УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2011, том 131, № 3, с. 227-243
УДК 577. 323.75(047)
МИКОБАКТЕРИИ ТУБЕРКУЛЕЗНОГО КОМПЛЕКСА: ГЕНОМИКА, МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭПИДЕМИОЛОГИЯ, ПУТИ ЭВОЛЮЦИИ
© 2011 г. А.А. Прозоров, В.Н. Даниленко
Учреждение Российской академии наук Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН, Москва
E-mail: prozorov@vigg.ru
Рассмотрены и обобщены результаты работ последних 30 лет в области молекулярной эпидемиологии подвидов микобактерий, входящих в так называемый туберкулезный комплекс (собственно подвид Mycobacterium tuberculosis, а также подвиды M. bovis, M. аШсапиш, M. саргае, M. pinnipedi, M. microti и M. canettii). Молекулярная эпидемиология, основанная на различиях строения генома микобактерий, впервые позволила подразделить изоляты, выделенные от больных туберкулезом в разных регионах мира, на ряд групп и подгрупп. Это в свою очередь дало возможность проследить эпидемические цепочки при вспышках туберкулеза. Использование методов молекулярной эпидемиологии помогло разработать способы микробиологической диагностики туберкулеза, дающие быстрый ответ о наличии возбудителей в патологическом материале и о лекарственной устойчивости этих возбудителей. Наконец, данные молекулярной эпидемиологии легли в основу представлений об эволюции микобактерий, входящих в туберкулезный комплекс.
Ключевые слова: микобактерии, особенности геномики, методы молекулярной эпидемиологии, типирование, лабораторная диагностика, эволюция.
Туберкулез является причиной от 2 до 3 млн смертей в год во всем мире. При этом 95% случаев заболеваний приходится на легочный туберкулез [23]. Около 1/3 населения земли инфицировано туберкулезными бактериями, которые годами и десятилетиями могут находиться в латентном состоянии, не вызывая клинических симптомов болезни. Такой баланс между организмом хозяина и паразитом может быть нарушен в силу различных обстоятельств. Так, обострение туберкулезного процесса и заражение de novo является одной из основных причин гибели больных СПИДом и с другими состояниями иммунодефицита. Наконец, убытки от туберкулеза сельскохозяйственных животных исчисляются в 3 млрд долларов в год [23, 36].
Хотя возбудителем "классического" человеческого туберкулеза является подвид Mycobacterium tuberculosis - бактерия, открытая еще во второй половине позапрошлого века Робертом Кохом, заболевания с подчас неотличимой, или очень схожей симптоматикой вызываются и другими микобактериями, входящими в одну и ту же группу так называемого туберкулёзного комплекса (ТК). Всех членов ТК относят к одному и тому же виду (или филотипу), также носящему название M. tuberculosis, и считают подвидами.
Эти подвиды в свою очередь могут быть подвергнуты дальнейшему подразделению. Такая дифференцировка отчасти осуществляется за счет различий в культуральных особенностях, составе клеточной оболочки бактерий и антигенных свойствах. Однако большей частью этих критериев недостаточно (особенно для подробного тестирования изолятов собственно подвида M. tuberculosis). Около 30 лет назад появились методы молекулярной эпидемиологии, основанные на различиях в строении генома микобактерий. Эти методы дали возможность более четко дифференцировать подвиды микобактерий, входящих в ТК, а главное - разделить на группы и подгруппы подвид M. tuberculosis и выявить эпидемические цепочки при возникновении вспышек заболеваний туберкулезом. Попутно были усовершенствованы методы микробиологической диагностики. Наконец, на основании данных молекулярной эпидемиологии удалось получить представление о происхождении и эволюции членов ТК.
В настоящем обзоре рассматриваются особенности геномики микобактерий, принципы, положенные в основу методов, которые употребляются в молекулярной эпидемиологии, и результаты, полученные при применении этих методов.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МИКОБАКТЕРИЙ, ОТНОСЯЩИХСЯ К ТУБЕРКУЛЁЗНОМУ КОМПЛЕКСУ
Как уже упоминалось, все микобактерии ТК относят к одному виду или филотипу -M. tuberculosis (поскольку они имеют одни и те же характеристики генов 16 S-РНК), но их делят на ряд подвидов: собственно M. tuberculosis, M. africanum, M. bovis, M. caprae, M. pinnipedi, M. microti и M. canettii (см. обзоры: [10, 80, 92]). Подвид M. tuberculosis (в старой литературе -M. tuberculosis hominis) поражает человека и ряд лабораторных животных, вызывая главным образом туберкулёз лёгких (но, хотя и реже, также другие формы заболевания). Подвид M. africanum -также человеческий патоген, эндемичен для Африки южнее Сахары и вызывает типичный туберкулёз с относительно легким течением болезни. M. bovis поражает преимущественно лимфатические железы кишечника и других органов у целого ряда домашних и диких животных, а также человека. У населения Европы около 10% всех туберкулезных заболеваний вызывается M. bovis; но при этом лишь в 5% случаев возникает туберкулез легких. Человек заражается главным образом через молоко больных коров. Болезнь среди людей распространена повсеместно - где есть больной домашний скот, и где пьют сырое молоко. К тому же подвиду относится и вакцинный штамм БЦЖ с ослабленной вирулентностью, сообщающий нестерильный иммунитет. Благодаря широкому проведению вакцинации, этот штамм, начиная с 1925 г., расселился по всему миру. Изредка он является причиной лимфаденитов и других осложнений. Подвиды M. caprae и M. pinnipedi были выделены соответственно от больных коз в Испании, и от тюленей. M. microti вызывает заболевания полевок; штаммы впервые выделены в Англии. Существенного значения для медицины эти три подвида не имеют. Наконец, M. canettii является причиной заболеваний людей в Восточной Африке. Болезнь клинически соответствует легко протекающему туберкулёзу, но встречается очень редко. Большое внимание, которое уделяют этому подвиду, объясняется его вероятной близостью к гипотетическому предку всех микобактерий, входящих в ТК.
Почти все члены ТК относятся к микобактери-ям с замедленным ростом (сроки генерации близки к 24 ч); колонии на плотных средах появляются через 3-4 недели после посева, иногда позже. Колонии обычно морщинистые, сухие, плохо эмульгируются, беловато-серого цвета. Исключение составляет M. canettii с белыми, выпуклыми,
мягкими колониями, вырастающими через 4-5 дней [76]. Как и другие микобактерии, члены ТК имеют в составе клеточной стенки большое количество липидов и жирных кислот, с чем связана их кислотоустойчивость. Будучи окрашены карболовым фуксином, они не обесцвечиваются даже после последующей обработки кислотой. Кислотоустойчивость является одной из причин ошибок в микробиологической диагностике туберкулёза, так как ряд других патогенных мико-бактерий (M. avium и близкие подвиды) в окрашенных мазках мокроты выглядят точно так же, как члены ТК. Это относится и к условно-патогенным микобактериям других видов (M. kansasi, M.gordоnae и др.). Еще в 50-х годах прошлого века их иногда считали изменившимся возбудителем туберкулеза и называли атипичными штаммами (см. обзор [4]). В настоящее время их объединяют под аббревиатурой НТМБ (нетуберкулёзные микобактерии; см. обзор [107] и монографию [3] ). Еще одной характеристикой бактерий ТК, как и других микобактерий и актинобактерий в целом, является высокий GC-состав ДНК (62-70 мол. %).
Существует ряд лабораторных методов, позволяющих отличить M. bovis и близкие к нему подвиды - M. microti, M. caprae, M. pinnipedi и M. africanum - от собственно M. tuberculosis. Основные из этих методов - тесты на восстановление нитратов, а также образование и накапливание в растущей культуре ниацина (оба теста дают положительный результат лишь в случае M. tuberculosis). Изоляты M. bovis, кроме того, устойчивы к пиразинамиду (одно из распространенных противотуберкулёзных лекарств).
ПАТОГЕНЕЗ ТУБЕРКУЛЕЗА И НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ГЕНОМИКИ ЕГО ВОЗБУДИТЕЛЕЙ
Заражение туберкулезом, вызываемым M. tuberculosis, M. africanum и M. canettii, осуществляется воздушно-капельным путем. Инфицируется около 30% людей, близко контактирующих с больным открытой формой легочного туберкулеза (см. обзор [65]). Микобактерии попадают в альвеолы преимущественно верхних долей легких, где проникают в альвеолярные макрофаги, размножаются в них, и выходят в межклеточное пространство. Далее обычно вступают в действие механизмы иммунной системы хозяина, и в результате возникает гранулема - образование, в центре которого находятся микобактерии, проникшие в макрофаги или находящиеся вне их, а
также многоядерные гигантские клетки Лагганса и распавшиеся ткани. По периферии гранулема окружена соединительно-тканной капсулой. Бактерии могут существовать в гранулёме среди казе-озного и даже обызвествленного детрита неопределенно долго (довольно часто - пожизненно), вызывая создание нестерильного иммунитета к реинфекции. Прочность такого иммунитета относительна, и он может прерваться, что приводит к обострению туберкулезного процесса и диссеми-нации микобактерий из распавшейся гранулёмы в лимфатические железы корня лёгких, сами легкие и другие органы. Микобактерии в гранулёме не теряют жизнеспособности, но находятся в покоящемся или латентном состоянии (см. обзоры [8, 65]). Согласно определению, данному в одном из обзоров, под покоящимся состоянием понимается "такое обратимое состояние бактериальной клетки, при котором уровень метаболической активности значительно снижен, а клетка может существовать в таком состоянии без деления длительное время" ([8], с. 3). Покоящееся состояние микобактерий напоминает так называемое перси-стирующее состояние ряда других бактерий, когда у небольшой части популяции выключается с участием систем токсин-антитоксин, ряд жизненных функций и резко повышается устойчивость к антибиотикам (см. ниже). При этом экспрессия части генов у покоящихся клеток сохраняется, в частности, экспрессируются гены белков, обуславливающих антигенную изменчивость ми-кобактерий. Экспрессируются также гены, контролирующие переход метаболизма к условиям гипоксии, имеющейся в гранулёме (доступ кислорода в гранулёму, не имеющую кровеносных сосудов, резко ограничен). Покоящиеся клетки с трудом вырастают на питательных средах (не-
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.