CC BY
267
УДК 628.473.63
О.К. ПОЗДЕЕВ
Казанская государственная медицинская академия
Молекулярно-генетические основы патогенности энтеробактерий
|Поздеев Оскар Кимович
доктор медицинских наук, профессор,
заведующий кафедрой микробиологии
420012, г. Казань, ул. Муштари, д.11, тел.: (843) 233-34-78
Рассмотрены основные механизмы эволюции и реализации активности факторов патогенности энтеробактерий, участвующих в проникновении и выживании во внутренней среде организма-хозяина, противодействии активности факторов резистентности макроорганизма; обсуждены условия передачи генов, кодирующих факторы патогенности и регуляция их экспрессии.
Ключевые слова: энтеробактерии, резистентность, патогенность.
О.С. POZDEYEV
Kazan State Medical Academy
Molecular genetic foundations of pathogenicity of enterobacterium
The basic mechanisms of evolution and implementation of activity factors in pathogenic enterobacterium involved in the penetration and survival in the internal environment of the host organism, countering the activity of factors of resistance macroorganism; discussed in terms of transfer of genes coding for pathogenicity factors and regulation of gene expression.
Keywords: enterobacteria, resistance, pathogenicity.
На протяжении всей истории становления и развития медицинской микробиологии энтеробактерии постоянно привлекают внимание ученых и специалистов. Во многом интерес к ним связан с тем, что их выделение составляет значительную часть регулярных исследований бактериологов, решающих практические задачи клинической и санитарной микробиологии.
Помимо «хрестоматийных» возбудителей (шигелл, сальмонелл), внимание к энтеробактериям привлекает существенно возрастающее значение условно-патогенных видов, а также представителей, традиционно считавшихся непатогенными. К концу ХХ века сложилась поистине драматическая ситуация, когда в десятку основных возбудителей нозокомиальных инфекций вошли четыре представителя семейства Enterobacteriaceae — Escherichia coli, Serratia marcescens,
виды Proteus и Citrobacter. Среди них безусловным лидером является кишечная палочка.
Таким образом, представители семейства Enterobac-teriaceae составляют большую проблему для медицины, а с точки зрения бактериолога несомненным критерием их медицинской значимости является постоянное появление новых автоматических и полуавтоматических систем индикации. И, конечно же, нельзя не принимать во внимание тот факт, что ни для какого другого семейства или групп бактерий не разработано такого обилия идентифицирующих тестов, а также селективных и дифференциально-диагностических сред для их выделения.
Вполне естественно, что возрастающая медицинская значимость энтеробактерий давно привлекала внимание сотрудников кафедры микробиологии КГМА, где еще в 1991
году была создана первая и единственная на сегодняшний момент в стране система их идентификации.
Способность условно-патогенных энтеробактерий (УПЭ) вызывать самые разнообразные поражения особенно примечательна, так как их арсенал факторов патогенности в большинстве достаточно однообразен и складывается впечатление, что та или иная форма инфекционной патологии, вызываемая энтеробактериями, зависит исключительно от уровня синтеза того или иного фактора.
Принимая во внимание подобное сходство факторов патогенности, можно предположить, что большинство энтеробактерий должно было бы вызывать клинически сходные поражения, отличающиеся одинаковым патогенезом развития. Однако, только среди штаммов E. адМ, вызывающих диарею, выделяют не менее 6 групп, каждая из которых обладает определенным набором патогенных факторов и вызывает различные клинические формы заболевания. Очевидно, что эти патогенные серовары каким-то образом приобрели способность продуцировать специфические вирулентные факторы, обусловливающие различия клинических проявлений.
Следует отметить, что эволюционное происхождение большинства факторов патогенности энтеробактерий остается неизвестным. Но в свете последних достижений изучения генетического аппарата бактерий и особенно после обнаружения в них так называемых «геномных островов» — фрагментов чужеродной ДНК — можно полагать, что значительная часть факторов вирулентности может передаваться посредством горизонтального переноса генов. В этом плане энтеробактерии не являются исключением, и в геномах многих из них имеются чужеродные «острова», где возможны совершенно неожиданные вариации генетического кода. Даже у всем хорошо известной и авирулентной E. мИ К-12 около 18% генома составляют гены, полученные от других видов.
Подобная ситуация во многом объясняет фантастическую пластичность их генетического аппарата и за время своего существования (120-140 млн лет) среди энтеробактерий произошла эволюция, а чуть позже селекция генов, кодирующих образование факторов патогенности. При этом в некоторых родах и отдельных видах они консервативно закрепились в генетическом аппарате, в других — рассеялись в составе трансмиссивных генетических элементов.
Трансмиссивные гены бактерий преимущественно включены в состав трех основных трансмиссивных элементов — плазмид, профагов, а также «островов и островков патогенности». Последние представляют собой кластеры генов, контролирующие патогенность их обладателей. Они представлены фрагментами ДНК размерами от 1 до 10 № («островок») и от 10-20 до 200 № («остров»). Эти так называемые «острова патогенности» обычно присутствуют у патогенных изолятов и отсутствуют у непатогенных штаммов. Эти локусы ДНК существенно отличаются от основной части генома по процентному содержанию «гуанин + цитозин». Как правило, они фланкированы малыми прямыми нуклеотидными повторами и ассоциированы с 3'-областью локусов транспортной РНК, являющейся местом интеграции генов патогенности, входящих в состав геномов профагов, плазмид и транспозонов. Исторически эволюция «островов патогенности» включает селекцию, делецию и перераспределение отдельных генов. Стабильность их достаточно вариабельна, так как они могут входить в состав бактериофагов, плазмид или транспозонов.
Таким образом, очевидно, что именно среди УПЭ сформировались отдельные группы (штаммы, серовары и так далее), получившие способности синтезировать комплекс факторов, позволяющих колонизировать организм человека
и вызывать различные заболевания. Примеров подобной генетической неоднородности по признаку вирулентности внутри отдельных родов энтеробактерий множество. Например, среди таксономически четко очерченного рода Yersinia, включающего в том числе и возбудитель чумы, только три вида реально могут вызвать заболевания человека. С другой стороны, имеются многочисленные примеры сходства механизмов вирулентности у генетически отдаленных бактерий. Например, термостабильный LT-токсин — основной фактор патогенности энтеротоксигенных E. Coli, гомологичен экзотоксину холерного вибриона.
Факторы патогенности бактерий традиционно разделяют на три группы: определяющие взаимодействие с мембранами клеток организма-хозяина; обусловливающие устойчивость к действию защитных факторов макроорганизма; токсические продукты, повреждающие клетки и собственно вызывающие развитие клинически выраженной инфекционной патологии. При этом действие токсинов на организм человека может сильно различаться, но для большинства патогенных бактерий общими являются основополагающие механизмы, определяющие специфику взаимодействия с клетками хозяина.
Системы адгезии. Известно, что любой инфекционный процесс начинается с адгезии возбудителя на клетках-мишенях. Все энтеробактерии обладают выраженной способностью прикрепляться к органическим и неорганическим субстратам, что обеспечено наличием не менее 15 типов ад-гезинов, расположенных в особых структурах — фимбриях и пилях.
В этом плане существенно то, что у энтеробактерий основная часть адгезинов находится в фимбриях, где они расположены на конце длинных белковых филаментов, что позволяет им взаимодействовать с рецепторами эпителиоцитов, проникая через барьер, образованный клетками нормальной микрофлоры. Развитый аппарат адгезии также обеспечивает их способность выдерживать воздействия перистальтической волны или тока мочи.
Особую группу составляют афимбриальные адгезины. Они обычны среди грамположительных и мало изучены у грамотрицательных бактерий. Очевидно, что эволюционно они «проигрывают» фимбриальным адгезинам, так как нормальная микрофлора может стать элементарным барьером, не допускающим их взаимодействия с рецепторами клеток организма хозяина. Однако в комбинации с фимбриальными структурами афимбриальные адгезины серьезно усиливают колонизационный потенциал. Среди энтеробактерий к настоящему времени более или менее полно охарактеризованы инвазины Yersinia pseudotuberculosis и интимин энтеропато-генных E. coli. Они структурно сходны и располагаются на поверхности бактериальной клетки.
Железосвязывающие системы. Связывание адгезина бактерии с рецептором клетки-мишени является сигналом к активации метаболизма, обеспечивающего адекватное реагирование на изменения внешней среды, в том числе ускорение деления бактерий, синтез токсинов и так далее. Среди многих реакций, катализируемых контактом адгезина с соответствующим клеточным рецептором весьма важной является активация поглощения железа из экзогенных источников. Между организмом хозяина и бактериями разворачивается настоящая «битва за металл», от которой нередко зависит исход всего инфекционного процесса. Однако концентрация свободных ионов Fe3+ в организме млекопитающих крайне низка, что обусловлено быстрым его захватом
трансферинами и лактоферинами с последующим вовлечением в различные биохимические реакции. Именно из-за наличия мощных сидерофорных систем сыворотки крови, большинство энтеробактерий неспособно вызывать септические состояния. Другими словами, дефицит железа является одним из основных факторов внутренней среды макроорганизма, способным существенно ограничить бактериальную агрессию. Основными доступными для бактерий источниками железа являются молекулы лактоферринов, трансферринов, гемоглобина и миоглобина, а также железосодержащих ферментов. Наиболее часто энтеробактерии захватывают ионы Fe3+ с помощью собственных сидерофоров и поверхностных железосвязывающих белков (ПЖСБ). Основное функциональное различие между сидерофорами и ПЖСБ обусловлено способностью сидерофоров непосредственно захватывать железо во внеклеточной среде и затем взаимодействовать с соответствующим рецептором на поверхности бактерии, тогда как ПЖСБ действуют как поверхностные рецепторы для ионов Fe3+ либо для молекул сидерофоров. Однако транспортировать железо внутрь бактериальной клетки способны только ПЖСБ.
Бактериальные сидерофоры являются хелаторами железа. Их аффинность к ионам Fe3+ одинакова или превосходит таковую сидерофорных белков макроорганизма. В соответствии с химической структурой выделяют два основных класса бактериальных сидерофоров: гидроксамат цитраты (энтеробак-тины, или энтерохелины) и катехоловые феноляты (аэро-бактины). У энтеробактерий обнаружены сидерофоры обоих классов. Образование сидерофоров индуцируется только в условиях низких концентраций Fe3+. Среди штаммов E. coli, выделяемых при септицемиях, преобладают продуценты аэ-робактинов, что указывает на его роль в распространении бактерий с кровотоком. Интерес представляет тот факт, что у большинства представителей семейства Enterobacteriaceae синтез сидерофоров существенно снижается при повышении температуры до 31 °С и практически прекращается при 40°С. Это указывает на то, что сидерофорные системы изначально сформировались у свободноживущих энтеробактерий, среди которых некоторые смогли адаптировать их к условиям организма-хозяина либо приобрели способность к их синтезу после приобретения генов «островов патогенности».
Секреторные системы. Второй группой факторов, непосредственно задействованной на начальных этапах патогенеза поражений, вызываемых энтеробактериями, являются секреторные системы. Реализация патогенных свойств невозможна без секреции биологически активных белковых молекул — сидерофоров, ферментов, токсинов и так далее. К настоящему времени у бактерий известно пять таких систем, для энтеробактерий наиболее значимы I-III и V типы секреции.
• I тип секреции требует участия трех белков: траспорт-ной АТФ-азы цитоплазматической мембраны, белка цитоплазматической мембраны, формирующего канал через периплазму, и особого белка-секретина, образующего канал в пептидогликане. Эта система осуществляет секрецию субстратов непосредственно из цитоплазмы в одну стадию без периплазматических посредников. Продукты, выделяемые по этому типу секреции, являются изначально активными, в частности, таким образом секретируется а-гемолизины E. coli, Proteus vulgaris и Morganella morganii; протеазы А, В и С Erwinia, колицин V и капсульные полисахариды KpsMT у E. coli.
Аппарат системы секреции включает в себя три компонента. Первый (ABC-транспортер) принадлежит к классу АТФаз,
обеспечивающих энергозависимые стадии транспорта. ABC-транспортер «заякорен» на цитоплазматической мембране и ассоциирован со вторым компонентом — димерным белком MFP (membrane fixed protein, белок, фиксированный на мембране), обеспечивающим образование канала по которому транспортируется секретируемый белок. Третий белок OMP (outer membrane protein, белок внешней мембраны), иначе называемый «белком-щвейцаром», локализован в клеточной стенке. Его функцией является создание секреторного мембранного канала и его закрытие в отсутствие секретируемого продукта.
• II тип секреции. Система секреции II типа состоит из двух частей, и секреция субстратов реализуется в две стадии. Первая часть, называемая Sec-системой, направляет предшественников секреторных продуктов к транслокационному комплексу, организованному на цитоплазматической мембране. Затем они пересекают ее (через транслоказу) и высвобождаются в периплазматическую щель. После этого пресекретируемый белок принимает свою нативную конформацию и в дальнейшем транспортируется через клеточную стенку или остается в периплазме. Для работы Sec-системы необходимо не менее 10 белков. Шаперон SecB опознает предшественников секретируемых белков, связывается с ними, поддерживает их конфигурацию в необходимом для транслокации состоянии и транспортирует их к SecA субъединице мембранной транслоказы. Транслоказа содержит мембранный канал, состоящий из трех белковых субъединиц — SecY, SecE и SecG. «Мотором» транслокационной системы машины служит АТФаза SecA. Этот белок уникален для бактерий, т.к. эукариоты используют иную транслокационную АТФазу. Сигналом для секреции служит так называемая «лидерная сигнальная последовательность», отщепляемая после транслокации специфической сигнальной пептидазой. SecB направляет белковый предшественник к мембранной транслоказе и связывается с белком SecA, ассоциированным с SecYEG. Это взаимодействие вызывает высвобождение зрелой части белкового предшественника из комплекса с SecB, и он переносится от SecB к SecA. Как было указано выше, после транспорта в периплазму некоторые белки могут задерживаться в ней. Другая часть секретируется во внешнюю среду. При этом белковые молекулы проходят через Sec-аппарат в полностью развернутом состоянии. Некоторые из них способны самостоятельно восстанавливать свою конформацию, другим восстановить ее помогают специальные шапероны, присутствующие в периплазме. Наибольшая группа белков аппарата GSP (GspG, GspH, GspI, GspJ, GspK, GspM и GspN) пронизывает цитоплазматическую мембрану, при этом большая часть их молекул локализована в периплазме. Цитоплазматический GspE является ABC-транспортером (транспортной АТФазой), обеспечивающей энергией секреторный процесс. Два компонента секреторного аппарата, GspD и GspS локализованы в клеточной стенке. GspD является белком-секретином, образующим цилиндрическую пору, через которую выходит секретируемый продукт. Липопротеин GspS является шапероном для GspD, защищающим его от протеолиза, и способствуя встраиванию GspD во внешнюю мембрану.
• III тип секреции энтеробактерий обеспечивает не только перенос секреторных продуктов через мембранные структуры бактериальной клетки, но и доставку их внутрь эукариотических клеток. При этом даже у филогенетически отдаленных видов бактерий строение секреторного аппарата отличает значительное сходство. Структурно система III типа представляет собой «молекулярный шприц», образованный приблизительно двадцатью белками, преимущественно рас-
положенными в цитоплазматической мембране. Они формируют супермолекулярную структуру, напоминающую «инъекционную иглу», которая начинается на цитоплазматической мембране, пронизывает периплазму и выходит за пределы клеточной стенки. По своему происхождению белки «иглы» связаны со жгутиками, что подтверждается значительной гомологией их компонентов и сходством механизма ее образования с формированием жгутиков у бактерий. В отличие от I типа секреции, транспортируемые молекулы находятся в интактной форме и активируются только после попадания в цитоплазму эукариотической клетки-мишени.
• V тип секреции обеспечивает выделение так называемых белков-аутотранспортеров. Они не нуждаются в создании какой-либо секреторной конструкции, так как каждая их молекула имеет терминальный N-участок с сигнальной последовательностью, обеспечивающей транспорт через цитоплазматическую мембрану, и терминальный С-участок, формирующий пору в клеточной стенке, через которую проходит остальная часть молекулы. В частности, таким путем секретируются высокомолекулярные сериновые протеазы, получившие среди патогенных энтеробактерий обозначение SPATE (англ. serine protease autotransporter of Enterobacteriaceae).
Токсины и токсические продукты энтеробактерий
Разнообразие типов секреций подразумевает выделение широкого спектра биологически активных продуктов, в том числе токсинов и токсических продуктов. В некоторых случаях энтеробактерии синтезируют токсины, определяющие основу патогенеза и специфичность клиники заболевания (например, энтеротоксины энтеротоксигенных E. coli). Значительно чаще они не определяют специфику вызываемого поражения, но участвуют в различных звеньях его патогенеза (например, гемолизины, цитотоксины, липополисахариды).
Экзотоксины энтеробактерий
• Токсины, повреждающие мембрану эукариотических клеток. Представлены белками, формирующими поры в цитоплазматической мембране клетки-мишени после связывания с поверхностными рецепторами клеток. Таковыми у энтеробактерий являются термостабильные ST-токсины (например, ST энтеротоксигенных E. Mli, Yst II Yersinia enterocolitica) и порообразующие RTX-токсины (например, а-гемолизин E. coli).
• А/В токсины. Их молекулы состоят из субъединиц А и В. Субъединица А проявляет каталитическую активность, обеспечивающую биологические эффекты токсинов, варьирующие от АДФ рибозилирования до протеолиза. Субъединица В взаимодействует с соответствующим мембранным рецептором и иницирует конформационные изменения субъединицы А, облегчая ее трансмембранный перенос. В большинстве случаев способность к синтезу А/В токсинов контролируют гены профагов. А/В токсинами являются Stx-токсины шигелл, Stx-, LT и CDT-токсины, а также цитотоксические некротизи-рующие факторы (CNF1 и CNF2) E. coli.
• Инъекционные токсины, попадающие в клетку-мишень посредством секреции III типа. Представлены несколькими группами белков, характеризующихся структурной гомологией и существенными различиями в функциональной активности.
• Первая группа представлена токсинами, запускающими процессы фосфорилирования/дефосфорилирования. Как известно, фосфорилирование является одним из механизмов модифицирования белков в ответ на изменения внешней среды. В частности, через фосфорилирование тирозина контролируются изменения молекулярной структуры
цитоскелета фагоцитирующих клеток. Дефосфорилировать тирозин способны протеинкиназы YopH, а фосфорилиро-вать серин и треонин — YopO Yersinia enterocolitica и YpkA Y. pseudotuberculosis и Y. pestis.
• Вторую группу составляют активаторы/инактиваторы низкомолекулярных Rho ГТФаз. Активация последних индуцирует мономеризацию актина в цитозоле, что приводит к разрушению цитоскелета клетки-мишени. Если эти процессы носят ограниченный характер, то развивается локальное сморщивание мембраны и последующий эндоцитоз бактерий. При генерализованной активации ГТФаз и, соответственно, грубых нарушениях цитоскелета эукариотических клеток происходит десквамация эпителиоцитов, их гибель, а также нарушение поглотительных механизмов у фагоцитов. Подобные свойства проявляют белки YopE и YopT иерсиний, SopE и SptP сальмонелл.
• Третью группу составляют фосфатазы инозитола (например, SopB Salmonella dublin), участвующие в гидролизе некоторых фосфолипидов инозитола, что приводит к массированной потере и невозможность резорбции ионов Cl-с последующим развитием диареи.
• Четвертую группу составляют токсины-инвазины типа белков IpaA-D и Vira шигелл. Они непосредственно задействованы в температурозависимой инвазии и межклеточном распространении бактерий по слоям эпителиев, а IpaD также участвует в выходе бактерий из фагосом после поглощения бактерий нейтрофилами и макрофагами.
• Пятую группу составляют белки энтеробактерий, индуцирующие апоптоз эукариотических клеток. К ним относятся а-гемолизин E. coli, белки YopE, YopJ, YopP иерсиний, IpaB, SipB сальмонелл.
• Токсины, транспортируемые по V типу секреции. У патогенных энтеробактерий они представлены белками-аутотранспортерами SPATE, которых в настоящее время насчитывается около десяти, преимущественно серино-вых протеаз. В настоящее время у патогенных энтеробактерий выделен достаточно большой спектр протеиназ-аутотранспортеров: термолабильные цитотоксины EspC эн-теропатогенных E. coli, EspP энтерогеморрагических E. coli, Pet энтероаггрегативных E. coli и Sat уропатогенных E. coli, гемагглютинин Tsh патогенных для птиц E. coli, муциназа Pic Shigella flexneri и энтероаггрегативных E. coli, протеаза SepA S. flexneri и др.
Эндотоксины энтеробактерий. Представлены молекулами липополисахаридов (ЛПС) клеточной стенки, высвобождающимися после гибели бактерий. Химическая структура эндотоксинов различных грамотрицательных бактерий имеет большое сходство, поэтому практически все ЛПС проявляют одинаковый биологический эффект in vitro и in vivo. В частности, ЛПС защищает энтеробактерии от действия желчных кислот и пищеварительных ферментов, лизоцима, катионных белков, компонентов комплемента, иммунных комплексов, а также от поглощения фагоцитами. Действие ЛПС имеет разнонаправленный характер, что отличает его от многих экзотоксинов. При попадании в организм опытного животного или человека он как бы «сигнализирует» о своем присутствии, а его взаимодействие с различными гуморальными и клеточными системами практически мгновенно инициирует каскад различных реакций, обусловливающих специфическую картину интоксикации. Среди прочих эффектов, бактериальные ЛПС активируют систему комплемента, клетки макрофагально-моноцитарной системы и миэлопоэтического ряда, стимулируют прокоагулянтную активность, стимулируют синтез интерлейкинов, интерферонов, эйкозаноидов,
фактора некроза опухолей и так далее. Принципиальное сходство молекул ЛПС различных грамотрицательных бактерий определяет отсутствие каких-либо патогномоничных отличий в клинике эндотоксинемий, развивающихся после гибели бактерий в кровотоке.
Инвазия в эукариотические клетки. Энтеробактерии могут проникать в эукариотические клетки пассивным (посредством фагоцитоза) и активным путями. Начальный этап инвазии может реализоваться за счет активности афимбри-альных адгезинов либо «инъекции» токсинов-инвазинов по III типу секреции. Связывание афимбриальных инвазинов с соответствующими рецепторами или проникновение инва-зинов III типа секреции в цитоплазму клеток-мишеней является сигналом к реорганизации компонентов их цитоскелета. На поверхности эпителиальных клеток образуются выросты, напоминающие псевдоподии макрофагов, «обволакивающие» бактерию. Затем выросты замыкаются и формируется внутриклеточная вакуоль, содержащая бактерию. Другими словами бактерия «заставляет» эпителиальную клетку захватить себя. Другим путем является проникновение в результате поглощения их М-клетками лимфоидных тканей кишечника.
Противодействие защитным факторам организма-хозяина. В ходе эволюции патогенных свойств энтеробактериям одновременно пришлось формировать механизмы, позволяющие им избегать действия факторов антимикробной защиты макроорганизма.
В частности, сальмонеллы, шигеллы и иерсинии приобрели способность инвазии в нефагоцитирующие клетки, избегая противодействия со стороны гуморальных и клеточных факторов защиты. Кроме того, иерсинии способны маскировать поверхностные структуры, распознаваемые иммунными механизмами, формируя дополнительные поверхностные слои из коллагена, ламинина и фибронекти-на. Как было указано выше, посредством V типа секреции многие энтеробактерии выделяют сериновые ^-протеазы, разрушающие секреторный ^. Существенной способностью энтеробактерий является противодействие реализации функциональной активности фагоцитирующих клеток. Кроме того, энтеробактерии могут влиять на цитоскелет эукариотических клеток. Посредством III типа секреции они одновременно способны выделять белки, стимулирующие их попадание в нефагоцитирующие клетки, и тормозить их поглощение специализированными фагоцитами.
Кроме того, энтеробактерии образуют целый комплекс продуктов, запускающих апоптоз эукариотических клеток: поверхностные контактные белки (например, манноза-чувствительные адгезины FimH E. отИ); белки, выделяющиеся по III типу секреции. Именно они наиболее часто запускают программу физиологической смерти фагоцитов.
Регуляция экспрессии факторов патогенности. Хорошо известно, что гены, кодирующие факторы патогенности, как и многие другие гены бактерий, экспрессируются только при необходимости в их продуктах. У бактерий, обитающих в окружающей среде, потребность в их синтезе отсутствует. В то же время, после попадания в организм хозяина либо проникновения в его внутреннюю среду, возникает необходимость в синтезе факторов, обеспечивающих адаптацию к новым условиям обитания. В основном бактерии реагируют на повышение температуры, изменение осмолярности и рН среды, а также концентрации двухвалентных катионов.
Для переключения одного «образа жизни» на другой у энтеробактерий бактерий существуют системы анализа условий среды обитания и выработки соответствующих сигналов, их передачи генетическим структурам и последовательного включения транскрипции и трансляции соответствующих генов. За реализацию перечисленных функций ответственны двухкомпонентные системы передачи сигналов, включающие сенсорную гистидинкиназу и регулятор ответа. Сенсорные киназы, расположенные в цитоплазматической мембране бактериальной клетки, трансформируют внешний сигнал в химическую связь и передают его белку, регулирующему транскрипцию соответствующего гена. Помимо этой системы в экспрессии факторов вирулентности также задействованы несколько семейств белковых факторов, способных связываться с определенными участками ДНК и активировать транскрипцию ряда функционально связанных генов. Эти факторы также известны как глобальные регуляторы вирулентности, например, VirF, регулирующий экспрессию некоторых детерминант вирулентности у иерсиний.
В регуляции экспрессии факторов вирулентности также задействованы альтернативные факторы, являющиеся компонентом РНК-полимеразы — ключевого фермента транскрипции. На уровне отдельной бактериальной клетки экспрессию генов вирулентности одновременно регулируют несколько систем. Наиболее высоким уровнем регуляции вирулентности, вероятно, является феномен кооперативной чувствительности, или «чувства кворума» (quorum sensing). В наиболее общем виде данный феномен можно рассматривать как пример «социального» поведения бактерий, поскольку его смысл заключается в модификации физиологических функций бактерий в ответ на изменение их численности. Механизм реализации феномена кооперативной чувствительности заключается в продукции микроорганизмами внеклеточных сигнальных молекул-аутоиндукторов, их распознавании и развитии ответной реакции.
В настоящее время установлена способность секрети-ровать подобные молекулы-аутоиндукторы, обозначаемые как AI-1 (autoinducer 1), у энтеробактерий они представлены N-ацетилгомосерин лактонами. После достижения определенной пограничной плотности клеточной популяции и, соответственно, концентрации аутоиндукторов, гомосеринлак-тоны связываются с молекулой регуляторного белка. Образовавшийся комплекс инициирует транскрипцию генов, кодирующих образование факторов вирулентности, синтез сидерофоров, образование биопленок, конъюгацию плазмид и др.
Также идентифицирован общий сигнал AI-2, применяемый для межвидовых контактов. Установлено, что большинство E. coli неспособны к синтезу AI-1, но обладают системой «чувства кворума», обусловленной AI-2. Например, у энтероге-моррагических и энтеропатогенных E. coli «чувство кворума» определяет экспрессию факторов вирулентности, комплекса секреции III типа, хемотаксис и синтез жгутиков. Установлено, максимальная концентрация молекул AI-2 определяется в середине фазы экспоненциального роста, в стационарную фазу они полностью исчезают.
Проведенный анализ патогенного потенциала энтеробактерий показал, что приобретение различных вирулентных свойств условно-патогенными бактериями, обеспечивающих селективные преимущества в какой-либо экологической нише, может происходить достаточно быстро и неожиданно.
