Грибок Candida albicans обнаружен в желудочно-кишечном тракте примерно у половины здоровых взрослых людей практически без какого-либо воздействия, однако он также вызывает частую фатальную инфекцию крови среди пациентов с нарушенной иммунной системой, в том числе с ВИЧ / СПИДом. Новое исследование Университета Брауна помогает показать, как этот гриб приобретает гибкость для жизни в этих совершенно разных условиях.

Исследование показало, что в пробах гриба у пациентов часто отсутствует одна копия гена, который служит жизненно важным основным регулятором. В лаборатории эти клетки могут регулярно переключаться на другой набор признаков или фенотип, теряя другую копию. Клетки с одной или двумя копиями основного регулятора выглядят белыми по цвету и более вирулентны при инфекциях крови, в то время как клетки, не имеющие обеих копий, образуют «серые» колонии, которые могут преобладать в желудочно-кишечном тракте.

«Разнообразие микробных видов защищает их от изменений в окружающей среде», – сказал Ричард Беннетт, профессор кафедры молекулярной микробиологии и иммунологии Брауна. «Если они имеют разнообразие, субпопуляция клеток может быть способна адаптироваться, даже если остальная часть населения не может. Мы обнаружили, что некоторые образцы Candida albicans могут переключать фенотип, потому что они уже несут одну инактивированную копию гена в этом генетическая горячая точка. "

Исследование было опубликовано во вторник, 26 февраля, в журнале Cell Host and Microbe .

Горячие точки для генетических мутаций – это новый и несколько удивительный механизм, позволяющий грибам, вызывающим болезни, приобретать признаки разнообразия, но этот механизм хорошо известен среди бактерий, сказал Беннетт. Это разнообразие характеристик помогает Candida адаптироваться к различным средам хоста.

Например, грибок Candida может быть обнаружен в желудочно-кишечном тракте от 40 до 60 процентов здоровых взрослых людей с незначительным эффектом, если он вообще есть. Это может также вызвать раздражающие инфекции дрожжей и устную молочницу. С другой стороны, у людей с ослабленной иммунной системой, таких как больные СПИДом, проходящие химиотерапию или готовящиеся к пересадке органов, Candida может попасть в кровоток. Эта серьезная инфекция смертельна в 40-60% случаев, потому что ее трудно лечить, сказал Беннетт.

Точка мутации

Шен-Хуан Лян, докторант по программе патобиологии Брауна, рассмотрел 63 различных образца от пациентов, включая образцы из желудочно-кишечного тракта, молочницы и патогенных инфекций кровотока. Она обнаружила, что у семи из этих штаммов – более 10 процентов – не хватало одной или обеих копий определенного главного регулятора, называемого EFG1. EFG1 – это белок, который регулирует такие признаки, как вирулентность, метаболизм и переключение между выращиванием в виде одноклеточных дрожжей или многоклеточных филаментов.

Несмотря на то, что EFG1 способствует инфекционности Candida, один из штаммов, у которых отсутствуют обе копии, был от инфекции крови. Другой был от пациента с устным молочником. Оба клинических штамма выглядели «серыми» при выращивании на специальном агаре. Пять штаммов имели одну копию гена и выглядели белыми, но перешли в серое состояние до 10 процентов дочерних колоний. Исследовательская группа обнаружила множество различных мутаций ДНК, которые нарушали функцию генов. Ген содержит по крайней мере четыре области повторяющихся последовательностей ДНК, что, как предположил Беннетт, может сделать его горячей точкой для генетических мутаций.

«Ген EFG1, по-видимому, занимает центральное место во многих биологиях Candida albicans, поэтому он постоянно поражается мутациями», – говорит Беннетт. «Интересно, что эти повторяющиеся последовательности могут быть очень легко видоизменены, и потеря этого гена, несомненно, обеспечивает некоторый тип избирательного преимущества».

Обычно мутации в критических генах считаются довольно вредными. Однако в этом случае это может быть чем-то вроде выгоды от гетерозиготности по признаку серповидноклеточной анемии у людей, сказал Беннетт. Люди с одной нормальной копией гена гемоглобина и одной копией серповидно-клеточной мутации более устойчивы к малярии, чем люди с двумя нормальными копиями гена. Тем не менее, люди с двумя копиями серповидно-клеточной мутации страдают серповидно-клеточной анемией и страдают от эпизодов болей в суставах и брюшной полости, анемии и ослабленной иммунной системы, так что это может быть тонкий баланс, добавил он.

Исследуя Candida albicans, исследовательская группа хотела определить, если отсутствие одной копии гена дает штамму эволюционное преимущество в желудочно-кишечном тракте мышей. Чтобы проверить это, исследователи объединили штамм с обеими копиями EFG1 в соотношении 50:50 со штаммом, у которого не было одной копии, и ввели эту смесь в кишечник мышей. Затем исследователи проанализировали грибковые клетки, присутствующие в экскрементах животных в течение нескольких недель. Через два-шесть дней некоторые клетки штамма, в которых отсутствовала одна копия главного регулятора, потеряли вторую копию, и в результате серые клетки в результате преобладали в популяции.

Исследователи также провели эксперименты, в которых они представили штамм пациента, содержащий только одну копию основного регулятора. Эти клетки изначально были белыми, но в конечном итоге потеряли другую копию EFG1 и стали серыми. Эти новые серые клетки снова захватили кишечник.

Наконец, команда проверила конкурентоспособность различных штаммов при инфекциях кровотока. В этой другой среде они обнаружили, что штамм, лишенный обеих копий гена EFG1, преобладает в почке, селезенке и печени по сравнению со штаммом, не имеющим только одной копии, хотя первый был менее фатальным для хозяина. Исследователи смогли отличить эффективную колонизацию различных тканей от инфекции, которая убила хозяина.

Беннетт предупредил, что в этом исследовании рассматривается только потеря EFG1 в чашках Петри и у мышей. В будущем он хотел бы работать с клиницистами для сбора большего количества образцов грибков у пациентов – как из разных инфицированных органов, так и из желудочно-кишечного тракта – и в течение длительного периода времени. Это обеспечит лучшее понимание того, как Candida albicans адаптируется к различным средам у пациентов, какую роль могут играть мутации EFG1 у разных пациентов и как разные группы грибов реагируют на лечение.

Продолжая в лаборатории, Беннетт сказал, что он хотел бы изучить мельчайшие детали горячей точки мутации, в том числе измерить точную частоту возникновения мутаций в горячей точке по сравнению с остальной частью генома и определить механизм этих мутаций. .

«Большой вопрос для всех микробиологов:« Насколько репрезентативен тот или иной изолят или отдельная клетка вида? », – сказал Беннетт. «Мы узнали, что, хотя изучение одного изолята – хорошее начало, это не вся картина, особенно когда вы говорите о микробах».