Микобактерии: генетика
Род микобактерий с генетической точки зрения очень разнообразен. В отличие от многих сапрофитных и нетуберкулезных микобактерий микобактерии туберкулеза не содержат экстрахромосомных включений (например, плазмид). Все разнообразие свойств микобактерий туберкулеза определяется ее хромосомой.
Геном М. tuberculosis complex чрезвычайно консервативен. Его представители обладают гомологией ДНК на уровне 85-100%, в то время как ДНК других видов микобактерий гомологичны М. tuberculosis лишь на 4-26%.
Представители рода микобактерий имеют по сравнению с другими прокариотами большие геномы - (3,1-4,5)x10 в 9-ой степени Да, однако геномы патогенных видов меньше, чем у других микобактерий (у М. tuberculosis - 2,5x10 в 9-ой степени Да). У классического возбудителя туберкулеза человека, М. tuberculosis, больше генов, чем у М. africanum и М. bovis , которые утратили часть генетического материала в ходе эволюции.
В 1998 г. была опубликована нуклеотидная последовательность хромосомы штамма H37Rv М. tuberculosis . Ее протяженность - 4411529 пар оснований. Хромосома микобактерии туберкулеза представляет собой кольцевую структуру. В ее составе определено около 4000 генов, кодирующих белки, а также 60, кодирующих функциональные компоненты РНК: уникальный рибосомальный РНК-оперон, 10Sa РНК, участвующий в деградации белков с нетипичной матричной РНК, 45 транспортных РНК (тРНК), более 90 липопротеинов ( рис. 5-4 ).
Более 20% генома занимают гены метаболизма жирных кислот клеточной стенки, в том числе миколовых кислот, богатых глицином кислых полипептидов (семейства РЕ и РРЕ), кодируемых полиморфными участками генома PGRS (Polymorphic GC-rich repetitive sequence) и MPTR (Major polymorphic tandem repeat) , соответственно (пятое и четвертое кольца геномной хромосомной карты). Вариабельность этих участков генома обеспечивает различия антигенов и способность ингибировать иммунный ответ. В геноме микобактерии туберкулеза широко представлены гены, контролирующие факторы вирулентности .
Микобактерии туберкулеза синтезируют все необходимые для обмена компоненты: незаменимые аминокислоты, витамины, ферменты и кофакторы. По сравнению с другими видами бактерий у М. tuberculosis повышена активность ферментов липогенеза. Два гена кодируют гемоглобинподобные белки, играющие роль антиокислительных протекторов или ловушек избытка клеточного кислорода. Эти особенности способствуют быстрой адаптации микобактерий туберкулеза к резким изменениям условий окружающей среды.
Особенность генома М.tuberculosis complex - большое число повторяющихся последовательностей ДНК. Так, в хромосоме М. tuberculosis H37Rv насчитывают до 56 копий IS-элементов (insertion sequences - встраивающихся последовательностей), которые обеспечивают ДНК- полиморфизм микобактерий туберкулеза. Большинство из них, за исключением элемента IS6110 , неизменны. В составе хромосомы различных штаммов микобактерий туберкулеза, как правило, присутствует от 5 до 20 копий IS6110, однако встречаются штаммы, не имеющие данного элемента. Наряду с IS-элементами геном содержит несколько типов коротких повторов нуклеотидов ( PGRS и MPTR ), а также прямые повторы DR (Direct Repeat), находящиеся в DR-области и разделенные вариабельными последовательностями - спейсерами (шестое кольцо на карте хромосомы). Различия в количестве копий и локализации на хромосоме этих генетических элементов используют для дифференциации штаммов микобактерий туберкулеза в молекулярной эпидемиологии. Наиболее совершенные схемы генотипирования микобактерий основаны на выявлении геномного полиморфизма, обусловленного элементом IS6110, а также DR и их спейсерами. Характерно, что дивергенция вида М. tuberculosis происходит, как правило, за счет рекомбинаций между копиями элемента IS6110, которые фланкируют различные гены.
В геноме H37Rv найдены два профага - phiRv1 и phiRv2 . Как и полиморфный сайт Dra1 они, вероятно, ассоциированы с факторами патогенности, поскольку именно эти участки генома отличаются от аналогичных участков авирулентных штаммов М. tuberculosis H37Ra и М. bovis BCG . Определены участки генома (mutT, ogt-genes), отвечающие за увеличение частоты мутаций и адаптацию микобактерий туберкулеза в стрессовых условиях. Обнаружение триггерных генов дормантности микобактерий туберкулеза изменило представление о латентной туберкулезной инфекции.
Изучение полиморфизма генов, кодирующих каталазу, пероксидазу и A-субъединицу ДНК-гиразы, у М. tuberculosis complex были выделены три генотипические группы. Наиболее древняя (с точки зрения эволюции) I группа: М. аfricanum , М. bovis , М. tuberculosis и М. microti . II и III группы включают различные штаммы М. tuberculosis, получившие распространение в некоторых географических регионах. Клональное поведение характерно для I и II групп, а штаммы III группы крайне редко вызывают массовые заболевания. В различных регионах мира распространены генетические семейства М. tuberculosis, получившие наименования Haarlem , Africa , Filipino .
Особое место занимает семейство Beijing , впервые выявленного в гистологических препаратах легочной ткани 1956-1990 гг. от больных предместья Пекина. На сегодняшний лень штаммы этого семейства обнаружены в государствах Азии, Южной Африки, странах Карибского бассейна, США. Распространение данного генотипа на различных территориях определяется этническими характеристиками коренного населения и мигрантов. Недавно получены данные о распространении штаммов генотипа SI/Beijing на северо- западе европейской части России (Санкт-Петербург) и в регионах Сибири.
Смотрите также:
