БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 7, с. 1072 - 1087
УДК 577.114.5;577.21;579.842.15
МОДИФИКАЦИИ О-АНТИГЕНОВ, ОБУСЛОВЛИВАЮЩИЕ АНТИГЕННОЕ РАЗНООБРАЗИЕ ШИГЕЛЛ ФЛЕКСНЕРА, И ОПОСРЕДУЮЩИЕ ИХ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ
Обзор
© 2015 Ю.А. Книрель1*, Цян-Чжэн Сунь2, С.Н. Сенченкова1, А.В. Перепелов1, А.С. Шашков1, Цзянь-Го Сюй2
1 Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН, 119991 Москва, Ленинский просп., 47; факс: +7(499)137-6148, электронная почта: yknirel@gmail.com 2 National Institute for Communicable Disease Control and Prevention, China CDC, P. O. Box 5, Changping, Beijing 102206, China;
E-mail: sunqiangzheng@icdc.cn
Поступила в редакцию 11.12.14 После доработки 24.02.15
О-антигены (О-специфические полисахариды) шигелл Флекснера (Shigella flexneri) — одного их основных возбудителей шигеллеза — отличаются широким разнообразием химических модификаций, происходящих после сборки олигосахаридного О-звена. Настоящий обзор посвящен структурным, серологическим и генетическим аспектам этих модификаций, включая недавно обнаруженные О-ацетилирование и фосфори-лирование фосфоэтаноламином. Эти модификации наделяют хозяина специфическими иммунодетерми-нантами (О-факторами или О-антигенными эпитопами), которые обусловливают антигенное разнообразие шигелл Флекснера, рассматриваемое как один из факторов вирулентности этого патогена. Всего идентифицировано 30 вариантов О-антигенов шигелл Флекснера, и соответствующие им О-факторы охарактеризованы с помощью специфических антител. На основании этих данных предложено существенно расширить схему серотипирования этих бактерий. Идентифицирован ряд генов, ответственных за модификации О-ан-тигенов и вызываемые ими конверсии серотипов S. flexneri. Выявлены генетические механизмы диверсификации О-антигенов, включающие приобретение мобильных генетических элементов, таких как профаги и плазмиды, возможно, с последующей мобилизацией и инактивацией генов. Полученные результаты углубляют наши представления о генетике и антигенности шигелл Флекснера и способствуют контролю над распространением шигеллеза.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Shigella flexneri, О-антиген, структура О-полисахарида, серотип-конвертирующий бактериофаг, транспозон, плазмида, серотипирование.
Шигеллез, или бактериальная дизентерия, -острое диарейное заболевание, остающееся серьезной проблемой здравоохранения, особенно в развивающихся странах. В мире ежегодно регистрируется 164,7 млн случаев, приводящих к 1,1 млн смертельных исходов, в основном среди детей младше пяти лет [1]. Возбудителем шигеллеза являются шигеллы (Shigella) - неподвижные нес-порообразующие факультативные анаэробные
Принятые сокращения: GalA — галактуроновая кислота, GalNAc — 2-ацетамидо-2-дезоксигалактоза, GkNAc — 2-ацетамидо-2-дезоксиглюкоза, IS — вставочная последовательность, ЛПС — липополисахарид, PEtN — фосфоэта-ноламин, Rha — рамноза, Sf — Shigella flexneri.
* Адресат для корреспонденции.
грамотрицательные бактерии, которые входят в число бактериальных патогенов, наиболее часто выделяемых от пациентов с диареей. Инвазия этими бактериями слизистой оболочки толстого и прямого кишечника с последующим воспалительным ответом приводят к обширному разрушению слизистой, сопровождающемуся сильными коликами в животе и появлению крови и слизи в стуле [2]. На основании биохимических свойств и специфичности О-антигенов род Shigella разделяют на четыре вида или подгруппы: S. dysenteriae, S. flexneri, S. boydii и S. sonnei
[3], хотя генетически все они, за исключением S. boydii типа 13, являются клонами Escherichia coli
[4]. S. flexneri является преобладающим видом, вызывающим шигеллез в развивающихся странах,
и вторым по распространенности после S. sonnei в промышленно развитых странах [5—7].
Являясь серологически гетерогенным видом, шигеллы Флекснера подразделяется на се-ротипы и подтипы. Для серотипирования изо-лятов S. flexneri широко используются коммерчески доступные наборы моновалентных антисывороток («Denka Seiken», Япония) и монокло-нальных антител (MASFs) («Reagensia AB», Швеция). Сероспецифичность шигелл Флекснера определяется комбинацией иммунодетер-минант (О-факторов), которые экспрессируют-ся О-антигеном, расположенным на поверхности бактериальной клетки [3]. О-антиген, называемый также О-специфическим полисахаридом или О-полисахаридом, является частью ли-пополисахарида (ЛПС) — компонента внешней мембраны клеточной оболочки. Он присоединяется к липидному якорю ЛПС (липиду А) через олигосахарид, называемый кором. О-поли-сахариды состоят из множества повторяющихся олигосахаридных единиц (О-звеньев). Структура и серология O-антигенов шигелл Флекснера являются предметом пристального внимания исследователей на протяжении последних 50 лет ([8—10] и цитируемые в них статьи).
О-антигены S. flexneri синтезируются по О-ан-тиген-полимераза (М^у)/флипаза (М^х)-зависи-мому пути, согласно которому О-звено предварительно собирается на липидном носителе на цитоплазматической стороне внутренней мембраны и после переноса через мембрану (флип-пинга) на периплазматическую сторону, контролируемого белком Wzx, полимеризуется с помощью белка Wzy при участии регулятора длины цепи Wzz. Известны две базовые структуры О-полисахаридов шигелл Флекснера, которым соответствуют два консервативных генных кластера биосинтеза О-антигена: один у серотипа 6 и другой у всех остальных серотипов. Бактерии этих двух групп имеют различное эволюционное происхождение и принадлежат к разным линиям клонов Shigella в составе E. coli [4]. Как и у большинства других клонов E. coli, включая другие виды шигелл, генный кластер О-антигена расположен на хромосоме между генами домашнего хозяйства galF и gnd [11]. Он содержит гены синтеза нуклеотидного (дезокситимидин-дифосфатного) предшественника L-рамнозы -специфического моносахаридного компонента обоих базовых О-полисахаридов, а также гены гликозилтрансфераз, необходимых для сборки О-звена, и гены процессинга О-антигена: wzx и wzy, кодирующие флиппазу и О-антиген-поли-меразу соответственно.
Молекулярное типирование, основанное на специфических генах в кластере О-антигена,
включая wzx, wzy и гены гликозилтрансфераз, относит все серотипы шигелл Флекснера, кроме серотипа 6, к одной группе [12]. К этой же группе относятся штаммы E. coli O13, O129 и O135, которые имеют такую же базовую структуру [10, 13] и практически идентичный генный кластер О-антигена [11]. Аналогично E. coli O147 образует одну молекулярную группу и имеет идентичную структуру О-антигена с серотипом 6 шигелл Флекснера [11, 12]. Близкородственные клоны E. coli и S. flexneri могут быть дифференцированы с помощью ПЦР-тестов по генам, не связанным с синтезом О-антигена [12].
О-антигены шигелл Флекснера, не относящихся к серотипу 6, отличаются широким разнообразием благодаря различным химическим модификациям базовой структуры, обусловливающим наблюдаемую серологическую гетерогенность [3]. Эти модификации [14], которые происходят после сборки О-звена и перед переносом готового О-полисахарида на кор-липид А ЛПС, опосредуются рядом генов, расположенных вне кластера О-антигена. Для серотипиро-вания S. flexneri внутри этой группы разработан молекулярный подход, основанный на специфических генах, участвующих в модификациях О-антигена, которые были идентифицированы к тому времени [15].
O-антиген играет важную роль в патогенезе шигелл Флекснера; в частности, он защищает бактерии от литического действия сывороточного комплемента и способствует адгезии и ин-тернализации бактерий клетками эпителия кишечника [16—18]. Формирование антигенного разнообразия путем модификации О-антиге-нов считается важным фактором вирулентности S. flexneri, который увеличивает выживаемость патогена, вынуждая хозяина вырабатывать специфический иммунный ответ на каждый серо-тип [19]. Более того, такие модификации, как глюкозилирование в определенных положениях, способствуют инвазии шигеллами Флексне-ра клеток хозяина, опосредованной секреторной системой III типа [16].
В предыдущих обзорах, посвященных О-ан-тигенам S. flexneri [9, 14, 19], были подробно рассмотрены известные на тот момент модификации, включая глюкозилирование в различных положениях и О-ацетилирование в одном положении (на Rha1). Недавно были идентифицированы дополнительные сайты О-ацетилирования [10, 13, 20—25], а также обнаружен новый тип модификации - фосфорилирование фосфоэта-ноламином (PEtN) [26—29]. Были также выяснены генетические основы этих новых модификаций. В настоящем обзоре обсуждаются структурные, серологические и генетические аспекты
модификаций О-антигенов шигелл Флекснера с уделением особого внимания новым данным.
СТРОЕНИЕ И ИМУННОСПЕЦИФИЧНОСТЬ О-АНТИГЕНОВ
О-полисахариды большинства известных се-ротипов шигелл Флекснера (1—5, 7, X и Y), за исключением серотипа 6, имеют одинаковую основу (1), построенную из повторяющихся тет-расахаридных О-звеньев, содержащих три остатка L-рамнозы (КЬа^КЬа™) и один остаток 2-аце-тамидо-2-дезокси^-глюкозы (С1еМАе) [30]
-а^-КЬарЦ1^3)-р^-01ерКАе-(1^. (1)
Полисахарид (1), характерный для серотипа Y, характеризуется двумя типами антигенной специфичности, обозначаемыми как двойной групповой О-фактор 3,4. Структурный домен, обусловливающий этот О-фактор, до сих пор окончательно не идентифицирован [31, 32]. В некоторых случаях его проявления неоднозначны, т.к. штаммы, которые идентичны по строению О-антигена и присутствию других иммуноде-терминант, могут как экспрессировать, так и не экспрессировать О-фактор 3,4 (например, бывшие серотипы 3Ь и 3е, которые предложено объединить в один серотип 3Ь [10]). Полисахарид (1) может быть модифицирован путем присоединения к одному или нескольким моносахаридам в О-звене различных химических групп (а^-глю-копиранозильной, О-ацетильной, 2-аминоэтил-фосфатной), иногда на конкурентной основе. Это приводит к широкому разнообразию структур О-антигенов и, соответственно, к серологической гетерогенности, служащей основой для серотипирования шигелл Флекснера (таблица).
Глюкозилированию может подвергаться любой из моносахаридов в полисахариде (1), что приводит к формированию типовы
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.