Для медленно растущего микроба, который редко размножается, Mycobacterium tuberculosis, патоген, вызывающий туберкулез (ТБ), долгое время озадачивал исследователей тем, как он развивает устойчивость к антибиотикам так быстро, в течение нескольких недель или месяцев.
Теперь исследователи туберкулеза из Университета штата Сан-Диего обнаружили важный ключ к разгадке тайны: ответ может лежать в эпигенетической области, а не в генетической области, где большинство ученых сосредоточили свои усилия.
Их открытие может помочь в продвижении новых диагностических, терапевтических и вакцинных целей.
Эпигенетика - это изучение наследственных изменений в экспрессии генов, которые не связаны с соответствующим изменением лежащей в основе последовательности ДНК, то есть изменениями в фенотипе, но не изменениями в генотипе. Это влияет только на физическую структуру ДНК посредством процесса, называемого метилированием ДНК, когда к молекуле ДНК добавляется химическая «кэп», предотвращающая или облегчающая экспрессию определенных генов.
Исследователи из SDSU описывают обнаруженный ими феномен быстрой реакции как «межклеточное мозаичное метилирование», процесс, посредством которого Mycobacterium tuberculosis диверсифицируется, создавая множество субпопуляций, каждая из которых имеет свой собственный фенотип. Хотя антибиотики могут убить многие из этих мутантных субпопуляций, по крайней мере некоторые из них выживают и у них развивается устойчивость к лекарствам.
«Мы считаем, что это также объясняет, почему диагностические тесты у некоторых пациентов не предсказывают неэффективность лечения и почему некоторые пациенты возвращаются спустя месяцы с рецидивом заболевания в гораздо более устойчивом состоянии», - сказал Фарамарз Валафар, эксперт по туберкулезу. со Школой общественного здравоохранения SDSU, которая изучает генетику и эпигенетику легочных заболеваний.«Вот почему компьютерная томография легких многих «вылеченных» пациентов показывает поражения с возможной бактериальной активностью».
Во всем мире туберкулез входит в десятку основных причин смерти. По данным Всемирной организации здравоохранения, в 2019 году от него погибло 1,4 миллиона человек, и ежегодно им заболевает около 10 миллионов человек.
Команда Валафара собрала сотни образцов устойчивых к лекарствам разновидностей бактерий у пациентов в Индии, Китае, Филиппинах и Южной Африке, а также в Европе в сотрудничестве с исследователями туберкулеза по всему миру.
Их исследование было опубликовано в eLife в конце октября. Валафар и ученый проекта Сэмюэл Модлин начали изучать эпигенетику туберкулезной бактерии в 2016 году, а в 2018 году к ним присоединился аспирант Дерек Конкл-Гутьеррес в Лаборатории патогенеза клинической лекарственной устойчивости и стойкости. Модлин, выпускник SDSU, и Конкл-Гутьеррес использовали навыки и знания, полученные в SDSU, для проведения этого исследования - данные и статистический анализ, навыки кодирования и знания в области биоинформатики.
«Мы десятилетиями знали, что бактериальная эпигенетика может влиять на экспрессию определенных генов, что может привести к множеству фенотипов, даже если они имеют идентичные генотипы», - сказал Конкле-Гутьеррес. «Мы обнаружили доказательства этого явления в бактериях туберкулеза».
Устойчивость к антибиотикам обычно вызывается геномными мутациями, но эта бактерия является одной из нескольких, использующих альтернативные механизмы в эпигенетическом домене для обеспечения быстрой адаптации.
«Мы обнаружили, что у некоторых из них были мутации, которые привели к различному метилированию ДНК, и эти штаммы имели гораздо большее разнообразие в своем эпигеноме и, следовательно, более устойчивы к лекарствам», - сказал Модлин..
Исследователи обнаружили, что не было установленных закономерностей, а метилирование было довольно случайным. Они использовали передовые сравнительные геномные и эпигенетические методы для выявления вариаций в клетках колонии от одного изолята, от одного пациента, включая крошечные вариации, которые, тем не менее, влияли на экспрессию генов. Они смогли сделать это, потому что вместо того, чтобы предполагать, что эталонный геном имеет общую структуру, они реконструировали каждый геном с нуля и проанализировали его эпигенетические сигнатуры..
Теперь они сосредоточатся на тестировании и подтверждении ключевых генов, которые они идентифицировали с помощью сигнатур метилирования. Предстоит проделать большую работу, прежде чем их открытие можно будет использовать для диагностики.
«Туберкулез обладает значительной устойчивостью, которая ускользает от современной молекулярной диагностики, и мы действительно не знаем, почему. Это проблематично», - сказал Валафар. «Это исследование предлагает новую область, новые инструменты и новый подход к поиску альтернативных механизмов. Мы отходим от классического взгляда на молекулярную диагностику и используем новый комплексный подход к анализу бактерий».
Текущий стандарт лечения использует два типа антибиотиков - бактериостатики, которые предотвращают размножение бактерий, но не убивают их, и бактерициды, которые их убивают.
"Мы обнаружили новый способ изменчивости, и если мы сможем подавить этот механизм диверсификации, мы сможем подавить краткосрочную эпигенетическую резистентность и убить бактерии до того, как мутации в геноме разовьются и вызовут долгосрочную генетическую резистентность", - сказал Модлин.
Возможно, именно так некоторые бактериальные популяции выживают после лечения и вызывают у пациента повторное заболевание с гораздо большей устойчивостью к антибиотикам или гипервирулентностью.