Регистрация доменов по супер выгодной цене!

В ходе эволюционного эксперимента патогенный гриб превратился в полезного симбионта

Рис. 1. Колонии разных штаммов гриба Candida albicans, различающихся по своей способности образовывать гифы. Колонии выращены на двух разных средах (Serum — жидкая среда с добавлением сыворотки крови, которая стимулирует гифообразование; Spider — твердая среда на основе агара). Штаммы, способные к формированию гиф, образуют на агаре колонии с морщинистой поверхностью. Гладкие колонии указывают на отсутствие гиф (в этом случае гриб существует в дрожжевой форме, то есть в виде отдельных клеток). Слева направо: SC5314 — исходный штамм («дикий тип»), efg1/efg1 — гриб с отключенным геном efg1, необходимым для гифообразования; W1 — после одной недели жизни в кишечнике мыши (освобожденной от кишечных бактерий при помощи антибиотиков) гриб еще не утратил способности к формированию гиф; W7, W2N — за 10 недель жизни в мышином кишечнике способность к гифообразованию утрачена. Длины масштабных отрезков: черные — 200 мкм, красные — 20 мкм. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Эволюционные эксперименты, проведенные сингапурскими биологами, показали, что потенциально патогенный гриб Candida albicans всего за несколько недель жизни в кишечнике мыши может превратиться в полезного симбионта, защищающего хозяина от грибных и бактериальных инфекций посредством активации систем врожденного иммунитета. Эта эволюционная трансформация происходит при условии, что бактерии в мышином кишечнике были предварительно уничтожены антибиотиками. В отсутствие конкуренции со стороны бактерий отбор поддерживает мутации, лишающие гриб способности образовывать гифы и попутно придающие ему свойства, потенциально полезные для хозяина. При наличии в кишечнике нормальной бактериальной микрофлоры те же самые мутации делают гриб неконкурентоспособным. Поэтому если не кормить мышь антибиотиками, то гриб, в зависимости от возраста мыши, либо вообще не выживает в ее кишечнике, либо выживает, но не эволюционирует в полезного симбионта.

Взаимоотношения между животными и обитающими в их кишечнике микроорганизмами варьируют от антагонистических до мутуалистических (взаимовыгодных). Понимание причин, от которых зависит, будут ли наши микробы враждовать с нами или дружить, важно для развития медицины. Однако о факторах, которые направляют эволюцию кишечных микробов в сторону взаимовыгодного сотрудничества с хозяином, до сих пор известно немного.

С одной стороны, биологи уже добились некоторых успехов в искусственном конструировании мутуалистических систем (см. новости: Взаимовыгодный симбиоз гриба и водоросли может сформироваться мгновенно, «Элементы», 07.07.2014, Кишечную палочку научили встраиваться в клетку дрожжей и работать митохондрией, «Элементы», 30.10.2018), а в ряде эволюционных экспериментов удалось пронаблюдать развитие кооперации между микробами (Эволюция видов в сообществе идет не так, как в монокультуре, «Элементы», 19.05.2012). С другой стороны, удобных экспериментальных систем для изучения того, как в ходе эволюции бесполезные или вредные кишечные микробы становятся полезными симбионтами, до сих пор не было.

Гриб Candida albicans часто встречается у людей в пищеварительном тракте и половых путях. Обычно он ведет себя как мирный комменсал, но иногда вызывает серьезные заболевания (см. Candidiasis). Изучение взаимоотношений C. albicans c хозяином затрудняется тем, что привычные лабораторные животные, такие как мыши, не являются естественными хозяевами этого гриба. В кишечнике взрослой мыши C. albicans не выживает, по-видимому, не выдерживая конкуренции с обычными кишечными микробами. Однако ученые всё-таки нашли два способа поселить C. albicans в мышином кишечнике. Во-первых, можно накормить мышь антибиотиками, чтобы убить бактериальную микрофлору. После этого C. albicans успешно колонизирует пищеварительный тракт мыши. Во-вторых, можно заразить грибом юного мышонка, у которого нормальная микрофлора еще не сформировалась. В этом случае можно обойтись без антибиотиков. Кроме того, можно ввести клетки C. albicans в кровь, но это плохо заканчивается для мыши: гриб разрастается в почках и других органах, и животное погибает.

Микробиологи и иммунологи из Сингапура решили выяснить, как гриб C. albicans адаптируется к новой для него среде обитания — кишечнику мышей, лишенных бактериальной микрофлоры.

Для начала мышам, регулярно получающим антибиотики, скормили по порции C. albicans. Заражение прошло успешно: гриб прижился в кишечнике подопытных животных. После этого каждую неделю гриб пересаживали в следующего хозяина — другую мышь, сидящую на антибиотиках, — скармливая ему фекалии предыдущего.

За ростом приспособленности гриба к новым условиям следили, оценивая скорость его размножения в кишечнике безбактериальных мышей по сравнению с исходным штаммом. Уже через 10 недель (то есть после 10 пересаживаний из одной мыши в другую) приспособленность подопытных штаммов C. albicans увеличилась на 10–15%. Таким образом, грибы успешно адаптировались к новой среде. Теперь нужно было выяснить, как им это удалось и почему.

Сначала ученые проверили, играет ли какую-то роль в адаптации гриба к мышиному кишечнику взаимодействие с системой адаптивного (приобретенного) иммунитета хозяина. Для этого эксперимент повторили на мышах, которые не только сидели на антибиотиках, но еще и были лишены способности вырабатывать приобретенный иммунитет. У этих мышей не работает ген Rag1, необходимый для формирования функциональных B- и T-лимфоцитов. Результат воспроизвелся: приспособленность гриба за 10 недель выросла примерно так же, как и в случае с обычными безбактериальными мышами. Это значит, что для успешной адаптации гриба к жизни в мышином кишечнике не требуется взаимодействие с адаптивным иммунитетом хозяина.

Помешают ли бактерии, в норме обитающие в мышином кишечнике, успешной адаптации гриба? Заразить грибом взрослых мышей с нормальной кишечной микрофлорой (не принимающих антибиотики) авторам не удалось, как это никому не удавалось и раньше. По-видимому, сложившаяся бактериальная микрофлора не позволяет грибу размножаться в мышином кишечнике. Тогда исследователи перешли к экспериментам с двухнедельными мышатами, в чьем кишечнике C. albicans приживается даже без антибиотиков.

Оказалось, что если мышатам, зараженным грибом, не давать антибиотиков, то гриб в их кишечнике хотя и выживает, но не может так же хорошо адаптироваться к новой среде, как в случае с антибиотиками. После 5–10 недель жизни в мышатах, которых кормили антибиотиками, приспособленность C. albicans к новым условиям выросла почти так же сильно, как и после 10 недель жизни во взрослых безбактериальных мышах. Однако после тех же 5–10 недель жизни в мышатах, не получавших антибиотики, приспособленность гриба осталась на исходном уровне.

Эти и другие эксперименты показали, что в присутствии нормальных мышиных кишечных бактерий грибу не удается приобрести какие-то свойства, которые повышают его конкурентоспособность в кишечнике безмикробных мышей.

Что же это за свойства? Оказалось, что все штаммы C. albicans, чья приспособленность к жизни в мышином кишечнике увеличилась в ходе проведенных экспериментов (и во взрослых безбактериальных мышах, и в мышатах, и в мышах без адаптивного иммунитета) утратили способность к формированию многоклеточных нитей — гиф. Эти штаммы могут существовать только в дрожжевой форме, то есть как отдельные клетки (рис. 1). По-видимому, умение образовывать гифы помогает грибу выживать в присутствии кишечных бактерий, но замедляет размножение в кишечнике безмикробной мыши.

Чтобы понять генетические основы произошедших изменений, авторы отсеквенировали геномы 28 штаммов C. albicans, успешно адаптировавшихся к жизни в кишечнике безмикробных мышей, и сравнили их с геномом исходного штамма.

Оказалось, что у всех адаптированных штаммов закрепились значимые (несинонимичные, меняющие кодируемый белок) мутации хотя бы в одном из 34 белок-кодирующих генов, функции которых связаны с гифообразованием, построением клеточной стенки и регуляцией транскрипции (рис. 2).

В ходе эволюционного эксперимента патогенный гриб превратился в полезного симбионта

Рис. 2. Мутации, закрепившиеся у 28 штаммов C. albicans, адаптировавшихся к жизни в мышином кишечнике. По горизонтальной оси — штаммы гриба, по вертикальной — 34 гена, в которых хотя бы у одного штамма закрепилась несинонимичная мутация. Красным цветом показаны мутации, находящиеся в отсеквенированных геномах в гомозиготном состоянии, синим — в гетерозиготном. Видно, что чаще всего отбор поддерживал мутации гена FLO8, который кодирует регулятор транскрипции (Transcription factor), влияющий на формирование гиф (Filamentation). Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Чаще всего (у 22 штаммов из 28) закреплялись мутации, выводящие из строя ген FLO8. Этот ген кодирует транскрипционный фактор, регулирующий гифообразование. Все закрепившиеся в нем мутации делают кодируемый белок нефункциональным (посредством появления преждевременного стоп-кодона или сдвига рамки считывания). Дополнительные эксперименты подтвердили, что грибы с инактивированным геном FLO8, во-первых, не образуют гиф, во-вторых, обладают повышенной конкурентоспособностью в кишечнике безбактериальных мышей.

Таким образом, ход адаптации C. albicans к жизни в кишечнике безбактериальных мышей оказался предсказуемым и воспроизводимым: всегда утрачивается способность к гифообразованию, причем чаще всего это происходит за счет мутаций, выводящих из строя ген FLO8.

Ранее было показано, что и гифообразование, и FLO8 влияют на вирулентность C. albicans, определяя способность гриба вызывать системную инфекцию при попадании в кровь (F. Cao et al., 2006. The Flo8 Transcription Factor Is Essential for Hyphal Development and Virulence in Candida albicans). Поэтому авторы предположили, что штаммы, приспособившиеся к жизни в мышином кишечнике, могли при этом стать менее вредоносными.

Эксперименты по совместному культивированию C. albicans с клетками млекопитающих (мышиными макрофагами и человеческими клетками эпителия толстой кишки) подтвердили, что штаммы C. albicans, приспособившиеся к жизни в кишечнике безбактериальных мышей, не так сильно повреждают клетки, как исходный штамм. Введение исходного штамма в кровь приводит к разрастанию грибных гиф в почках уже через двое суток, а через 3–4 дня все мыши погибают. Инъекцию такого же количества клеток C. albicans, адаптированных к безбактериальному мышиному кишечнику, мыши благополучно переживают. При этом гриб обнаруживается в тканях только в дрожжевой форме. Штаммы, эволюционировавшие в кишечнике мышат, не получавших антибиотики, не только не разучились образовывать гифы, но и в полной мере сохранили свою смертоносность при попадании в кровь.

Таким образом, в ходе адаптации к жизни в кишечнике безбактериальных мышей гриб C. albicans действительно стал менее опасным для хозяина.

Авторы не остановились на достигнутом и решили проверить, не стал ли он при этом еще и полезным. Они исходили из того, что живущие в кишечнике грибы-комменсалы в принципе могут защищать хозяина от инфекций (T. T. Jiang et al., 2017. Commensal Fungi Recapitulate the Protective Benefits of Intestinal Bacteria). Эксперименты показали, что штаммы C. albicans, адаптированные к кишечнику безбактериальных мышей, действительно обладают защитными свойствами, которых нет у штаммов, сохранивших способность к гифообразованию. Эти защитные свойства проявляются, когда грибы просто живут в кишечнике мыши, и в еще большей степени — если их вводят в кровь, как вакцину. Эта защита неспецифична и распространяется на широкий круг патогенов (включая «дикие» штаммы C. albicans, другие патогенные грибы, грам-положительные и грам-отрицательные бактерии). Мыши с отключенным геном Rag1, не способные вырабатывать приобретенный иммунитет, тоже оказываются защищенными. Это значит, что защитный эффект не связан с адаптивным иммунитетом (как при обычном вакцинировании).

Судя по всему, штаммы C. albicans, адаптировавшиеся к жизни в освобожденном от бактерий мышином кишечнике, способствуют длительной активации систем врожденного иммунитета, которые, как стало ясно в последние годы, тоже обладают своеобразной иммунологической памятью и могут быть «натренированы» лучше защищать организм от определенных инфекций (M. G. Netea et al., 2016. Trained immunity: A program of innate immune memory in health and disease). Способность подопытных штаммов C. albicans «тренировать» врожденный иммунитет обусловлена не только отсутствием гифообразования и не только выходом из строя гена FLO8, но и какими-то дополнительными мутациями, имеющимися у этих штаммов. Это следует из того, что защитные свойства у многих из них выражены сильнее, чем у исходного штамма с искусственно отключенной системой гифообразования (ее отключали, выводя из строя ген FLO8 или EFG1).

Авторы допускают, что на основе выведенных ими штаммов удастся в будущем разработать вакцины нового типа, которые будут защищать даже людей с нарушенной системой адаптивного иммунитета (больных СПИДом, людей после трансплантации и др.)

Таким образом, исследование показало, что опасный для здоровья гриб может быстро эволюционировать в потенциально полезного кишечного симбионта, если только ему не помешают это сделать сложные взаимоотношения с другими обитателями кишечника. По-видимому, способность образовывать гифы необходима грибу C. albicans, чтобы выживать в окружении многочисленных кишечных бактерий. Однако эта способность, во-первых, опасна для хозяина, во-вторых, дорого обходится самому грибу, снижая скорость его размножения в «идеальных» условиях, то есть в отсутствие конкуренции со стороны бактерий.

Возможно, новые открытия в этой области позволят нам в будущем эффективно управлять эволюцией наших микроскопических сожителей, превращая врагов в друзей и не позволяя мирным комменсалам становиться опасными патогенами.

Источник: elementy.ru

Узнать тарифы на безлимитный и надежный хостинг
ПОДЕЛИТЬСЯ

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here

девятнадцать − 10 =