Эндосимбиотическая бактерия помогает почвенному грибку не быть съеденным фагоцитами

Бактерии-эндосимбионты часто приносят своим хозяевам немалую пользу. В недавней статье, опубликованной в журнале Current Biology, описан еще один любопытный пример таких взаимоотношений. Ученые выяснили, что у почвенного грибка Rhizopus microsposus есть эндосимбиотическая бактерия Ralstonia pickettii. В серии экспериментов они показали, что именно благодаря этой бактерии споры грибка способны уклоняться от поглощения как почвенными амебами, так и иммунными клетками человека. По отдельности и споры, и бактериальные клетки оказываются практически беззащитными перед фагоцитами. Впрочем, молекулярно-биологические основы этого союза пока установить не удалось.

Под термином «симбиоз» понимают очень тесные взаимоотношения двух организмов, относящихся к разным биологическим видам. Чаще всего, говоря о симбиозе, мы имеем в виду взаимовыгодный союз. Причем зачастую по крайней мере для одного партнера симбиотические отношения становятся жизненно необходимыми (строго говоря, симбиоз, при котором оба партнера получают выгоду от взаимодействия друг с другом, называют мутуализмом).

Иногда симбиотическое взаимодействие между двумя видами становится столь тесным, что представители одного вида могут жить только внутри представителей другого, — это эндосимбиоз. Самый известный и, пожалуй, самый важный в эволюционном плане эндосимбиотический союз сформировался, когда внутри одной безъядерной клетки стала квартировать другая — будущая митохондрия. Произошло это событие примерно 1,7–2 млрд лет назад, на заре эволюции эукариот (V. V. Emelyanov, 2001. Rickettsiaceae, rickettsia-like endosymbionts, and the origin of mitochondria; см. также новость Генеалогия белков свидетельствует о позднем приобретении митохондрий предками эукариот, «Элементы», 08.02.2016). Скорее всего, предки митохондрий относились к группе альфапротеобактерий, а клеткой, внутри которой обосновалась будущая митохондрия, была архея, которая попутно с митохондриями обзавелась и ядром, дав начало эукариотической клетке (T. A. Williams et al., 2019. Phylogenomics provides robust support for a two-domains tree of life, см. также новость Предложена новая гипотеза происхождения эукариот, «Элементы», 07.05.2020). Позже (видимо, примерно 1,5 млрд лет назад) эукариотическая клетка с митохондриями обзавелась еще одним эндосимбионтом — цианобактерией, которая дала начало пластидам растений (J. A. G. Ochoa de Alda et al., 2014. The plastid ancestor originated among one of the major cyanobacterial lineages).

Вообще, эндосимбиотические бактерии — штука во многих отношениях полезная. Так, бактерии, живущие в клубеньках бобовых растений, фиксируют атмосферный азот и обеспечивают своих хозяев легкоусвояемыми соединениями азота. А бактерии, входящие в состав кишечной микрофлоры, осуществляют биосинтез витамина K и некоторых витаминов группы B, участвуют в метаболизме желчных кислот и стеринов, а также нейтрализуют антибиотики (G. Clarke et al., 2014. Minireview: Gut microbiota: the neglected endocrine organ). Подобные примеры можно приводить очень долго — тем более, что их список постоянно пополняется. В недавней статье, опубликованной в журнале Current Biology, показано, что почвенный грибок Rhizopus microsposus защищается от питающихся его спорами амеб благодаря эндосимбиотической бактерии.

Обычно грибок Rhizopus microsposus из порядка мукоровых (Mucorales) обитает в почве. Однако некоторые представители мукоровых (R. microsporus в том числе) могут вызывать у людей с ослабленным иммунитетом заболевание, известное как мукормикоз. При мукормикозе могут поражаться разные ткани и органы, нередко болезнь приводит к летальному исходу. Инфицирование происходит при попадании в организм иммунологически инертных спор, находящихся в покоящемся состоянии.

Прорастание спор начинается с активации метаболизма и набухания, а метаболически активные споры иммунная система уже может распознать. Дело в том, что на поверхности набухающей споры появляются особые молекулы, которые внутри организма человека не встречаются. Их появление служит однозначным сигналом для иммунной системы (такие молекулы называют MAMPs — microbe-associated molecular patterns). Самая первая и неспецифичная реакция иммунной системы, которую может вызвать пробравшийся в организм патогенный микроб (да и просто что-то инородное), — захват подозрительной частицы иммунными клетками и ее дальнейшее расщепление в ходе фагоцитоза. Фагоцитировать в той или иной степени способны многие иммунные клетки, но в кровотоке этим занимаются преимущественно нейтрофилы, а в тканях — макрофаги. Собственно, и споры грибов, наряду с множеством мелких чужеродных частиц, постоянно попадающих в организм человека, оседают на слизистых, где в норме быстро подвергаются фагоцитозу и уничтожаются. Однако набухающие споры плесневого грибка Rhizopus microsposus каким-то образом ухитряются уклоняться от фагоцитоза.

Авторы обсуждаемого исследования работали с клиническим изолятом (то есть выделенным от пациента) грибка R. microsposus (штамм FP469-12). Взаимодействие спор грибка с фагоцитами они изучали на примере клеток линии J774A.1, близких к макрофагам. Сначала исследователи отметили, что покоящиеся споры грибка поглощаются клетками без всяких проблем. Успешно подвергаются фагоцитозу и набухшие споры, убитые с помощью УФ-излучения. Следовательно, противодействовать фагоцитарной активности иммунных клеток могут только живые прорастающие споры. Может быть, дело в размере спор? Дело в том, что набухание спор сопровождается увеличением их размеров, и нельзя исключать, что «проснувшиеся» споры становятся просто слишком велики для фагоцитоза. Однако эксперимент показал, что клетки J774A.1 успешно поглощают латексные шарики диаметром до 11,9 мкм, в то время как средний диаметр набухших спор составляет около 7,3 мкм, так что размер тут явно ни при чем.

Популярный механизм защиты от фагоцитоза, к которому прибегают многие микроорганизмы, — это экспонирование на поверхности клетки молекул, которые делают клетку незаметной для фагоцитов (например, через «маскировку» MAMP), или даже создание целого поверхностного слоя защитных молекул. Например, споры плесневых грибков рода Aspergillus покрыты слоем специального вещества — гидрофобина (hydrophobin), который успешно маскирует все MAMP на их поверхности. Однако у спор R. microsposus подобного защитного слоя нет. Учитывая, что грибы производят массу биологически активных метаболитов (в том числе антибиотики, многие из которых используются в медицине), авторы исследования предположили, что прорастающие споры R. microsposus продуцируют некие вещества, препятствующие фагоцитозу.

Для проверки этой гипотезы ученые поместили набухающие споры R. microsposus в раствор культуральной среды на некоторое время, а затем налили эту среду на клетки J774A.1 и оценили их способность фагоцитировать покоящиеся споры R. microsposus. Оказалось, что эта среда не только предотвратила поглощение спор R. microsposus, но, похоже, заблокировала фагоцитоз как таковой, потому что макрофаги оказались неспособны поглощать и дрожжевые клетки. Что же за загадочное вещество (или смесь веществ) выделяют прорастающие споры R. microsposus?

Здесь нужно отметить, что эти вещества может выделять не сам грибок, а эндосимбиотические бактерии, живущие внутри его клеток. Среди грибов наличие эндосимбиотических бактерий далеко не редкость. Авторы исследования выяснили, что у штамма R. microsposus, с которым они работали, действительно есть внутриклеточный компаньон. Им оказалась бактерия Ralstonia picketii. Ранее ее находили в образцах воды и почвы, однако иногда она присутствует на необработанном медицинском оборудовании. Ученым удалось ясно визуализировать клетки бактерии внутри гиф и спор гриба, причем после обработки антибиотиком ципрофлоксацином бактериальные клетки исчезали (рис. 2).

Причастна ли R. picketii к производству подавляющих фагоцитоз веществ спорами R. microsposus? Как оказалось, ситуация неоднозначная. С одной стороны, среда, в которой находились прорастающие споры, лишенные бактерии, уже не подавляла фагоцитоз. Поглощение набухающих спор, избавленных от бактериального эндосимбионта, также существенно повышалось по сравнению с обычными спорами, содержащими бактерию. Однако культуральная среда, в которой выдерживали только клетки R. picketii, снижала фагоцитарную активность клеток лишь немного. Аналогичными свойствами обладала среда, в которой инкубировали «чистый» гриб: она тоже подавляла фагоцитоз, но гораздо слабее, чем в случае гриба с эндосимбиотической бактерией. При этом подселение R. picketii в «чистые» споры грибка восстанавливало их способность противодействовать фагоцитозу. По-видимому, бактерия действительно играет важную роль в обеспечении защиты от фагоцитоза для спор R. microsposus, но и сам гриб тоже участвует в поддержании своей «неприкосновенности» для фагоцитов.

Зачем вообще R. microsposus могли понадобиться механизмы избегания фагоцитоза, ведь патогеном человека этот грибок бывает скорее в порядке исключения? На самом деле, в естественной среде обитания этого грибка — почве — способность уклоняться от фагоцитоза ему едва ли не нужнее, чем в человеческом организме: в почве полным-полно амеб, питающихся в том числе и микроскопическими грибками и их спорами. Авторы работы изучили, как R. microsposus взаимодействует с «низшими» фагоцитами — амебами — на примере слизевика Dictyostelium discoideum, который часть своего жизненного цикла существует в виде амебоидных клеток. Как и в случае с фагоцитами, относящимися к иммунной системе человека, R. microsposus подавлял фагоцитарную активность клеток D. discoideum. Более того, ученые смогли рассмотреть, в какой именно момент блокируется фагоцитоз. Под действием «флюидов» грибка амебы не теряли жизнеспособность и продолжали образовывать выпячивания цитоплазмы, однако их цитоплазма начинала забиваться раздувшимися вакуолями (рис. 3). Ученые предположили, что споры грибка, содержащие бактериальный эндосимбионт, подавляют не столько фагоцитоз, сколько систему везикулярного транспорта в целом.

Тут следует сделать небольшое отступление и отметить, что в цитоплазме любой клетки, неважно, способна ли она к фагоцитозу или нет, постоянно происходит перемещение мембранных пузырьков — везикул. Везикулы снуют по клетке в разных направлениях с помощью транспортных белков, которые, как по рельсам, тащат их по микротрубочкам. Часть везикул несут к поверхности клетки белки, предназначенные для выделения во внешнюю среду. Перед тем, как загрузиться в везикулы, эти белки проходят сложный процессинг в эндоплазматическом ретикулуме и аппарате Гольджи, причем между эндоплазматическим ретикулумом и аппаратом Гольджи белки путешествуют тоже в составе везикул. После того как везикула с грузом успешно достигла поверхности клетки, она сливается с клеточной мембраной, высвобождая свое содержимое наружу. Однако, если везикулы будут только сливаться с мембраной клетки, то очень быстро она раздуется до непомерных размеров, поэтому вскоре после слияния и высвобождения груза везикулы отпочковываются внутрь клетки и возвращаются обратно. Если клетка захватывает что-то извне, например, фагоцитирует спору гриба, то участок ее мембраны вворачивается внутрь и отпочковывается в цитоплазму, образуя так называемую эндосому (так называют мембранные пузырьки, отпочковывающиеся от клеточной мембраны, когда клетка захватывает что-то извне; если произошел фагоцитоз, то эндосому принято называть фагосомой). Далее с эндосомой сливаются лизосомы — мембранные органеллы, содержащие ферменты, которые расщепляют содержимое эндосомы. Вся эта запутанная система внутриклеточных везикул и мембранных органелл получила название эндомембранной системы, а фагоцитоз можно рассматривать как частный пример ее функционирования.

Вернемся к нашему грибку. Дальнейшие эксперименты показали, что прорастающие споры R. microsposus не только препятствуют фагоцитозу, но и снижают способность амебы к уничтожению захваченных бактерий. Под действием среды, в которой находились прорастающие споры R. microsporus, амебы в половине случаев не могли убить фагоцитированную клетку гриба, и бактерия, заключенная в мембранный пузырек, могла остаться живой.

Итак, можно сказать, что союз грибка R. microsposus и бактерии R. picketii приводит к тому, что прорастающие споры, содержащие клетки эндосимбионта, нарушают фагоцитоз и созревание фагосом, включая уничтожение захваченного в составе фагосомы микроорганизма.

И вот мы подходим к самой интригующей части работы. Каким же образом тандем грибка и бактерии блокирует фагоцитоз? К сожалению, ответить на этот вопрос ученые пока не смогли. Бактериальные эндосимбионты нередко синтезируют вторичные метаболиты, которые помогают их хозяевам колонизировать другие организмы. В частности, некоторые бактерии продуцируют вещества, вызывающие деполимеризацию микротрубочек. Например, бактерия Mycetohabitans rhizoxinica, которая тоже нередко вступает в симбиоз с грибами (в том числе и с R. microsposus) продуцирует вторичный метаболит ризоксин, за синтез которого отвечают ферменты из группы поликетидсинтаз. Ризоксин напрямую связывается с тубулином и потому вызывает деполимеризацию существующих микротрубочек и подавляет сборку новых. Деполимеризация микротрубочек сказывается, в частности, на том, что внутриклеточные везикулы останутся без «рельсов», ведь быстрый внутриклеточный транспорт везикул основан на том, что специальные транспортные белки «тащат» их по микротрубочкам. Тщательный анализ генома R. picketii показал, что, по-видимому, веществ, влияющих на микротрубочки, эта бактерия не выделяет, поскольку не имеет известных генов, необходимых для продукции таких соединений. Единственное, за что можно зацепиться, — это наличие уникальной поликетидсинтазы у этой бактерии. Однако, принимая во внимание, что на микротрубочки R. picketii не влияет, функциональное предназначение этого фермента остается неясным.

Любопытно, что R. picketii вызывает существенные изменения в организации стенки споры грибка R. microsposus: стенки спор, не содержащих бактерии, содержат больше хитина, белка и полисахарида маннана. Вполне возможно, что изменение химического состава стенки споры в присутствии R. picketii отрицательно сказывается на ее доступности для фагоцитоза, но пока это не выяснено.

Авторы работы также оценили вклад эндосимбиотической бактерии в вирулентность спор R. microsposus на двух моделях — рыбках данио-рерио и мышах. Эксперименты на рыбках показали, что, как и следовало ожидать, набухающие споры гораздо вирулентнее покоящихся, а споры, не содержащие R. picketii, полностью авирулентны. Более того, детальный анализ показал, что споры с бактерией привлекают к очагу инфекции гораздо больше макрофагов и нейтрофилов, чем «чистые» споры. Схожие результаты были получены и на мышах. Примечательно, что у трех из пяти мышей, инфицированных спорами с эндосимбионтами, через двое суток после заражения выявлялись колонии грибка, в то время как у всех пяти мышей, которым вводили споры, обработанные антибиотиком ципрофлоксацином (убивающим эндосимбионта), грибковая инфекция не развилась.

Источник: H. Itabangi et al. A bacterial endosymbiont of the fungus Rhizopus microsporus drives phagocyte evasion and opportunistic virulence // Current Biology. 2022. DOI: 10.1016/j.cub.2022.01.028.

Елизавета Минина

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Опубликовано: 14.03.2022 в 13:59

Автор:

Категории: Наука и технологии

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии