Альтернативный синтез стенки при делении обеспечил стафилококку устойчивость к метициллину

Британские исследователи проанализировали структуру клеточной стенки метициллин-резистентного золотистого стафилококка и пришли к выводу, что гены устойчивости позволяют ему в присутствии антибиотиков делиться альтернативным способом с другой архитектурой стенки. Отчет о работе опубликован в журнале Science, там же ей посвящена редакционная статья.

После массового применения бета-лактамного пенициллина в 1940–50-х годах у золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus) начали быстро распространяться устойчивые штаммы за счет выработки бета-лактамаз. Для борьбы с ними в 1959 году был внедрен метициллин — производное пенициллина, которое не разрушается этим ферментом. Однако уже в следующем десятилетии были зарегистрированы инфекции, вызванные метициллин-резистентным золотистым стафилококком (MRSA), и в настоящее время он представляет собой одну из наиболее опасных антибиотикоустойчивых бактерий, уносящую более 100 тысяч жизней в год.

Бета-лактамные антибиотики действуют, блокируя пенициллинсвязывающие белки (PBP) — ферменты, отвечающие за сборку пептидогликанов клеточной стенки бактерий. У золотистого стафилококка их четыре, но только PBP1 и PBP2 критичны для построения клеточной стенки. MRSA обладает несвойственным его виду вариантом PBP2a с низкой аффинностью к большинству бета-лактамов, который получен от других видов стафилококка, кодируется геном mecA и горизонтально переносится генетическими кассетами SCCmec разных типов. Он может выполнять транспептидазные функции PBP2, но не PBP1. Такое приспособление обеспечивает защиту от невысоких концентраций метициллина, однако примерно у одной из 10 тысяч клеток MRSA устойчивость крайне высока за счет дополнительных мутаций в потенциирующих генах (pot), в том числе кодирующих субъединицы РНК-полимеразы (rpo*), и в присутствии антибиотика эти клетки подвергаются положительному отбору.

Саймон Фостер (Simon Foster) из Шеффилдского университета с коллегами воспользовались атомно-силовой микроскопией (АСМ) высокого разрешения, чтобы исследовать структуру клеточной стенки антибиотикочувствительного штамма золотистого стафилококка (MSSA) и того же штамма, снабженного геном mecA (то есть ставшим MRSA). В отсутствие антибиотиков у обеих бактерий пептидогликаны наружной поверхности имели крупноячеистую сетчатую структуру с большими порами, а с внутренней, где они синтезируются, формировали значительно более плотную сеть. При образовании новой стенки, служащей перегородкой дочерних клеток при делении, ее наружные пептидогликаны складывались в характерные концентрические окружности.

Под действием 1,5 микрограмма метициллина на миллилитр среды, что немного меньше минимальной подавляющей концентрации (МПК) для обычного MRSA, в стенке MSSA появлялись крупные отверстия и клетка погибала. У mecA⁺ MRSA в этих условиях в перегородке между клетками наружные пептидогликаны не формировали концентрическую структуру, а представляли собой плотную однородную сеть, при этом толщина стенки снижалась. Такая же утрата концентрических окружностей с формированием плотной сети наблюдалась у высокоустойчивого штамма MRSA, несущего мутацию rpoB* помимо гена mecA, при концентрации антибиотика 25 микрограмм на миллилитр (смертельной для MSSA и mecA⁺ MRSA), однако у него стенка утолщалась с образованием дополнительной выпуклости посередине. Аналогичные паттерны формирования стенки в присутствии антибиотика демонстрировали различные клинически значимые высокоустойчивые штаммы MRSA с разными типами SCCmec.

Выяснив это, авторы работы, экспериментируя с различными штаммами золотистого стафилококка, провели систематическое исследование молекулярных механизмов обычного (в отсутствие антибиотиков) и альтернативного (в их присутствии у устойчивых штаммов) способов деления клеток. Они выяснили, что за рост концентрических структур пептидогликанов в процессе деления отвечает только чувствительный к метициллину PBP1. Мутация rpoB может компенсировать траспептидазную активность этого белка, и именно она отвечает за формирование плотной сети пептидогликанов. В комбинации с замещением активности PBP2 устойчивым PBP2a это исключает необходимость в чувствительных PBP1 и PBP2, обеспечивая альтернативный способ деления и высокую резистентность к метициллину. Аналогично мутантному rpoB может действовать pot мутация гена rel, который отвечает за стрессовую реакцию бактерий на дефицит нутриентов, и обе этих мутации повышают концентрацию в клетке алармона гуанозинтетрафосфата.

В завершение авторы работы показали, что некоторые соединения могут вернуть MRSA чувствительность к метициллину в культуре при определенных мутациях: кломифен и спермин — при mecA⁺ pbp2* и mecA⁺ pbp2* rpoB*, но не pbp1* rpoB*; норгестимат — pbp1* rpoB* и mecA⁺ pbp2*, но не mecA⁺ pbp2* rpoB*, эпикатехина галлат — при всех трех. Имеет ли это клиническое значение, а также используют ли другие бактерии альтернативный синтез клеточной стенки при делении в присутствии антибиотиков, предстоит выяснить в дальнейших исследованиях.

Ранее было показано, что кожа людей может противостоять проникновению MRSA за счет выработки интерлейкина-8, из-за чего он может быть комменсалом в кожной микробиоте, а гаплонедостаточность гена OTULIN, напротив, предрасполагает к тяжелым стафилококковым инфекциям. При этом бета-лактамный цефалоспорин пятого поколения цефтобипрол пока сохраняет активность в отношении MRSA.