У стафилококка, резистентного к большим дозам антибиотика, есть альтернативный механизм деления
Ученые из Великобритании обнаружили новый механизм устойчивости к антибиотикам у золотистого стафилококка в дополнение к хорошо известному гену mecA. Именно этот механизм связан с устойчивостью к высоким концентрациям антибиотиков. У резистентных клеток изменяется архитектура пептидогликанов клеточной стенки, которая формируется между дочерними клетками.
Метициллинрезистентный золотистый стафилококк (MRSA) вызывает более 120 тысяч смертей ежегодно. Как было установлено еще в 1984 году, устойчивым к бета-лактамам его делает ген mecA, который находится в специфических мобильных элементах, кассетных хромосомах стафилококка (SCCmec), и кодирует PBP2a — PBP с низким сродством к бета-лактамам, способный функционировать в их присутствии. SCCmec были заимствованы MRSA у других видов Staphylococcus; геномные исследования показывают, что линии MRSA существовали и до внедрения пенициллина в клиническую практику.
Авторы новой статьи в Science показали, что представление о возникновении устойчивости золотистого стафилококка к бета-лактамам за счет mecA неполно. Многие клинические изоляты MRSA гетерогенны по резистентности, причем лишь небольшое количество бактерий (единицы из десятков тысяч) устойчиво к высоким концентрациям антибиотика. Только в присутствии бета-лактама высокорезистентные бактерии начинают преобладать, и обратной конверсии в отсутствие антибиотика не происходит. Мутации в бактериальной хромосоме, связанные с устойчивостью к высоким концентрациям лекарств, находятся в участках, связанных с регуляцией физиологии клетки, а не с PBP2a. Авторы назвали эти гены потенциаторами (pot), чтобы отличить их от вспомогательных генов (aux), мутация в которых приводит к снижению устойчивости.
Ранее те же авторы показали, что возникновение MRSA, устойчивого к высоким концентрациям антибиотика, происходит в два этапа. Появление mecA — только первый из них, и он ведет к умеренному повышению минимальной ингибирующей концентрации антибиотика. Второй этап, при котором устойчивость резко повышается, — приобретение миссенс-мутаций в генах-потенциаторах; в данном случае ими оказались гены субъединицы РНК-полимеразы (rpoB или rpoC).
В делении стафилококка важную роль играют септальные кольца — концентрические круги, образованные длинными нитями гликана, на септуме, новой стенке между дочерними клетками. Ученые сравнили с помощью атомно-силовой микроскопии архитектуру пептидогликана клеточной стенки у чувствительных к антибиотику и устойчивых штаммов.
В отсутствие антибиотика как чувствительный, так и резистентный штаммы имели клеточные стенки сходного строения — плотная пептидогликановая сетка во внутренней части и более рыхлая пористая во внешней. У тех и других были видны концентрические кольца пептидогликановых нитей на внешней поверхности септума. При добавлении антибиотика в клеточной стенке погибающих чувствительных клеток появились отверстия. Клетки с высокой устойчивостью не погибли, однако концентрические кольца на септуме исчезли и заменились мелкопористой сеткой. Аналогичные структурные особенности обнаружили у нескольких клинически значимых штаммов S. aureus.
Для синтеза пептидогликанов клеточной стенки необходимы PBP1 и PBP2, так как только они, но не другие типы PBP, обладают транспептидазной активностью (могут соединять боковые цепи). PBP2 необходим для образования плотной сети пептидогликанов во внутреннем слое клеточной стенки. PBP1, в свою очередь, координирует взаимодействия между пептидогликанами и белками дивисомы. Именно он ответственен за образование кольцеобразных структур у клеток дикого типа, и они не восстанавливаются даже в присутствии PBP2a. Однако этот дефект компенсируется мутациями в rpoB, связанными с резистентностью. В их присутствии возможен альтернативный режим деления, для которого не нужен активный PBP1 и формирование септальных колец.
Помимо rpoB, авторы нашли еще один ген, ассоциированный с устойчивостью к высоким концентрациям антибиотика, — rel. Его продукт участвует в ответе на стресс, в частности, на нехватку питательных веществ, вызывая появление сигнальных молекул гуанозининтетрафосфата и гуанозинпентафосфата. Также исследователи идентифицировали агенты, ресенсибилизирующие различные варианты MRSA, то есть повышающие их чувствительность к антибиотикам, и установили, что они по-разному влияют на два взаимозависимых механизма высокой устойчивости. Возможно, открытие нового механизма устойчивости у MRSA поможет в борьбе с этой опасной инфекцией.