Подобно безвредным морским бактериям – холерным 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 (O’Brien 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 токсина – весьма 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.

У лизогена кишечной палочки существует один большой недостаток. Токсины Шига могут продуцироваться бактерией 0157-Н7 только во время литической репликации фага. Продукция токсина, следовательно, связана с индукцией профага и лизисом клетки (Wagner et al., 2001; Wagner, Waldor, 2002). Таким образом, диарея, необходимая для распространения болезни, возникает за счет патогенных лизогенов кишечной палочки. Для каждой отдельной кишечной палочки это несчастье, но индуцируются не все ее лизогены, и распространение жизнеспособных генетически идентичных лизогенизированных палочек 057-Н7 гарантируется сильным поносом, вызываемым токсином. Так же как при холере, вероятность успешной передачи патогена другим хозяевам повышается параллельно с усилением диареи. Есть и другие феномены, играющие роль в заболеваниях, вызываемых патогенными штаммами кишечной палочки. Полагают, что индукция фага и высвобождение инфекционных частиц играют роль в усугублении болезни благодаря началу литического инфицирования других бактерий кишечника. Эти клетки, в свою очередь, тоже начинают высвобождать токсин Шига (Mills et al., 2013; Gamage, Strasser, Chalk, 2003). Таким образом, обладание лизогенным фагом является бомбой замедленного действия для бактерий, в которых происходит индукция, но в целом это обладание полезно для бактериальной популяции, так как повышает успешность ее размножения и передачу в человеческой популяции.

Наличие профагов в геномах бактерий может быть обоюдоострым мечом. Исследования показывают, что спонтанная реактивация профага в популяции лизогенных бактериальных клеток может происходить с невысокой, но довольно значительной частотой. В каждый данный момент индукция происходит в 1 на 1000 до 1 на 10 000 бактериальных клеток в культуре. Это фатальное событие в жизни ничтожного меньшинства популяции, но сам факт, что многие линии бактерий стабильно ассоциированы с индуцибельными профагами, позволяет предположить, что в этом заключается определенное преимущество для клеток-хозяев. Энтерогеморрагическая кишечная палочка обладает всеми этими свойствами. Индуцибельный профаг ведет себя, по сути, как ген хозяина, чей фенотип обусловливает самоубийство некоторых индивидов. Однако гены фага определяют и другой феномен – секрецию токсина. Этот фенотип некоторых индивидов полезен для всей популяции, имеющей в геноме индуцибельный профаг.

Тяжесть заболевания, вызываемого энтерогеморрагической кишечной палочкой, коррелирует с частотой индукции. Чем больше токсина выделяется, тем сильнее повреждение слизистой оболочки кишечника. Несмотря на то что индукция профагов происходит спонтанно и с низкой частотой, она усиливается в условиях стресса для бактериальных клеток. Такой ответ благотворен для генов фага, которые рискуют погибнуть в мертвой бактерии. Действительно, такое часто происходит во время заболевания. Среди условий, индуцирующих профаги, немалую роль играет активная форма кислорода, высвобождаемая иммунокомпетентными клетками в ответ на инфекцию (Wagner, Acheson, Waldor, 2001). Лечение фторхинолоновыми антибиотиками подавляет репликацию бактериальной ДНК и вызывает повреждение ДНК хромосомы, что продуцирует у фагов SOS-ответ, индукцию и выделение токсина (Zhang et al., 2000; Ubeda et al., 2005; De Paepe et al., 2014; Maiques et al., 2006). Существует много данных о том, что антибиотики стимулируют продукцию токсина клетками энтерогеморрагической кишечной палочки, и, следовательно, неудивительно, что лечение антибиотиками может ухудшить течение заболевания (Wong et al., 2000; Zhang et al., 2000). По этой причине при геморрагическом колите воздерживаются от введения антибиотиков и ограничиваются поддерживающей терапией.

В наши дни случаи заболеваний, вызванных энтерогеморрагической кишечной палочкой, и вспышки инфекции палочкой штамма 0157-Н7 встречаются редко. Большую часть времени бактерия (вместе со своим пассажиром фагом) реплицируется в организме своего естественного хозяина, чаще всего в кишечнике жвачного животного, у которого она никогда не вызывает заболеваний. Но если бактерия воспроизводится здесь, не причиняя хозяину никакого вреда, то содержит ли она в природе кодирующие токсин профаги, которые для нее являются бомбой замедленного действия, ядовитой пилюлей, реактивация которой грозит бактерии смертью? Представляется, что если подавляющее большинство палочек 0157-Н7 реплицируется в организмах крупного рогатого скота и вызывающий болезнь токсин Шига не играет роли в их репликативном успехе, то, значит, им нет никакой пользы от профага. Следовательно, должно быть какое-то положительное давление естественного отбора, которое заставляет палочку 0157-Н7 сохранять профаг в условиях главного резервуара своего вида. Сравнительное исследование множества бактериальных геномов показало, что они чаще всего содержат значительное число профагов, но это всего лишь дефектные или фрагментарные остатки некогда нормально функционировавших профагов (Kuo, Ochman, 2010; Lawrence, Hendrix, Casjens, 2001). Из этого наблюдения можно вывести, что естественный отбор часто благоприятствует бактериальным геномам, в которых многие профаги нейтрализованы и неспособны активироваться. Бактерии часто получают пользу от конверсии фагов, но не сохраняют функционально активные профаги и их способность к индукции, причиняющей клетке смерть. Индукция фага, как правило, ограниченная немногими клетками популяции, может происходить с высокой скоростью и частотой в условиях, когда клетка-хозяин подвергается стрессовому воздействию. Поскольку каждая бактериальная клетка может содержать множество профагов, постольку легко видеть, что должно быть сильным давление отбора, направленное на их инактивацию, если нет противоположно направленного давления, заставляющего сохранять функциональность профагов. В случае палочки 0157-Н7 ученые считают, что токсины Шига обеспечивают преимущество в выживании бактерий, обитающих в кишечнике крупного рогатого скота (Steinberg, Levin, 2007). Полагают, что обладание токсинами Шига защищает бактерии от пастбищного зоопланктона, который тоже обитает в кишечнике пастбищных животных. Если это действительно так, то появление этих патогенных токсикогенных кишечных палочек у человека – лишь результат неудачного совпадения и наследство борьбы за существование и за эволюционные преимущества в выживании в естественной нише – в кишечнике крупного рогатого скота.