Золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus) – широко и печально известный бактериальный патоген, который за десятилетия, прошедшие после начала эры антибиотиков, успешно приобрел целый набор генов, определяющих устойчивость к ним, что заставило сдать в архив множество антибактериальных препаратов, которыми некогда лечили заболевания, вызванные этим весьма активным микроорганизмом. Устойчивые к метициллину золотистые стафилококки стали одним из самых опасных грамположительных возбудителей, способных вызывать тяжелые и угрожающие смертью поражения в госпиталях и вне их стен. Помимо устойчивости к таким бета-лактамным антибиотикам, как метициллин, они часто приобретают поливалентную устойчивость вместе с сонмом вирулентных факторов, связанных с повышенной патогенностью и способствующих их более успешному размножению в организмах пациентов (Gordon, Lowy, 2008; Otto, 2010). Эти вирулентные, устойчивые к метициллину штаммы золотистого стафилококка распространились теперь по всему миру и часто становятся виновниками вспышек стафилококковой инфекции в больницах, воинских частях и детских учреждениях. Особенно опасны вспышки такой инфекции в больницах, где она может оказаться смертельной для ослабленных пациентов. Сегодня количество устойчивых к антибиотикам и высоковирулентных бактериальных патогенов достигло критического уровня. Главный вызов общественному здравоохранению заключается в способности бактерий претерпевать быстрые приспособительные эволюционные изменения при столкновении с антибактериальными лекарственными средствами. Золотистый стафилококк обладает этими способностями в избытке. Основная проблема заключается в отборе устойчивых к лекарствам штаммов и штаммов с усиленными или измененными болезнетворными свойствами. Эти эволюционные приспособления возникают вследствие мутаций и изменений бактериального генома, но более важная причина заключается во включении новой генетической информации, приобретенной путем горизонтального переноса генов из родственных и неродственных бактериальных геномов.

В то время как холерный вибрион и кишечная палочка становятся более вирулентными в результате получения новой генетической информации с фагами, штаммы золотистого стафилококка развиваются и изменяются вследствие приобретения дополнительных генетических элементов. Эти носители, каждый из которых часто встречается в бактериальном метагеноме, варьируют от профагов, плазмид, транспозонов до островков патогенности (Baba et al., 2002; Kuroda et al., 2001). Эти носители в совокупности можно считать содержащими «мобилому», библиотеку мобильного генетического материала, который может с замечательной легкостью обмениваться между родственными и неродственными видами бактерий. Мобилома имеет особую ценность для передающихся патогенных бактерий, которые постоянно подвергаются меняющемуся давлению отбора в организмах разных хозяев, а также испытывают воздействия разнообразной антибактериальной терапии. Фаги, плазмиды и островки патогенности являются превосходными носителями генетического разнообразия, так как могут переносить целые гены и генные кластеры между бактериями. Сложные фенотипические признаки могут, таким образом, приобретаться в результате одного, мгновенно происходящего события. Плазмиды уникальны среди этих медиаторов горизонтального переноса генов тем, что не образуют инфекционных внеклеточных форм, опираясь на конъюгацию клеток для мобилизации и переноса. Как таковые плазмиды не считаются вирусами. То, что мы не станем обсуждать их, нисколько не умаляет их важную роль в генетическом обмене между бактериальными клетками.

Фаги отвечают за поддержание микробного разнообразия, и именно они несут главную часть вины за усиление патогенности бактерий в результате конверсии фагов. Фаги облегчают адаптацию к новым хозяевам и новым условиям окружающей среды, поставляя в клетки ассоциированную с ними генетическую информацию, которая включается в хромосому клетки-хозяина. Это включение может стать основой селективного преимущества, если говорить об успешной репликации, для генома бактерии, а также и для ДНК самого фага, который эгоистично пользуется побочным преимуществом репликативного успеха своего хозяина. Фаги едут дальше вместе с геномом хозяина, но могут, время от времени, овладеть полем и стать литическими, в надежде на большой выигрыш, на обретение нового хозяина, где, вероятно, можно будет реплицировать свой геном еще быстрее.

Островки патогенности – это мобильные генетические элементы, обнаруживаемые в геномах большого числа как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий (Novick, Christic, Penades, 2010). Островки патогенности содержат крупные кластеры генов и множество тысяч пар оснований ДНК. Появление столь многих патогенных штаммов золотистого стафилококка за такой короткий период демонстрирует мощное влияние островков патогенности на ее проявления у бактерий. Эти генные кассеты обрамлены повторяющимися последовательностями ДНК и кодируют интегразы, напоминающие таковые умеренных фагов, то есть фагов, которые превращают бактериальные клетки в лизогенные. Этот массивный набор генов кодирует белки с широким диапазоном функций, включая устойчивость к лекарствам, а также содержит гены вирулентности, кодирующие токсины, суперантигены, а также и другие новые генные продукты. Это самостоятельная и весьма ценная генетическая валюта островков патогенности. Их получение бактерией может позволить ей немедленно экспрессировать множество новых генов, что обеспечивает клетку-реципиента новым фенотипом, на который может воздействовать естественный отбор. Распространение островков как паразитов бактериальных геномов зависит от конкурентного преимущества, обеспечиваемого их генетическим грузом, и именно этот груз делает островки столь важным катализатором адаптивной эволюции бактерий. Главным фактором успеха является мобильность островков, и – вы угадали – главным фактором их мобильности являются фаги!

Островки патогенности – это самостоятельно и независимо развивающиеся эгоистичные генетические элементы, которым для того, чтобы поддерживать свой жизненный цикл, приходится паразитировать на фагах. В этом отношении они подпадают под данное мною широкое определение вирусов. Островок патогенности можно считать окончательным лизогеном. У островков отсутствуют гены, обеспечивающие их мобильность, и им приходится опираться на помощь «хелперного вируса», для того чтобы завершить свой независимый репликативный жизненный цикл (Ram et al., 2012; Tormo-Mas et al., 2010). Инфицирование фагом или индукция фага в клетке-хозяине островков активирует патогенные островки – их гены начинают репликативный цикл и мобилизацию. ДНК островков патогенности вырезается из хромосомы клетки-хозяина, с формированием кольцевидного генома, который реплицируется под влиянием ферментов синтеза ДНК клетки-хозяина. С этого момента продуцируется еще больше генных продуктов островка патогенности, что позволяет использовать структурные белки хелперного фага для построения инфекционных вирусных частиц, содержащих их геном. Эти вирусные частицы продуцируются в больших количествах и являются носителями эффективного горизонтального транспорта генов островков патогенности между бактериями. Репликация островка патогенности разрушительно действует на хелперный фаг, который не способен эффективно продуцировать свои собственные вирионы перед лицом активированного паразита. Это подавление репродукции хелперного фага называют «парадигмой молекулярного паразитизма». Этот механизм был изучен и охарактеризован в изящных исследованиях островков патогенности золотистого стафилококка и хелперного фага 80α (Ram et al., 2012; Novick, Christic, Penades, 2010). Этот треугольник отношений между клеткой-хозяином, островком патогенности и фагом 80α развился в результате длительного совместного процесса; хотя понятно, что бактериальная клетка получает преимущество от присутствия островка патогенности, который, в свою очередь, получает «товары и услуги» от хелперного фага 80α, но не ясно, почему сам фаг играет в эти игры. Он эгоист, и давление естественного отбора, как ожидается, должно повышать его шансы на успешность репликации. Оказывая помощь паразитическому островку патогенности, он вредит этой основополагающей цели, так как в результате репликация фага 80α страдает и образуется меньше инфекционных частиц. Тем не менее было обнаружено множество случаев подобных взаимоотношений, включая различные островки патогенности, использующие разные виды фагов. Поскольку все эти отношения представляются эволюционно стабильными, мы должны заключить, что геном хелперного фага извлекает какое-то репликативное преимущество из этого «любовного» треугольника. Можно утверждать, что уменьшение литической плодовитости фага многократно перевешивается увеличением и здоровьем бактериальной клеточной популяции, что увеличивает число доступных новых хозяев.