Внекишечные патогенные E. coli (ExPEC) вызывают серьезные инфекции у людей и животных. Росту ExPEC может способствовать коинфекция с Enterococcus faecalis (EF). Ученые из Университета штата Северная Каролина исследовали штаммы ExPEC, которые выделили у собак и птиц, коинфицированных кишечной палочкой и EF. Присутствие EF стимулирует рост многих штаммов кишечной палочки, и это связано как с преодолением дефицита железа во внекишечной среде, так и с продукцией защитной слизистой капсулы.
Credit:
123rf.com
Штаммы внекишечной патогенной Escherichia coli (ExPEC) являются основной причиной заболеваемости и смертности от внекишечных инфекций у людей и животных. В частности, патовары ExPEC вызывают инфекции мочевыводящих путей у собак и человека (UPEC) и колисептицемию, или колибактериоз у домашней птицы (APEC). Эти патогены могут участвовать в полимикробных инфекциях. Эпидемиологические и экспериментальные исследования показали, что Enterococcus faecalis (EF), способный образовывать прочные биопленки и уклоняться от иммунного ответа, часто усиливает вирулентность ExPEC при совместном культивировании. Однако генетические факторы, участвующие в синергическом взаимодействии EF и ExPEC, недостаточно изучены.
Механизмы вирулентности ExPEC включают поглощение железа и выработку экзополисахаридов (EPS), таких как липополисахарид и колановая кислота. Недостаток железа во внекишечной среде может быть лимитирующим фактором для роста бактерии, а экзополисахариды вырабатываются в ответ на низкое содержание железа и защищают ExPEC от антимикробных пептидов и комплемент-опосредованного уничтожения. В то же время ExPEC лучше растет при низком содержании железа в присутствии EF. Ученые из Университета штата Северная Каролина ранее продемонстрировали это на штаммах APEC. В новом исследовании они оценили улучшение роста штаммов UPEC при кокультивировании с EF на среде с низким содержанием железа, а также выявили потенциальные генетические факторы, влияющие на рост и механизмы вирулентности ExPEC. Результаты работы опубликованы в журнале PLOS ONE.
Одиннадцать штаммов кишечной палочки, выделенных от собак с инфекцией мочевыводящих путей, вызванной UPEC и Enterococcus spp., тестировали методом макроколоний: сравнивали рост колоний чистых штаммов UPEC и тех же штаммов в смешанных культурах с EF, при двух концентрациях 2,2’-дипиридила (22D) — хелатора железа. Чистые либо смешанные культуры высевали на агар, содержащий хелатор, через 24 часа изолировали одну колонию ExPEC и оценивали в ней количество колониеобразующих единиц (КОЕ). В другом варианте эксперимента EF и ExPEC высевали отдельно на различных расстояниях друг от друга.
При высокой концентрации хелатора (1,0 мМ) рост в смешанной культуре ускорялся по сравнению с чистой культурой (в среднем с 2,60 до 4,62 lg КОЕ/мл) для всех штаммов, кроме одного, рост которого в присутствии EF был даже подавлен. Положительное влияние отдельной колонии EF было хорошо заметно на расстоянии 1 см. Авторы выбрали два штамма UPEC — LB-5658, рост которого подавлял EF, и LB-5660, рост которого EF, напротив, стимулировал. По результатам прошлых исследований APEC также отобрали два их штамма с аналогичными свойствами (LB-4801 и NC_ LB-5134).
Определение филогрупп штаммов APEC и UPEC, коизолированных с EF, показало, что они не принадлежат к каким-то определенным линиям, а достаточно разнообразны.
Авторы сравнили аннотации геномов и типы плазмидных репликонов у четырех штаммов UPEC и APEC — NC_LB-5134 и LB-5660, которые демонстрировали рост под воздействием EF, и LB-5658 и LB-4801 без подобной реакции. У штаммов, рост которых стимулировал EF, обнаружили десятки белков, предположительно специфичных для ExPEC с таким свойством. Репликон плазмиды IncFIB и гены, кодирующие белок пилин для конъюгативного переноса, присутствовали во всех штаммах, кроме LB-5658. Только у штаммов с EF-синергией обнаружились гены биосинтеза колановой кислоты, входящей в состав капсулы, а также гены биосинтеза аэробактина и иерсиниабактина — бактериальных сидерофоров, то есть хелатирующих железо соединений.
Авторы проверили, связаны ли эти генетические признаки с соответствующими особенностями фенотипа. Действительно, у LB-5660 и NC_LB-5134 размер колоний и продукция экзополисахаридов увеличивались при уменьшении расстояния до EF. Выработка экзополисахаридов могла возрасти в 5–16 раз.
Вклад этих фенотипических изменений в вирулентность при коинфекции со штаммом EF OG1RF исследовали на куриных эмбрионах. Штаммы LB-5658 и LB-4801, которые на агаре с хелатором не росли лучше в присутствии EF, при моноинфекции были низковирулентными, однако коинфицирование с EF значимо увеличило смертность эмбрионов. Моноинфекции штаммами LB-5660 и NC_LB-5134, были существенно более вирулентными, чем любые инфекции, вызванные LB-5658 и LB-4801, при этом смертность эмбрионов при коинфекции с EF не продемонстрировала значимых изменений.
Анализ аннотаций геномов, проведенный вручную, и ПЦР-амплификация подтвердили, что все штаммы, имеющие плазмиду IncFIB (то есть все, кроме LB-5658), также могли содержать белки Tra, необходимые для образования конъюгативных пилей. Гены, ответственные за продукцию аэробактина, локализовались у LB-5660 и NC_LB-5134 в плазмидных областях. Удаление плазмиды IncFIB из NC_LB-5134 привело к исчезновению зависимости от EF: в его присутствии больше не усиливались ни рост, ни выработка экзополисахаридов.
Таким образом, синергическое взаимодействие штаммов ExPEC с EF определяется несколькими молекулярными механизмами, включающими не только усвоение железа, но и продукцию EPS и перенос F-плазмид. «При таких инфекциях у собак и домашней птицы энтерококк действует как защитник кишечной палочки, — говорит Грейсон Уолкер, ведущий автор статьи. — Мы уже знали, что коинфекция преодолевает низкое содержание железа в среде. Теперь мы знаем, что она также позволяет кишечной палочке лучше защищаться». Ученые надеются, что это исследование приведет к появлению новых терапевтических средств против смешанных инфекций кишечной палочкой и энтерококком.
Источники
Walker G. K. et al. Canine uropathogenic and avian pathogenic Escherichia coli harboring conjugative plasmids exhibit augmented growth and exopolysaccharide production in response to Enterococcus faecalis // PLoS ONE 19(11): e0312732, published online November 27, 2024. DOI: 10.1371/journal.pone.0312732
Цитата по пресс-релизу