Дональд Э. Лоу1, Джеральд Д. Райт2
1Университет Торонто и 2Университет МакМастера, Торонто, Онтарио, Канада и 1,2Канадская Сеть по Бактериальным болезням, Калгари, Альберта, Канада
(Donald E. Low, Gerald D. Wright. The Maintenance of Resistance. APUA Newsletter 1999; 17 (4): 1, 4-5)
Резистентность бактерий к антибиотикам является, как полагают, прямым следствием нерационального их использования [1]. Поэтому широко распространилось представление, что предупреждение и контроль над резистентностью означает сокращение использования этих лекарств [2]. Однако успех подобного подхода возможен при условии, что приобретение микроорганизмами черт резистентности сочетается с определенными издержками на приспособление к окружающей среде. В настоящее время накапливаются данные, что это далеко не всегда так. В некоторых случаях ограничение или прекращение использования антибиотиков не сопровождалось значительным снижением устойчивости [3,4]. В действительности бактерии нередко адаптируются таким образом, чтобы уменьшить издержки на поддержание резистентности. Успешная профилактика и контроль над резистентностью опираются на понимание факторов, ответственных за этот феномен.
Мутации, приводящие к резистентности, нарушают ряд нормальных физиологических процессов в клетке. Поэтому общепринято представление о том, что физиологические издержки на поддержание резистентности "оплачиваются" микроорганизмом. В результате устойчивый к антибиотикам микроб становится менее приспособленным к окружающей среде и медленнее растет по сравнению с чувствительными микроорганизмами [5,6]. Приобретение плазмид, несущих на себе те или иные черты резистентности, вынуждает бактерию синтезировать дополнительные нуклеиновые кислоты и белки, что повышает метаболическую нагрузку на микроба [7]. Один из механизмов, посредством которого издержки на поддержание резистентности сокращаются или устраняются вовсе, заключается в вариации генов. Такой механизм дает бактериям возможность приспосабливаться и устанавливать контроль над экспрессией черт резистентности в отсутствие селективного давления со стороны антибиотиков.
Bouma и Lenski исследовали Escherichia coli, содержащую плазмиду pACY184, которая передала микробу устойчивость к хлорамфениколу и тетрациклину. Они обнаружили, что через 500 поколений издержки на носительство плазмиды не только были устранены, но данный микроорганизм даже в отсутствие антибиотиков обладал преимуществами в конкурентной борьбе с другими бактериями, не имевшими этой плазмиды [8].
Schrag et al. в лабораторных условиях вывели устойчивый к стрептомицину штамм E. coli. Каждое поколение этих бактерий на 14% и более уступало родственным дикорастущим штаммам в скорости роста [6]. Тем не менее, когда в отсутствие антибиотиков сменилось 180 поколений выведенных микроорганизмов, исследователи обнаружили, что издержки на поддержание резистентности существенно уменьшились. В последующем они продемонстрировали, что прежние мутации, приведшие к возникновению у E. coli устойчивости к стрептомицину, компенсировались новыми мутациями в ином участке микроба. Однако эти новые мутации сформировали такой генетический фон, при котором поддержание чувствительных к стрептомицину аллелей требовало в каждом поколении ресурсов на 4-30% больше, чем у адаптированных резистентных штаммов [9].
LeClerk et al. установили, что распространенность мутаторов среди изолятов патогенных E. coli и Salmonella enteritidis была высокой (т.е. больше 1%) [10]. Во всех описанных фенотипах мутаторов они обнаружили дефекты в метил-ориентированных системах исправления неверного подбора компонентов для синтеза новых соединений.
Семь из девяти несвязанных гипермутабельных штаммов содержали дефектную mutS аллель. Мутантные аллели повышают частоту мутаций и увеличивают рекомбинацию среди различных видов микроорганизмов. Авторы полагают, что в результате этого возможно быстрое появление как резистентности к антибиотикам, так и генов вирулентности.
Значительное число бездействующих генов индуцируется только в присутствии антибиотика, резистентность к которому они кодируют. Многие виды грамотрицательных микроорганизмов индуцируют синтез хромосомных AmpC бета-лактамаз в присутствии бета-лактамных антибиотиков [11]. Биосинтетические механизмы, защищающие клеточную стенку Enterococcus faecium и Enterococcus faecalis от ванкомицина, обнаружены на перемещаемом элементе. Последний инкорпорирует 5 генов, необходимых для передачи высокой индуцибельной резистентности к гликопептидам. Из вырабатываемых этими генами продуктов два - VanR и VanS - необходимы для возникновения резистентности, индуцированной ванкомицином. Они являются членами двухкомпонентной регуляторной системы, предназначенной для транскрипции vanH, vanA и vanX. Следовательно, в отсутствие гликопептида в окружающей среде, транскрипция этих генов прекращается, сводя издержки для микроорганизма к минимуму.
Место-специфичная интеграция является одним из механизмов, посредством которых плазмиды и транспозоны приобретают детерминанты множественной резистентности к антибиотикам [12]. Такая рекомбинация отчасти опосредуется отдельным семейством элементов ДНК, известных под названием интегронов [13]. Интегроны - это элементы, содержащие генетические детерминанты компонентов место-специфичных систем рекомбинации. Они распознают и захватывают мобильные кассеты генов. Обычно кассеты содержат только один полный ген, кодирующий какой-либо механизм резистентности, вслед за которым следует участок, где происходит рекомбинация. Внутрь микроба может помещаться множество кассет. У кассет отсутствуют промоутеры, обеспечивающие экспрессию заключенных в них генов. Поэтому экспрессия кассет зависит от собственного промоутера интегрона. В присутствии двух и более кассет выраженность устойчивости к антибиотикам, экспрессируемой кассетным геном, зависит от местоположения данной кассеты в ряду других кассет. Уровень резистентности самый высокий, когда ген находится в первой кассете [14]. Новые кассеты помещаются как можно ближе к интегрону и промоутеру. При экспрессии они получают преимущество над другими кассетами, которые могут находиться в организме [15]. Селективное давление антибиотиков может определять порядок расположения кассет. Резистентность, кодируемая генами, расположенными в непосредственной близости к промоутеру, проявляется четко, в то время как гены в "ненужных" кассетах "молчат" [16].
Ряд механизмов резистентности выполняет у бактерий и другие функции. Одни и те же цитоплазматические транспортные системы, участвующие в доставке питательных веществ и экскреции продуктов обмена из микробной клетки, отвечают, как выяснилось, за резистентность к антибиотикам. Было доказано, что AcrAB-система у E. coli и MexAB-OprM-система у Pseudomonas aeruginosa обусловливают повышение минимальных подавляющих концентраций (МПК) таких антимикробных средств, как фторхинолоны, тетрациклины, хлорамфеникол, новобиоцин и фузидиевая кислота [17]. NorA кодирует работу насосов, удаляющих лекарства из бактериальной клетки наружу. Такие насосы, вероятно, имеются у всех Staphylococcus aureus и ассоциируются у этих микробов с устойчивостью к фторхинолонам [18].
Хлорамфеникол - антибиотик, который уже более 10 лет почти не используется в Канаде. Несмотря на это, фермент, ответственный за резистентность к хлорамфениколу - ацетилтрансфераза хлорамфеникола (АТХ) - до сих пор обнаруживается у 5% Streptococcus pneumoniae со сниженной чувствительностью к пенициллину [19]. Bradford et al. представили доказательства, свидетельствующие, что АТХ является пенициллин-связывающим белком (ПСБ) [20] и что этот фермент сохраняется микробом. Причина сохранения фермента микробом заключается в той новой роли, которую он играет у резистентных к пенициллину S. pneumoniae. Дело в том, что присущие пневмококкам ПСБ у резистентных штаммов изменились - для уменьшения сродства к бета-лактамам [21].
Устойчивость к аминогликозидам у Providencia stuartii и микобактерий ассоциируется с наличием в хромосомах гена aac(2'), кодирующего белок, который является катализатором ацетилирования аминогликозидов (Таблица 1). Было показано, что у P. stuartii ген aac(2') вовлечен также в ацетилирование пептидогликана [22]. Таким образом, модификация аминогликозидов, вероятно, не является первичной функцией этого фермента.
Таблица 1.
Гены хромосомального происхождения, кодирующие устойчивость к антибиотикам
| Ген | Функция | Бактерия | Литературный источник |
| aac(2') | Аминогликозидаце-тилтрансфераза Синтез пептидогликана1 | Providencia stuartii | Payie KG & Clarke AJ 1997; Rather PN et al. 1993. J Bacteriol 175:6492-6498. |
| aac(6')Ii | Канамицинацетил-трансфераза1 | Enterococcus faecium | Costa Y et al. 1993. Antimicrob Agents Chemother 37:1896-1903. |
| aph(3')-IIb | Аминогликозидфос-фотрансфераза2 | Pseudomonas aeruginosa | Hachler H et al. 1996 Antimicrob Agents Chemother 40:1254-1256. |
| aph(9) | Спектиномицинфос-фотрансфераза1 | Legionella pneumophila | Suter TM et al. 1997 Antimicrob Agents Chemother 41:1385-1388; Thompson PR et al. 1998 J Biol Chem 273:14788-14795. |
| aph(2) | Аминогликозидфос-фотрансферазы2 | Mycobacterium tuberculosis | Cole ST et al. 1998. Nature 393:537-544. |
| blaC | Бета-лактамаза1,2 | Mycobacterium tuberculosis | Cole ST et al. 1998. |
| cphA1 | Предшественники бета-лактамаз2 | Aquifex aeolicus | Deckert G et al. 1998. Nature 392:353-358. |
| ybf0 | Эритромицинэстераза2 | Bacillus subtilis | Kunst F et al. 1997. Nature 390:249-256. |
| vat | Стрептограминаце-тилтрансфераза2 | Synechocystis PCC6803 | Kaneko T et al. 1996. DNA Res 3:185-209. |
| 1560 | Резистентность к хинолонам (аналог norA)1 | Methanococcus jannaschii | Bult CJ et al. 1996. Science 273:1058-1073. |
| tetB | Выкачивание тетрациклина из микробной клетки1 | Bacillus subtilis | Sakaguchi R et al. 1998. Biochim Biophys Acta 950:441-444. |
| bacA | Резистентность к бацитрацину (ундекапренолкиназа)1 | Escherichia coli | Cain BD 1993. J Bacteriol 175:3784-3789. |
| bacA | Резистентность к бацитрацину | Borrelia burgdorferi | Fraser CM et al. 1997. Nature 390:580-586. |
| TmrB | Резистентность к туникамицину1 | Bacillus subtilis | Noda Y et al. 1992. J Bacteriol 174:4302-4307. |
Примечание: 1 - продемонстрированная функция; 2 - предсказанная функция.
Сходная картина наблюдается у E. faecium, резистентность которых к аминогликозидам обусловлена другим хромосомальным геном, aac(6')Ii. Последний кодирует аминогликозидацетилтрансферазу с измененной региоспецифичностью [23]. У этого фермента отсутствуют характерные черты белка, наилучшим образом приспособленного для формирования устойчивости к антибиотикам [24]. Более того, данный фермент действительно обладает добавочной способностью к ацетилированию белков (GD Wright, персональное сообщение). Таким образом, этот белок может иметь дополнительные метаболические функции.
С наступлением эры генома хромосомные последовательности, кодирующие детерминанты резистентности, обнаруживаются в геномах бактерий в таком окружении, что представляется маловероятным, чтобы оно было результатом транспозиции или других механизмов мобилизации ДНК. Эти гены, по-видимому, являются компонентами бактериальной генетической программы и не приобретаются в условиях селективного давления. Несколько аминогликозидкиназ обнаружены в геномах ряда бактерий, включая P. aeruginosa, Legionella pneumophila и Mycobacterium tuberculosis (таблица 1). Детерминанты устойчивости к бета-лактамам обнаружены как у грамотрицательных и грамположительных эубактерий, так и у протобактерий. Более того, изучение последовательности генов выявило соответствие с генами резистентности к тетрациклину, стрептограминам, макролидам и многим другим антибиотикам. Следовательно, геномы бактерий сами по себе являются резервуарами элементов резистентности. Эти элементы, возможно, обладают иными первичными метаболическими функциями, включая потенциал для придания устойчивости к антибиотикам (в случае необходимости).
Вдобавок, элементы резистентности к антибиотикам в изобилии обнаруживаются у микроорганизмов, вырабатывающих антибиотики. Например, гены резистентности к гликопептидам vanH, vanA и vanX недавно обнаружены у актиномицетов, вырабатывающих гликопептиды [25]. Тот факт, что все биосинтетические микроорганизмы обладают генами резистентности, наводит на мысль, что любые антибиотики, полученные от бактерий, обречены на запрограммированное устаревание, как только эти гены с течением времени переместятся в микроорганизмы-мишени. Бактерии, однако, не единственные источники генов резистентности. Предполагается, что ферменты изолейцин-тРНК-синтетазы, вызывающие устойчивость к мупироцину, могут происходить от эукариотов [26]. Таким образом, существует возможность и для вертикальной передачи устойчивости к антибиотикам через хромосомальные гены дочерним клеткам, и для горизонтального распространения вследствие мобилизации генов резистентности, происходящих из других бактерий.
Эра антибиотиков означает широкое их использование, как по прямому назначению, так и неразумное, сопровождающееся быстрой эволюцией и распространением резистентности. Поддержание эффективности этих лекарств может оказаться иллюзорной целью, если принять во внимание механизмы резистентности некоторых микроорганизмов. Необходимы дальнейшие исследования для лучшего понимания нами этого умения приспосабливаться.
Литература