического потенциала. Находящийся во внешней среде холерный вибрион не обладает токсическими генами и не вызывает заболевания, и это позволяет предположить, что сама по себе способность секретировать токсин не дает бактерии никаких эволюционных преимуществ в ее обычной, морской среде обитания (Faruque, Albert, Mekalanos, 1998). Однако лизогены холерного вибриона, обладающие генами, кодирующими токсин, имеют конкурентные преимущества, позволяющие им колонизировать новую нишукишечник человека. Гены холерного токсина опосредованно вызывают сильный понос, то есть способствуют более успешной передаче возбудителей холеры от одного хозяина другому. Более того, поскольку нитчатые фаги не вызывают лизиса клеток-хозяев, постольку эти клетки не погибают во время репликации фага и продукции частиц фага. Для бактерии здесь вообще отсутствует «неприятная изнанка». Фаги получают преимущества при сохранении жизнеспособности клеток-хозяев и при усилении вирулентности и заразительности. Генетическая информация фага, распространяющаяся во время эпидемий холеры, имеет больше возможности для размножения, освоения новых хозяев и достижения своих эгоистичных целей.
Происхождение генов холерного токсина, CtxAB, остается неясным. Происходят ли они из фагового или бактериального метагенома? Мы знаем, что предковые формы CTXФ не имели генов токсина, так как были обнаружены естественные нетоксичные вибрионы, лизогенизированные фагом CTXФ, не имеющим кластера генов, кодирующих токсин (Boyd, Heilpern, Waldor, 2000). Таким образом, представляется вполне вероятным, что CTXФ приобрел гены токсина при трансдукции, когда невероятная на первый взгляд рекомбинация включила сегмент ДНК клетки-хозяина или другого фага в его геном. Эти наблюдения показывают, что конверсия фага холерного вибриона происходила множество раз, каждый раз независимо, и что холерный вибрион служит естественным хозяином этого фага. Наблюдавшаяся в этом случае полная трансдукция является характерным эволюционным приемом для фагов. Гены токсина благотворны для фага, так как позволяют ему распространяться в среде, в которой он в противном случае не смог бы зацепиться. В данном случае вирулентность и болезнетворные свойства идут рука об руку с давлением отбора и создают чрезвычайно эффективный переносчик заболевания, выкованный в ходе деятельности бесчисленных поколений, ускоренной вмешательством фага.
Выберите свой яд
Подобно безвредным морским бактериямхолерным вибрионам, обитающим в морских экологических нишах, кишечная палочка неприметно обитает в желудочно-кишечном тракте многих млекопитающих, не принося никакого вреда хозяину. Патогенные штаммы кишечной палочки также возникают в результате конверсии фага, а затем вызывают многочисленные заболевания: чаще всего это диарея вследствие поражения кишечника, но кишечная палочка может поражать также мочеполовой и дыхательный тракт. Здесь мы обсудим энтерогеморрагическую кишечную палочку, которую чаще всего обнаруживают в говяжьем фарше. Энтерогеморрагическая кишечная палочка вызывает у человека тяжелое заболевание: кровавый понос, геморрагический колит и гемолитический уремический синдром. Виновником всех этих несчастий является штамм кишечной палочки 0157-Н7, впервые выделенный в 1982 году. Этот штамм вызывал зоонозы и передавался через зараженную пищу (Riley et al., 1983). Кишечная палочка 0157-Н7 чаще всего обитает в кишках других видов: крупного рогатого скота и других копытных животных. Патогенной она становится, только попадая в кишечник человека из зараженной пищи или воды. Патогенные штаммы кишечной палочки, каковых существует великое множество, снабжены разнообразными кластерами вирулентных генов, но необычно тяжелое заболевание, вызываемое кишечной палочкой 0157-Н7, обусловлено продукцией токсинов Шига. Кишечная палочка 0157-Н7 получает гены токсина, Stx1 и Stx2, в результате конверсии фага после инфицирования хвостатым двухцепочечным ДНК-содержащим фагом (OBrien et al., 1984). Болезнь развивается в результате выделения токсина в просвет кишечника. Токсин беспрепятственно поступает в клетки слизистой оболочки кишечника, где нарушает механизмы синтеза белка, что приводит к гибели клеток и некрозу тканей. Часть токсина проникает в системный кровоток и поражает восприимчивые клетки и органы, в частности почки, что и приводит к гемолитическому уремическому синдрому и возможной почечной недостаточности. Для инфекционного агента, каковым является кишечная палочка 0157-Н7, обладание генами токсинавесьма выгодный признак. Так же как и при холере, понос способствует передаче бактерий новым хозяевам. Конечно, эти преимущества для бактерии являются одновременно преимуществами для лизогенного фага.