Генетика, 2021, T. 57, № 2, стр. 140-154

МОЗАИЧНОЕ ВИДООБРАЗОВАНИЕ Y. pestis

Известно, что эволюция, в том числе видообразование, проходит по мозаичному принципу [23, 24]. Мозаичная эволюция – это процесс относительно независимых эволюционных изменений различных признаков организмов в ходе онтогенеза, в результате которых возникают новые организмы, у которых примитивные признаки предковой формы сочетаются с прогрессивными признаками производной формы. Мозаичная эволюция свойственна всем живым организмам, включая микроорганизмы. Процесс видообразования и геномогенеза микроба чумы также соответствовал принципу мозаичной эволюции.

Все морфофизиологические, биохимические и молекулярно-генетические преобразования предкового псевдотуберкулезного микроба в возбудителя чумы проходили по трем главным направлениям: 1) формирование факторов высокой вирулентности – адаптация к популяциям хозяина, создание устойчивой интенсивной бактериемии, обеспечивающей трансмиссивную передачу блохами; 2) формирование факторов трансмиссии – адаптация к популяциям блох-переносчиков, осуществляющим надежную трансмиссивную передачу; 3) формирование факторов коммуникации – устойчивых взаимоотношений клеток в производной популяции чумного микроба, стабилизирующих существование нового вида [25–27]. По всем трем направлениям адаптация проходила по мозаичному принципу и одновременно включала три формы: инадаптацию, преадаптацию и неоадаптацию.

Инадаптация характеризуется элиминацией или инактивацией признаков и функций, теряющих адаптивную ценность в новой среде обитания. Инадаптивные тенденции у чумного микроба связывают с более стабильной и богатой питательными продуктами гостально-векторной средой, в сравнении со средой обитания сапрозоонозного псевдотуберкулезного предка – неживой органикой внешней среды [28]. В геноме псевдотуберкулезного микроба имеется 13% интактных генов, которые сохранились в геноме чумного микроба, но инактивированы точечными мутациями [29]. Инактивация коснулась генов общего метаболизма, вирулентности и трансмиссии [30, 31].

Преадаптация – свойство признаков и функций организма, имеющих приспособительную ценность для еще неосуществленных форм взаимодействия с новой средой. Способность к приспособлению у организмов заложена “изначально” и не связана непосредственно с их взаимодействием со средой обитания. Преадаптивные признаки и функции организма (или отдельного органа) характеризуются не как результат случайных мутаций, а предшествующей приспособительной эволюцией. В геномах псевдотуберкулезного и чумного микробов обнаружено больше общих генов и генных комплексов, отвечающих за реализацию общеметаболических клеточных функций, чем характерных для каждого из видов [32]. Помимо этого обоим микробам свойственны общие хромосомные гены вирулентности, трансмиссии и коммуникации, а также плазмида Са-зависимости pYV/pCad – детерминанта вирулентности трех патогенных Yersinia. Преадаптивные признаки и функции, свойственные чумному микробу, как функционально важные перешли от псевдотуберкулезного микроба в малоизмененном виде.

Неоадаптация характеризуется формированием новых специфических только для микроба чумы признаков и функций и, соответственно, генов и генетических структур, которые кодируют признаки и функции, возникшие в процессе отбора в новой среде обитания и обеспечившие переход в новую экологическую нишу и адаптивную зону. Новыми фенотипическими признаками чумного микроба стали способность образовывать бубон и трансмиссивная передача через укусы блох. Неоадаптацию у чумного микроба характеризует возникновение факторов вирулентности, трансмиссии и коммуникации, кодированных на двух вновь синтезированных специфических плазмидах. Факторы вирулентности и трансмиссии, кодированные на специфических плазмидах, являются аддитивными к размещенным на хромосоме [33]. Кроме того, микроб Y. pestis приобрел уникальные хромосомные регионы, образующие шесть генетических кластеров, содержащих как минимум 32 гена, не связанных с вирулентностью, но оптимизируюших общеметаболические функции чумной микробной клетки [29].

Так как признаки и функции кодируются определенными генами и генетическими комплексами, последние также можно характеризовать как инадаптивные, преадаптивные и неоадаптивные. В статье рассмотрены некоторые наиболее изученные гены чумного микроба, актуальность функций которых вполне доверительно интерпретируется экологическим сценарием (табл. 1).

ГЕНЫ ВИРУЛЕНТНОСТИ

Гены вирулентности кодируют признаки и функции, позволяющие напрямую или опосредованно избежать или преодолеть факторы клеточного и гуморального иммунитета хозяина [34–36].

Инадаптивные гены. Любой инфекционный процесс начинается преодолением эпителия хозяина возбудителя инфекции двумя способами: или специализированным за счет взаимодействия адгезинов и инвазинов микроба с интегринами определенных эпителиальных клеток, или неадаптивным травматическим путем, т.е. прямым внедрением возбудителя в глубокие ткани и клетки хозяина. Типичная псевдотуберкулезная инфекция начинается специализированным путем через М-клетки и “пееровы бляшки” тонкого кишечника теплокровных хозяев. Типичная чумная инфекция тоже начинается специализированным, но иным путем – через укусы зараженных блох. “Входные врата” инфекции при чуме у грызунов не связаны с М-клетками. Инфицирование крови, печени и селезенки предшествует проникновению микроба в “пееровы бляшки” и М-клетки, т.е. распространение чумного микроба в М-клетки проходит обратным путем в сравнении с псевдотуберкулезной инфекцией [37]. Преобразование одних специализированных ворот инфекции в другие специализированные ворота прошло постепенно через “неспециализированные врата”, какими стал травматический путь проникновения микроба напрямую в кровь хозяина, как это происходит при посттравматических инфекциях, вызывающих сепсис, таких как газовая гангрена, столбняк, синегнойная, стафилококковая, стрептококковая и другие инфекции.

По понятиям эволюционного учения переход популяций живых организмов от специализации в одной среде обитания к обитанию в другой среде проходит в условиях переходной среды через полиморфные переходные нестабильные формы [38–40]. Для понимания процесса видообразования микроба чумы представляется важным обозначить такую переходную среду и понять причину инактивации у переходной формы pseudotuberculosis/pestis генов инвазии (inv), адгезии (yad) и генного кластера, кодирующего О-антиген. Эти гены являются интактными у предкового псевдотуберкулезного микроба, но инактивированы точечными мутациями и вставками у чумного.

Стартовый контакт и внедрение патогенов в эпителиальные клетки организма хозяина обеспечивают специфические адгезины и инвазины. Синтез адгезина/инвазина (Inv) – основного фермента, обеспечивающего взаимодействие псевдотуберкулезной клетки с М-клетками эпителия тонкого кишечника млекопитающего-хозяина, кодируется геном inv. Inv взаимодействует с интегрин-рецепторами, локализованными только на М-клетках, т.е. М-клетки являются единственной брешью в эпителиальной защите хозяина от псевдотуберкулезного патогена. Эти рецепторы отсутствуют у прочих выстилающих кишечный тракт энтероцитов, а энтероциты надежно защищают организм хозяина от внедрения многих патогенных микробов, в том числе псевдотуберкулезного [34, 41–44]. В геноме микроба чумы inv имеется, но в качестве псевдогена. Инактивация inv вызвана не обитанием в более стабильной и богатой питательной среде грызун–блоха, а сменой входных ворот инфекции, минуя брешь эпителиальной защиты, т.е. вызвана отсутствием стартового контакта псевдотуберкулезного микроба с эпителиальными М-клетками.

Хотя у микроба чумы inv инактивирован, каких-либо новых генов с аналогичной функцией, но направленной на другие энтероциты, не выявлено. Следовательно, стартовый путь адаптации чумного микроба к организму хозяина не включал специализированного способа преодоления интестинального барьера. Возникает вопрос: если не через М-клетки и другие энтероциты, то каким образом будущий микроб чумы получил устойчивый доступ в лимфомиелоидный комплекс хозяина? Ответ дает экологический сценарий – первичное заражение хозяина псевдотуберкулезом на стартовом этапе видообразования возбудителя чумы прошло неспециализированным способом – травматическим. Прямое проникновение псевдотуберкулезного микроба в кровь спящего монгольского сурка-тарбагана стало возможным при установлении прямого устойчивого контакта экскрементов с кровью благодаря сартанскому похолоданию и, как следствие, поведенческому сдвигу в популяциях сурочьей блохи – возникновению факультативной гематофагии личинок [16, 17].

Другой инактивированный ген yadA, функционально тесно связанный с inv, кодирует на плазмиде pCad синтез адгезина YadA [44–46]. Важным свойством YadA является способность связываться с экстрацеллюлярным матриксом и интегринами М-клеток, что, как и в случае с Inv, важно на стартовом этапе псевдотуберкулезной инфекции. Со сменой “входных ворот” инфекции при чуме, минуя М-клетки, yadA утерял свою функциональную значимость, подобно inv, и был инактивирован мутацией в процессе естественного отбора.

Для расшифровки процесса видообразования микроба чумы интерес представляют О-антигены псевдотуберкулезного O:1b и чумного микробов. Молекулярные структуры генных кластеров, кодирующих О-антигены, имеют сходство на уровне 98.9%, что указывает на происхождение Y. pestis именно от Y. pseudotuberculosis O:1b [47]. Открытие прямого предка чумного микроба стало краеугольным камнем в теории происхождения чумы. Генный кластер, кодирующий О-антиген, является интактным у псевдотуберкулезного микроба, поддерживает свойство вирулентности [48], но у чумного микроба он инактивирован мутацией. Полагают, что утеря функции О-антигена у чумного микроба привела к полноценному функционированию важнейшего новообразованного фактора вирулентности – протеина Pla (активатора плазминогена), ответственного за бубонное проявление инфекции. Новообразованный локус pla оказался антагонистом генов, кодирующих О-антиген, и, в силу краеугольной важности функции pla-гена, его синтез был поддержан естественным отбором, а функция О-антигена, наоборот, была утрачена [32, 47, 49].

Преадаптивные гены псевдотуберкулезного микроба, сохранившие свою актуальность в новой среде обитания, перешли к микробу чумы в малоизмененном виде. К ним относят гены, отвечающие за стрессоустойчивость к факторам клеточного и гуморального иммунитета теплокровных хозяев [9, 35, 50].

Центральной преадаптивной генетической структурой чумного микроба следует считать систему секреции III типа (T3SS) (“молекулярный шприц”) – базовый фактор вирулентности патогенных Yersinia, локализованный на плазмиде вирулентности pYV/pCad. С помощью T3SS протеины внешней мембраны микроба (Yops) транспортируются непосредственно в эукариотическую клетку хозяина и ингибируют фагоцитоз [33]. Прочие факторы вирулентности Y. pestis следует рассматривать как аддитивные к T3SS, создающие синергетический эффект.

В геном чумного микроба от псевдотуберкулезного предка в почти неизмененном виде перешел ген ail (attachment invasion locus), кодирующий на хромосоме поверхностный протеин Ail, регулирующий проявление резистентности к гуморальным факторам иммунитета [51–55]. Почему этот инвазин, в отличие от Inv и YadA, полностью сохранил свою функциональную значимость в чумной клетке? Функция Ail, обеспечивающая противостояние предкового псевдотуберкулезного микроба гуморальными факторами иммунитета хозяина, оказалась чрезвычайно важной и для дочернего вида – микроба чумы, так как, согласно экологическому сценарию, стартовым условием видообразования Y. pestis было прямое попадание псевдотуберкулезного микроба в лимфо-миелоидную систему спящих сурков-тарбаганов и возникновение последующей посттравматической септицемии. Таким образом, Ail стал авангардным фактором защиты микроба псевдотуберкулеза, противостоящим факторам гуморального иммунитета спящего сурка при травматическом проникновении в кровь, а впоследствии сохранил функцию защитного фактора промежуточной (pseudotuberculosis/pestis) и производной (Y. pestis) форм.

Особенностью белка Ail чумного микроба является проявление активности не только в организме теплокровных хозяев, имеющих Т_т около 37°С, но и при более низкой (≤28°С) температуре, что обычно связывают с устойчивостью микроба чумы к бактерицидным факторам в пищеварительном тракте блохи [51]. В соответствии же с экологическим сценарием Ail не имеет отношения к персистенции микроба в блохах. Активность Ail в холодной (≤28°С) крови хозяина можно рассматривать как преадаптивное свойство, стабилизировавшееся в гетеротермной среде (5–37°С) в процессе адаптациогенеза в популяциях монгольского сурка-тарбагана во время зимней спячки.

Еще одним очевидным преадаптивным хромосомным геном является psaA, кодирующий антиген pH6 (PsaA). Функция этого антигена состоит в ингибировании фагоцитоза и поддержании способности чумного микроба реплицироваться в макрофагах в условиях “незавершенного фагоцитоза” [50, 52]. Эта способность свойственна также псевдотуберкулезному микробу, и, несомненно, этот признак был унаследован возбудителем чумы от псевдотуберкулезного предка [56]. Репликация в макрофагах позволяет обоим микробам избежать элиминации факторами гуморального иммунитета, а также использовать макрофаги в качестве транспортного средства из мест внедрения (М-клеток и сайтов инокуляции) в лимфатические узлы.

Неоадаптивные гены вирулентности кодируют признаки и функции, отвечающие за классическую бубонную форму инфекции и наступление сепсиса организма хозяина, без которого невозможна трансмиссивная передача через укусы блох. Новообразованные гены вирулентности размещены на специфических только для чумного микроба большой pFra и малой pPst плазмидах. Эти плазмиды вирулентности в действительности являются полифункциональными. Большая плазмида несет гены вирулентности (caf1) и трансмиссии (ymt). Малая плазмида несет ген вирулентности (pla) и два гена коммуникации (pst и pim). Все эти гены кодируют разные специфические только для микроба чумы признаки, поэтому широко принятая среди МГ-исследователей идея об их горизонтальном встраивании из какого-то пока неизвестного внешнего источника далека от экологического понимания и не вписывается в общепринятые положения СТЭ. Согласно экологическому сценарию обе плазмиды были синтезированы интрацеллюлярно в процессе геномогенеза Y. pestis. Причем первой появилась pFra [19].

Ген caf1 кодирует на pFra синтез антигена F1, отвечающего за подавление фагоцитоза макрофагами [57]. Этот фактор вирулентности достаточно хорошо изучен, он является аддитивным к базовому преадаптивному фактору вирулентности T3SS. Но остается не вполне понятным совмещение на одной pFra-плазмиде генов вирулентности caf1 и трансмиссии ymt. Первый экспрессируется при температуре 37°С (Т_т теплокровного хозяина), а второй – при ≤27°С, т.е. плазмида обладает сложным и совершенным аппаратом терморегуляции функций. Считают, что 27°С – это температура местообитания блохи на теле хозяина, и микроб, будучи вне хозяина, адаптирован именно к этой температуре. Однако блохи являются лишь кратковременными эктопаразитами и основное время жизненного цикла проводят в гнезде хозяина, температура которого значительно ниже, чем 27°С. К примеру, в зимовочных гнездах монгольского сурка температура подстилки никогда не превышает 7°С, в течение года колеблется в диапазоне от –8 до +7°С [16–20]. Согласно экологическому сценарию происхождения микроба чумы можно предположить, что синтез плазмиды pFra вместе с ymt-геном стартовал на ранних этапах геномогенеза Y. pestis, но синтез гена caf1 на этой плазмиде был смещен к концу геномогенеза. В любом случае экологический сценарий не поддерживает идею горизонтального встраивания большой полифункциональной плазмиды pFra в геном чумного микроба из какого-либо внешнего источника.

Ген pla, локализованный на малой плазмиде pPst/pPla, кодирует синтез активатора плазминогена – фермента Pla. Этот фермент обеспечивает диссеминацию чумного микроба из сайта инокуляции в регионарные лимфатические узлы с образованием бубона и дальнейшее распространение по всему организму зараженного хозяина с наступлением сепсиса [52, 58, 59]. Согласно экологическому сценарию эндоцеллюлярный синтез этого фактора начался на более поздних стадиях геномогенеза микроба чумы в популяциях гибернирующих гетеротермных сурков, имеющих Т_т выше 20–25°С, когда макрофаги способны активироваться фагоцитозом и может наступать кислородный взрыв [19, 21, 22]. Pla отсутствует у кавказского подвида Y. pestis caucasica. По МГ-признакам это позволяет считать кавказский подвид наиболее древним, проявляющим переходные свойства между псевдотуберкулезным и чумным микробами [58]. Наоборот, по экологической логике кавказский подвид образует наиболее молодые природные очаги, наиболее удаленные от места видообразования Y. pestis в Центральной Азии. Надо полагать, что признак Pla⁺ был утерян в “бутылочном горлышке” при естественной длительной, тысячелетиями, ползучей территориальной экспансии микроба чумы из района видообразования [20, 60].

В хромосоме чумного микроба обнаружена ДНК профага YpfФ, которая отсутствует у псевдотуберкулезного микроба. Предполагают ее аквизицию путем ГПГ [13, 61]. С наличием профага связывают увеличение вирулентности чумного микроба. Причем в геномах более древних биоваров Antiqua и Mediaevalis профаг существует как экстрахромосомный нестабильный регион, а в геноме более молодого биовара Orientalis – как интегрированный и стабильный [62]. Поэтому полагают, что стабилизация фага в геноме чумного микроба проходила длительное время, вплоть до начала 3-й пандемии. Пока остаются неясными происхождение профага в геноме чумного микроба и его взаимоотношение с популяциями Y. pestis. YpfФ специфичен для Y. pestis, следовательно, надо полагать, формировался коэволюционно с Y. pestis. Если предполагают ГПГ, то возникает вопрос: где, откуда и каким образом произошло встраивание его в хромосому? Известно, что после дивергенции от клона Y. pseudotuberculosis популяция Y. pestis строго изолирована в (стерильной) крови хозяина и имела ограниченные возможности заимствования внеклеточной (foreign) ДНК [63].

ГЕНЫ ТРАНСМИССИИ

Псевдотуберкулезный микроб, предок чумного, в типичных условиях не передается блохами. Попадая в редких случаях с кровью в пищеварительную систему блох, он продуцирует токсины, вызывающие острую диарею, приводящую к гибели [64]. Поэтому для более эффективной передачи новому хозяину микроб чумы выработал адаптации к персистенции в популяциях блох. Адаптация проходила по двум направлениям: 1) снижения токсичности для блох и увеличения устойчивости к ферментам пищеварительной системы и 2) формирования биопленки, создающей механический блок преджелудка как механизм пролонгированной передачи возбудителя в популяции хозяина. Формирование биопленки в пред-желудке блохи является температурно-зависимым процессом и происходит в диапазоне температур от 5 до 26°С, причем при пониженной температуре этот процесс проходит более интенсивно. Известно, что при 6–10°С – температуре мест обитания блох сурков и сусликов рода Oropsylla – биопленка в виде “пробки” преджелудка блох возникает во много раз чаще, чем при температуре 18–25°С [65–67].

Микроб чумы передается двумя трансмиссионными механизмами: неспециализированным раннефазным (механическим) и специализированным позднефазным (“блоковым”), между которыми существует континуальный переход [67]. Неспециализированный малоэффективный механический способ передачи реализуется в короткие сроки после укуса блох и характерен для многих трансмиссивных болезней. Микроб псевдотуберкулеза этим способом передается редко, только в “холодных” условиях обитания блох [68]. При механической передаче коадаптивных отношений микроба и блохи не наблюдается.

Специализированный “блоковый” способ передачи является инновацией чумного микроба, он осуществляется благодаря адаптации к персистированию в передних отделах пищеварительной системы блох. Адаптация проходила, как упомянуто выше, двумя способами: противостоянием токсическому воздействию ферментов пищеварительной системы блохи со снижением собственной токсичности (Ymt-фактор) и выработкой способности формировать биопленку и создавать блок в преджелудке блохи (Hms-фактор). Специализированный путь передачи является аддитивным к примитивному механическому и значительно увеличивает эффективность трансмиссивной передачи [67].

Причина формирования “блоковой” передачи имела дуалистическую природу. С одной стороны, агрегации до 10⁵ клеток чумного микроба в сайтах инокуляции блокированными блохами, в отличие от одиночных “планктонных” клеток при механической передаче, дают более высокий эффект заражения. С другой стороны, в виде биопленки и агрегаций, локализованных в передних отделах пищеварительного тракта блохи, микроб может длительное время персистировать и осуществлять пролонгированную передачу в течение всей жизни зараженной блохи (в некоторых случаях более 400 суток) [65, 68]. В процессе видообразования чумного микроба это было важно для переживания промежуточной формой pseudotuberculosis/pestis сезона летней активности первичного хозяина – монгольского сурка. Сурки в теплый сезон года активны и имеют постоянную Т_т около 37°С. В это время система иммунитета работает полноценно и патогены тотально элиминируются. Отсюда можно заключить, что на этапе преобразования клона Y. pseudotuberculosis в популяцию Y. pestis переходная форма pseudotuberculosis/pestis в холодное время года персистировала в популяциях гибернирующих гетеротермных сурков (Т_т < 37°С), а теплый сезон переживала в популяциях блохи O. silantiewi, обитающих в холодных условиях сурочьих нор [20, 69].

Инадаптивные гены. Уреаза UreD, кодируемая хромосомным геном ureD, необходима для персистенции кишечных Yersinia в кислой среде желудочно-кишечного тракта животных-хозяев, но является крайне токсичной для блох [26, 70, 71]. Таким образом, ген ureD является антитрансмиссионным. Он инактивирован у чумного микроба и существует в виде псевдогена, так как утерял свою функцию в связи с трансмиссией через укусы блох, минуя кишечный тракт [13, 15, 26]. То есть инактивация гена ureD и утеря уреазной активности у чумного микроба были связаны со сменой пути заражения инфекцией и адаптацией к обитанию в организме блох, гибель которых снижает эффективность трансмиссивной передачи. У некоторых штаммов чумного микроба отмечают реверсию признака Ure^– в Ure⁺, что связывают с наличием в жизненном цикле микроба почвенной фазы [26]. Экологический сценарий не поддерживает эту идею.

Другой инактивированный хромосомный ген rcsA кодирует регуляторный протеин RcsA, известный как ингибитор синтеза биопленки (антитрансмиссионный фактор) [26, 72]. Этот ген имеют как псевдотуберкулезный, так и чумной микробы. У псевдотуберкулезного микроба, попадающего из внешней органической среды в организм грызуна-хозяина, а затем блохи-переносчика, ген rcsA экспрессируется, и биопленка в организме переносчика-блохи не образуется. У чумного микроба rcsA инактивирован, стал псевдогеном. Выключение антитрансмиссионного фактора привело к формированию биопленки и, как следствие, блока преджелудка блохи [72–75]. Инактивация антитрансмиссионного гена rcsA, надо полагать, была связана с синтезом у чумного микроба антагонистического к нему гена трансмиссивности ymt на вновь синтезарованной большой плазмиде pFra. Функция ymt, как рассмотрим ниже, оказалась высоко актуальной в новых гостально-векторных условиях. Как следствие, сопряженные антагонистические процессы – инактивация rcsA и синтез ymt – были поддержаны естественным отбором [26].

Адаптация чумного микроба к трансмиссивной блоковой передаче проявилась также в инактивации регуляторных генов, кодирующих функции фосфодиэстераз (PDE) – ферментов, участвующих в синтезе биопленки в качестве негативных регуляторов. Гены, кодирующие функции PDE2 и PDE3 у микроба чумы, в отличие от псевдотуберкулезного микроба, инактивированы и поэтому не блокируют индукцию биопленки в пищеварительном тракте блох [15, 75].

Преадаптивные гены. Наиболее важными и хорошо изученными преадаптивными генетическими структурами чумного микроба, кодирующими факторы трансмиссии, являются hms-опероны – совокупность хромосомных локусов, кодирующих протеины Hms, ответственные за синтез экстрацеллюлярного матрикса, формирующего биопленку у предкового псевдотуберкулезного и у дочернего чумного микробов при температурах ≤26°С [50, 76–78]. У псевдотуберкулезного микроба эти опероны составляют молекулярно-генетическую основу адаптации к колониальному обитанию во внешней неживой органике, богатой конкурирующими прокариотными видами. Биопленка-матрикс является физико-химическим средством борьбы за существование в мультимикробном сообществе и хранилищем экзоцеллюлярного биохимического и генетического материала, необходимого для поддержания метаболических и эволюционных процессов в популяциях биопленко-формирующих бактерий [79]. У микроба чумы экстрацеллюлярный матрикс выполняет несколько иную функцию. Он участвует в формировании блока преджелудка блохи-переносчика и, таким образом, специфической трансмиссивной передачи. В процессе видообразования Y. pestis блок преджелудка блохи обеспечивал пролонгированное переживание промежуточной формой pseudotuberculosis/pestis летнего периода в популяциях блох (но не в популяциях сурков), так как летом активные сурки обладают полноценным иммунитетом и переходные формы микроба в их организме тотально элиминировались [22].

Неоадаптивные гены. Помимо Hms, базового фактора трансмиссии, микроб чумы синтезирует аддитивный специфический фактор трансмиссии – мышиный токсин (Ymt). Этот фермент защищает бактерии от бактериолитических и цитотоксических воздействий в передних отделах пищеварительной системы блохи и тем самым радикально повышает способность блох к трансмиссивной передаче [50, 64]. Синтез Ymt кодирован геном ymt, размещенным на большой плазмиде pFra. Следуя логике экологического сценария происхождения чумы, адаптация будущего микроба чумы к передаче взрослыми блохами стартовала сразу после массового проявления факультативной личиночной гематофагии у сурочьих блох и устойчивого посттравматического псевдотуберкулезного сепсиса гибернирующих гетеротермных (Т_т ≥ 5°С) сурков [19]. С началом синтеза Ymt следует увязывать формирование плазмиды pFra. В свою очередь, начало синтеза pFra стало стартовым моментом в формировании эпизоотической системы чумы монгольский сурок–блоха O. silantiewi–микроб Y. pestis.

ГЕНЫ КОММУНИКАЦИИ

Микроорганизмы, как все прочие живые организмы, проявляют социальные взаимоотношения. Взаимосвязи и кооперация проявляются в таких жизненных функциях как расселение, питание, создание биопленки, репродукция, химическая защита, сигнализация [79]. Гены коммуникации кодируют функции и признаки, консолидирующие микробные популяции. Остановимся на судьбе одного преадаптивного генного блока и двух неоадаптивных генов коммуникации чумного микроба.

Преадаптивные гены. Как у предкового псевдотуберкулезного, так и чумного микробов имеется генный кластер секреторной системы 6-го типа (T6SS), отвечающий за разнообразные функции, среди которых выделяют регуляцию внутри- и межвидовых бактериальных отношений [80–83]. Молекулярные структуры некоторых генетических кластеров T6SS у Y. pseudotuberculosis и Y. pestis имеют высокое сходство. Кластер А T6SS является температурно-зависимым, гены кластера экспрессируются при температуре не выше 26°С, что предполагает регуляцию внутривидовых отношений в популяциях обоих видов Yersinia вне теплокровного хозяина, и эта регуляция в холодной внегостальной мертвой органической среде обитания (в экскрементах) предкового псевдотуберкулезного и в холодной векторной среде производного чумного микробов (в передних отделах пищеварительной системы блох) осуществляется сходным образом.

Неоадаптивные гены. Многие микробные виды синтезируют видоспецифические бактериоцины – химические агенты, ответственные за регуляцию меж- и внутривидовых взаимодействий микробных клеток и поддерживающие функцию борьбы за существование в многовидовом микробном сообществе [25, 84]. Микроб чумы синтезирует специфический бактериоцин – пестицин (Pst), кодируемый на малой плазмиде геном pst. Пестицин проявляет активность против предкового вида Y. pseudotuberculosis 0:1b и чувствительных к пестицину штаммов собственного вида. Как регулятор меж- и внутривидовых отношений, пестицин имел непосредственное отношение к процессу преобразования клона Y. pseudotuberculosis 0:1b в популяцию Y. pestis [22]. С ним связано взаимодействие микробных клеток в переходной гетерогенной популяции pseudotuberculosis/pestis. Клетки (клоны, колонии, группировки), синтезирующие пестицин, стали подавлять предковые формы, не синтезирующие или синтезирующие этот фермент в меньшей мере. В конечном счете пестицин стал внутрипопуляционным биохимическим изолирующим фактором, создавшим хиатус между предковым микробом псевдотуберкулеза 1-го серотипа и дочерним микробом чумы, прочно и навсегда разделившим эти два вида. Таким образом, синтез pst при температуре ≥26°С является важнейшей характеристикой постепенного геномогенеза Y. pestis, в противовес МГ-идее о горизонтальном встраивании в геном псевдотуберкулезного микроба pst-гена в составе плазмиды pPst как сальтационного видообразующего акта.

С pst функционально тесно связан ген иммунности к пестицину pim, размещенный на той же плазмиде. Pim инактивирует пестицин и предохраняет клетку от лизиса собственным пестицином [85]. Тандем Pst–Pim обеспечивает популяционную стабильность и видовую самостоятельность Y. pestis. Размещение на малой плазмиде pPst двух взаимосвязанных видоспецифических генов коммуникации pst и pim неоспоримо свидетельствует о ее интрацеллюлярном синтезе на завершающих этапах формирования популяционной структуры чумного микроба и исходной эпизоотической системы чумы монгольский сурок–блоха O. silantiewi–микроб Y. pestis в целом.

Ранее неоднократно высказывалось мнение, которое подчас обсуждается в современной литературе, что жизненный цикл микроба чумы включает сапрофитическую фазу развития, т.е. что чума, как и псевдотуберкулез, является сапрозоонозом [86–88]. Пестицин, при этом, якобы исполняет роль агента борьбы за существование в многовидовом почвенном микробном сообществе [88]. Экологический сценарий происхождения микроба чумы не поддерживает такого мнения.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Итак, как было сказано выше, в МГ-подходе к проблеме видообразования возбудителя чумы основным теоретическим ориентиром научного поиска является парадигма ГПГ – горизонтального переноса основных факторов вирулентности с последующей адаптацией путем “тонкой настройки” генетических изменений для успешной инкорпорации этих факторов в микробный геном. Отсюда с неизбежностью принимается МГ-идея сальтационной эволюции как следствия небольшого числа ключевых спонтанных генетических актов: аквизиций, делеций, инактиваций, “взрывов” внутривидового разнообразия. На МГ-филогенетических схемах чумного микроба обозначают моменты ключевых инноваций: внедрения в различные филогенетические ветви плазмид вирулентности pFra и pPst [3, 9, 26], инактивации/делеции генов вирулентности и трансмиссии caf1, pla, ymt, ureD, rcsA, pde2, pde3 [26, 27, 75], обозначают узлы и “взрывы” разнообразия (“big bang”, N07, N11, N14) [5, 9]. Но моменты этих так называемых “ключевых” инноваций декларируют только на основании МГ-данных и не подкрепляют экологическим нарративом. Сложилась ситуация, когда структуры геномов предкового псевдотуберкулезного и производного чумного микробов хорошо изучены, но эволюционное gap-пространство между ними остается белым пятном. Даже доскональное знание структур геномов Y. pseudotuberculosis O:1b и Y. pestis оказалось фактологически недостаточным и методологически несостоятельным для раскрытия МГ-механизма преобразования клона первого вида в популяцию второго. Это gap-пространство способен заполнить эколого-генетический подход, в котором эволюционная судьба генов интерпретируется на основе выявленных уникальных экологических и биогеоценотических обстоятельств видообразовательного процесса. Экологический подход является вполне информативным и доверительным в связи с недавним в эволюционном масштабе времени возникновением чумного микроба. Природная обстановка конца плейстоцена и голоцена Центральной Азии, в которой протекал видообразовательный процесс, в большой мере сохранилась до настоящего времени и может быть успешно реконструирована актуалистическими методами.

Важно подчеркнуть два коренных обстоятельства процесса видообразования микроба чумы из оказавшегося(ихся) в уникальных условиях, экологически изолированного(ых) клона(ов) псевдотуберкулезного микроба: 1) неадаптивный травматический путь радикальной смены входных ворот псевдотуберкулезной инфекции в организм теплокровного хозяина и 2) наличие промежуточной (переходной) микробной среды, в которой совершались популяционно-генетические события формирования вида Y. pestis. Как отмечено выше, прямое травматическое проникновение псевдотуберкулезного микроба в лимфу и кровь спящего сурка не требовало специализированного механизма адгезии и инвазии М-клеток. Как следствие, ферменты Yad и Inv утратили свои функции, а кодирующие их гены yad и inv инактивировались. Наоборот, для “заякоривания” и персистенции клона псевдотуберкулезного микроба, напрямую проникшего в лимфу и кровь спящего сурка, был востребован фактор вирулентности, противодействующий факторам гуморального иммунитета хозяина. Этим фактором вирулентности стал адгезин-инвазин Ail, унаследованный от псевдотуберкулезного микроба с малыми изменениями.

Второе важное обстоятельство видообразования микроба чумы – наличие промежуточной (переходной) среды между средами обитания предкового и производного видов. Стартовое закрепление клона псевдотуберкулезного микроба в “холодной” крови спящего сурка означало внедрение клона псевдотуберкулезного микроба в континуальную среду, в которой постепенно и последовательно на популяционном уровне совершались все молекулярные и генетические преобразования переходной формы по принципу мозаичной эволюции (рис. 1). Выявление этой среды создало условия для реконструкции быстрого “квантового” и в то же время постепенного, не сальтационного видообразования микроба Y. pestis [22, 60].

Рис. 1.

Три составляющих геномогенеза микроба чумы Yersinia pestis, характеризующие мозаичное видообразование: инактивация/элиминация нефункциональных генов, сохранение активных генов и синтез новых генов. Генетическим новациям, приведшим к возникновению нового вида Yersinia pestis, была подвержена ныне вымершая переходная форма микроба pseudotuberculosis/pestis, существовавшая в промежуточной (переходной) среде.

Обнаружение и описание переходной среды, с одной стороны, открывает широкие перспективы в решении проблемы происхождения чумы, позволяет выстроить логику постепенного преобразования генома умеренно патогенного псевдотуберкулезного микроба 1-го серотипа в геном высокопатогенного чумного микроба биовара Antiqua по мозаичному принципу и в соответствии с положениями СТЭ. Но с другой стороны, возникает необходимость радикальной коррекции МГ-филогений в соответствии с “экологической” филогенией [60]. А это не простое дело, так как в проблеме происхождения чумы МГ-исследователи сохраняют единодушие в ориентации на парадигму ГПГ в отношении специфических только для чумного микроба плазмид pFra и pPst. И в таком случае потребуется достаточно длительное время пока назреют фундаментальные, критические противоречия внутри МГ-подхода, которые вынудят обратиться за поддержкой к экологии. Будущий консенсус экологов, генетиков и молекулярных биологов (eco-evo perspective) в вопросах происхождения чумы будет означать рождение всесторонне обоснованной теории происхождения чумы и внесет бесценный вклад в выяснение генетических и молекулярных закономерностей формо- и видообразования не только возбудителя чумы, но и многих других патогенных микроорганизмов.

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с использованием в качестве объекта животных.

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием в качестве объекта людей.

Автор заявляет, что у него нет каких-либо конфликтов интересов.