Гаплонедостаточность уличили в развитии тяжелой формы стафилококковой инфекции

За развитие тяжелого течения инфекции золотистого стафилококка отвечает гаплонедостаточность гена OTULIN, расположенного на коротком плече пятой хромосомы. Этот ген отвечает за синтез деубиквитиназы — фермента, который отщепляет убиквитин от белков. При недостатке этого фермента убиквитин накапливается в фибробластах кожи; его избыток приводит к накоплению мембранного белка кавеолина-1, который, в свою очередь, потенцирует цитотоксическое действие альфа-токсина золотистого стафилококка. При этом лейкоцитарные клетки остаются интактными. Исследование опубликовано в журнале Science.

Золотистый стафилококк считается одним из основных бактериальных агентов, который вызывает гнойные инфекции мягких тканей. К таким инфекциям относят, например, поверхностные инфекции кожи — фолликулиты, целлюлит, абсцессы — или более тяжелые поражения — некротизирующие поражения кожи и мягких тканей и деструктивная пневмония, которые могут осложниться септицемией. Однако у большинства людей золотистый стафилококк является частью микробиома кожи и слизистой оболочки носовой полости. Лишь у небольшого числа людей развивается опасная для жизни стафилококковая инфекция. Причем у такой инфекции довольно плохой прогноз из-за ее быстрого инвазивного течения.

Среди факторов риска развития стафилококковой инфекции выделяют приобретенные (хирургические вмешательства и сосудистая дисфункция) и врожденные. К врожденным  относят наследственные нарушения иммунитета, неправильное развитие или изменение функции фагоцитов: врожденная нейтропения, хроническая гранулематозная болезнь и дефицит адгезии лейкоцитов. Кроме того, у пациентов с тяжелой стафилококковой инфекцией находили нарушения структуры Toll-подобного рецептора (TLR), сигнализации через интерлейкин-1-подобный рецептор ядерного фактора-каппа B (TIR-NF-κB), интерлейкин-6 и STAT3-зависимого иммунитета. Все эти дефекты преимущественно влияют на миелоидный росток лейкоцитов, однако их находят далеко не у всех инфицированных. Врачи не могут объяснить большинство случаев тяжелой стафилококковой инфекции, поскольку у людей не находят дефектов фагоцитов.

Группа ученых под руководством Андраса Спаана (András N. Spaan) из Рокфеллеровского университета занималась вопросом генетической и иммунологической основы развития тяжелой стафилококковой инфекции. Для этого они секвенировали экзомы 105 человек с тяжелым течением стафилококковой инфекции. В контрольную группу попало 1274 человека с микобактериальной инфекцией (в том числе больных туберкулезом), поскольку у таких больных редко встречается дополнительная сочетанная стафилококковая инфекция.

После корректировки на этническую принадлежность с помощью метода главных компонент ученые проверили нулевую гипотезу о том, что потенциальный ген-виновник тяжелой стафилококковой инфекции не является специфичными для стафилококковой инфекции. Ген OTULIN/FAM105B оказался единственным геном, который на геномном уровне статистически значимо различался между группами (р = 5,74 × 10^-7). При добавлении в контрольную группу геномов еще 2504 здоровых статистическая значимость подтвердилась (р = 3,85 × 10^-8). Это указывает на то, что очень редкие варианты этого гена находили именно у пациентов с тяжелой стафилококковой инфекцией.

Изучение трех пробандов с гетерозиготными вариантами гена OTULIN, страдающих от тяжелой стафилококковой инфекции, показало, что у одного из них присутствует миссенс-мутация, у другого — нонсенс-мутация, у третьего — мутация сдвига рамки считывания. У каждого пробанда стафилококковая инфекция проявлялась в форме опасного для жизни некроза кожи и/или деструкции легких. В общей сложности ученые выявили шесть очень редких вариантов гена у семи пациентов из шести родов. У большинства из них первый эпизод заболевания произошел в подростковом возрасте. Клинические данные свидетельствовали о том, что стафилококковая инфекция могла проявляться по-разному раньше, однако кожа и/или легкие последовательно поражались у всех пациентов.

Одна треть гетерозиготных родственников (трое из девяти, по которым были доступны данные) демонстрировали похожий фенотип, но тяжелых форм инфекции они никогда не переносили. Ученые предположили, что очень редкие гетерозиготные мутации гена OTULIN предрасполагают к тяжелому некрозу кожи и деструкции легких, как правило (но не исключительно), после заражения золотистым стафилококком.

Известно, что деубиквитиназа, за синтез которой отвечает OTULIN, снижает интенсивность воспаления. Ученые оценили деубиквитиназную активность продуктов аллелей у пациентов и их способность ингибировать передачу сигналов NF-κB. Они проверяли, насколько хорошо продукты экспрессии гена OTULIN могут ингибировать NF-κB при действии на рецептор фактора некроза опухоли. У пациентов с тяжелым течением стафилококковой инфекции все аллели были гипоморфными или аморфными, в отличие от контрольной группы, у которых аллели, как и в общей популяции, были изоморфными. Очевидно, что эти различия будут отражаться на способности связывать убиквитин. После дополнительных анализов ученые пришли к выводу, что редкие варианты гена OTULIN, обнаруженные у пациентов, предрасполагают пациентов к тяжелой форме инфекции.

У людей с синдромом кошачьего крика, при котором утрачивается частично или целиком короткое плечо пятой хромосомы, инфекции дыхательных путей являются одной из основных причин госпитализации, а пневмония чаще всего приводит к смерти. Поскольку ген OTULIN расположен на коротком плече пятой хромосомы, у людей с синдромом кошачьего крика будет наблюдаться гаплонедостаточность гена OTULIN — состояние, когда вклад нормальной аллели недостаточен для правильного функционирования клетки из-за мутации в другой аллели. Распространенность синдрома составляет примерно 1 на 50 000 рожденных живыми детей; примерно такая же распространенность минорных аморфных и гипоморфных аллелей гена OTULIN.

Поскольку ученые не обнаружили у людей с гаплоидной недостаточностью гена OTULIN явных иммунологических нарушений, они решили исследовать клетки не гемопоэтического ряда. Исследователи оценили уровни экспрессии гена OTULIN в первичных фибробластах кожи. Уровни мРНК OTULIN варьировались, однако уровни соответствующего белка оказались низкими у больных пациентов и зависели от природы мутации. Гаплонедостаточность гена OTULIN приводила к накоплению агрегатов, содержащих линейный убиквитин, в фибробластах тяжело больных пациентов, а также у пациентов с синдромом кошачьего крика.

Накопление этих агрегатов останавливалось при внедрении гена OTULIN в ДНК клеточной культуры фибробластов. Уровни линейного убиквитина оказались намного выше в клетках пациентов с гаплонедостаточностью гена OTULIN, чем в клетках здоровых контрольных групп (p < 0,0001), причем эти уровни зависели от дозы гена.

Ученые предположили, что гаплонедостаточность гена OTULIN влияет на клеточный гомеостаз посттрансляционно. Они обнаружили, что в фибробластах с гаплоидной недостаточностью гена OTULIN накапливается комплексы с высокой молекулярной массой, в которых содержится кавеолин-1. Позже ученые выяснили, что у людей с гаплонедостаточностью гена OTULIN происходит накопление комплексов кавеолина-1, модифицированных цепями лизина, а не линейного убиквитина, который в норме присутствует у здоровых людей.

Кавеолин-1 образует кластеры в мембранных микродоменах и колокализуется с дизинтегрином и металлопротеазным доменом, содержащим белок-10 (ADAM10). ADAM10 — это рецептор клеточной поверхности, с которым взаимодействует альфа-токсин стафилококка. Сам альфа-токсин, образуя поры в мембране клетки, вызывает опосредованную ADAM10 гибель клетки, в чем ему помогает кавеолин-1.

Ученые выдвинули гипотезу о том, что гаплонедостаточность гена OTULIN предрасполагает к гибели фибробласты пациентов с тяжелой стафилококковой инфекцией от альфа-токсина. У людей с двумя полноценными копиями гена OTULIN определялась нормальная восприимчивость к альфа-токсину. При этом у людей с тяжелой формой инфекции он вызывал более высокие уровни активации металлопротеазы клеточной поверхности. Уровни активности коррелировали с уровнями ADAM10 после связывания альфа-токсина. Предварительная обработка селективным ингибитором ADAM10 полностью блокировала активацию металлопротеазы, индуцированной альфа-токсином в контрольных группах, однако уровни активации у тяжелобольных снижались незначительно.

Предварительная обработка циклодекстрином, который разрушает мембранные микродомены с кавеолином-1, защищала кожные фибробласты от цитотоксических эффектов альфа-токсина. Восприимчивость клеточной линии фибробластов с гаплонедостаточностью гена OTULIN к альфа-токсину частично снижалась при блоке гена, экспрессирующего кавеолин-1. В иммунных клетках подобных изменений ученые не наблюдали.

Тем самым эта работа показала, что в развитии тяжелого течения стафилококковой инфекции важную роль играет генетическая предрасположенность отдельного человека. Она выражается в гаплонедостаточности гена OTULIN, который отвечает за синтез деубиквитиназы. Из-за его недостатка — фермента, который отщепляет убиквитин от белков. При недостатке этого фермента в фибробластах кожи накапливается убиквитин, который, в свою очередь, приводит к накоплению мембранного белка кавеолина-1. И уже он потенцирует цитотоксическое действие альфа-токсина золотистого стафилококка.

Наследственность играет важную роль в жизни человека, причем ученые не могут перечислить все признаки, которые вообще можно передать по наследству. Недавно мы рассказывали, что проявление доброжелательного отношения к другим людям на 45 процентов зависит от наследственности.

Слава Гоменюк