За розвиток важкого перебігу інфекції золотистого стафілокока відповідає гаплонедостатність гена, розташованого на короткому плечі п'ятої хромосоми. Цей ген відповідає за синтез деубіквітінази - ферменту, який відщеплює убіквітин від білків. При нестачі цього ферменту убіквітин накопичується у фібробластах шкіри; його надлишок призводить до накопичення мембранного білка кавеоліна-1, який, у свою чергу, потенціує цитотоксичну дію альфа-токсину золотистого стафілокока. При цьому лейкоцитарні клітини залишаються інтактними. Дослідження опубліковано в журналі.
Золотистий стафілокок вважається одним з основних бактеріальних агентів, який викликає гнійні інфекції м'яких тканин. До таких інфекцій відносять, наприклад, поверхневі інфекції шкіри - фолікуліти, целюліт, абсцеси - або більш важкі ураження - некротизуючі ураження шкіри і м'яких тканин і деструктивна пневмонія, які можуть ускладнитися септицемією. Однак у більшості людей золотистий стафілокок є частиною мікробіома шкіри і слизової оболонки носової порожнини. Лише у невеликого числа людей розвивається небезпечна для життя стафілококова інфекція. Причому у такої інфекції досить поганий прогноз через її швидку інвазивну течію.
Серед факторів ризику розвитку стафілококової інфекції виділяють придбані (хірургічні втручання і судинна дисфункція) і вроджені. До вроджених відносять спадкові порушення імунітету, неправильний розвиток або зміна функції фагоцитів: вроджена нейтропенія, хронічна гранулематозна хвороба і дефіцит адгезії лейкоцитів. Крім того, у пацієнтів з важкою стафілококовою інфекцією знаходили порушення структури Toll-подібного рецептора (TLR), сигналізації через інтерлейкін-1-подібний рецептор ядерного фактора-каппа B (TIR-NF-^ B), інтерлейкін-6 і STAT3-залежного імунітету. Всі ці дефекти переважно впливають на мієлоїдний паросток лейкоцитів, проте їх знаходять далеко не у всіх інфікованих. Лікарі не можуть пояснити більшість випадків важкої стафілококової інфекції, оскільки у людей не знаходять дефектів фагоцитів.
Група вчених під керівництвом Андраса Спаана (András N. Spaan) з Рокфеллерівського університету займалася питанням генетичної та імунологічної основи розвитку важкої стафілококової інфекції. Для цього вони секвенували екзоми 105 осіб з важким перебігом стафілококової інфекції. У контрольну групу потрапило 1274 людини з мікобактеріальною інфекцією (у тому числі хворих на туберкульоз), оскільки у таких хворих рідко зустрічається додаткова поєднана стафілококова інфекція.
Після коригування на етнічну приналежність за допомогою методу головних компонент вчені перевірили нульову гіпотезу про те, що потенційний ген-винуватець важкої стафілококової інфекції не є специфічними для стафілококової інфекції. Ген/виявився єдиним геном, який на геномному рівні статистично значуще відрізнявся між групами (р = 5,74 ст.1 10-7). Під час додавання до контрольної групи геномів ще 2504 здорових статистична значущість підтвердилася (р = 3,85 ст.1 10-8). Це вказує на те, що дуже рідкісні варіанти цього гена знаходили саме у пацієнтів з важкою стафілококовою інфекцією.
Вивчення трьох пробандів з гетерозіготними варіантами гена, які страждають від важкої стафілококової інфекції, показало, що в одного з них присутня міссенс-мутація, в іншого - нонсенс-мутація, у третього - мутація зсуву рамки зчитування. У кожного пробанда стафілококова інфекція проявлялася у формі небезпечного для життя некрозу шкіри та/або деструкції легенів. Загалом вчені виявили шість дуже рідкісних варіантів гена у семи пацієнтів із шести пологів. У більшості з них перший епізод захворювання стався в підлітковому віці. Клінічні дані свідчили про те, що стафілококова інфекція могла проявлятися по-різному раніше, проте шкіра і/або легкі послідовно вражалися у всіх пацієнтів.
Одна третина гетерозіготних родичів (троє з дев'яти, за якими були доступні дані) демонстрували схожий фенотип, але важких форм інфекції вони ніколи не переносили. Вчені припустили, що дуже рідкісні гетерозіготні мутації гена сприймають до важкого некрозу шкіри і деструкції легенів, як правило (але не виключно), після зараження золотистим стафілококом.
Відомо, що деубіквітіназа, за синтез якої відповідає, знижує інтенсивність запалення. Вчені оцінили деубіквітіназну активність продуктів алелей у пацієнтів і їх здатність інгібувати передачу сигналів NF-^ B. Вони перевіряли, наскільки добре продукти експресії гена можуть інгібувати NF-^ B при дії на рецептор фактора некрозу пухлини. У пацієнтів з важким перебігом стафілококової інфекції всі алелі були гіпоморфними або аморфними, на відміну від контрольної групи, у яких алелі, як і в загальній популяції, були ізоморфними. Очевидно, що ці відмінності будуть відбиватися на здатності пов'язувати убіквітин. Після додаткових аналізів вчені дійшли висновку, що рідкісні варіанти гена, виявлені у пацієнтів, зумовлюють пацієнтів до важкої форми інфекції.
У людей з синдромом котячого крику, при якому втрачається частково або цілком коротке плече п'ятої хромосоми, інфекції дихальних шляхів є однією з основних причин госпіталізації, а пневмонія найчастіше призводить до смерті. Оскільки ген розташований на короткому плечі п'ятої хромосоми, у людей із синдромом котячого крику спостерігатиметься гаплонедостатність гена - стан, коли внесок нормальної алелі недостатній для правильного функціонування клітини через мутацію в іншій алелі. Поширеність синдрому становить приблизно 1 на 50 000 народжених живими дітей; приблизно така ж поширеність мінорних аморфних і гіпоморфних алелей гена.
Оскільки вчені не виявили у людей з гаплоїдною недостатністю гена явних імунологічних порушень, вони вирішили досліджувати клітини не гемопоетичного ряду. Дослідники оцінили рівні експресії гена в первинних фібробластах шкіри. Рівні мРНК варіювалися, проте рівні відповідного білка виявилися низькими у хворих пацієнтів і залежали від природи мутації. Гаплонедостатність гена призводила до накопичення агрегатів, що містять лінійний убіквітин, у фібробластах важко хворих пацієнтів, а також у пацієнтів із синдромом котячого крику.
Накопичення цих агрегатів зупинялося при впровадженні гена в ДНК клітинної культури фібробластів. Рівні лінійного убіквітину виявилися набагато вищими в клітинах пацієнтів з гаплонедостатністю гена, ніж у клітинах здорових контрольних груп (p < 0,0001), причому ці рівні залежали від дози гена.
Вчені припустили, що гаплонедостатність гена впливає на клітинний гомеостаз посттрансляційно. Вони виявили, що у фібробластах з гаплоїдною недостатністю гена накопичується комплекси з високою молекулярною масою, в яких міститься кавеолін-1. Пізніше вчені з'ясували, що у людей з гаплонедостатністю гена відбувається накопичення комплексів кавеоліна-1, модифікованих ланцюгами лізину, а не лінійного убіквітину, який в нормі присутній у здорових людей.
Кавеолін-1 утворює кластери в мембранних мікродоменах і колокалізується з дизинтегрином і металопротеазним доменом, що містить білок-10 (ADAM10). ADAM10 - це рецептор клітинної поверхні, з яким взаємодіє альфа-токсин стафілокока. Сам альфа-токсин, утворюючи пори в мембрані клітини, викликає опосередковану ADAM10 загибель клітини, в чому йому допомагає кавеолін-1.
Вчені висунули гіпотезу про те, що гаплонедостатність гена передбачає до загибелі фібробласти пацієнтів з важкою стафілококовою інфекцією від альфа-токсину. У людей з двома повноцінними копіями гена визначалася нормальна сприйнятливість до альфа-токсину. При цьому у людей з важкою формою інфекції він викликав більш високі рівні активації металопротеази клітинної поверхні. Рівні активності корелювали з рівнями ADAM10 після пов'язування альфа-токсину. Попередня обробка селективним інгібітором ADAM10 повністю блокувала активацію металопротеази, індукованої альфа-токсином в контрольних групах, проте рівні активації у важкохворих знижувалися незначно.
Попередня обробка циклодекстрином, який руйнує мембранні мікродомени з кавеоліном-1, захищала шкірні фібробласти від цитотоксичних ефектів альфа-токсину. Сприйнятливість клітинної лінії фібробластів з гаплонедостатністю гена до альфа-токсину частково знижувалася при блоці гена, експресуючого кавеолін-1. В імунних клітинах подібних змін вчені не спостерігали.
Тим самим ця робота показала, що в розвитку важкого перебігу стафілококової інфекції важливу роль відіграє генетична схильність окремої людини. Вона виражається в гаплонедостатності гена, який відповідає за синтез деубіквітінази. Через його нестачу - ферменту, який відщеплює убіквітин від білків. При нестачі цього ферменту у фібробластах шкіри накопичується убіквітин, який, у свою чергу, призводить до накопичення мембранного білка кавеоліна-1. І вже він потенціує цитотоксичну дію альфа-токсину золотистого стафілокока.
Спадковість відіграє важливу роль у житті людини, причому вчені не можуть перерахувати всі ознаки, які взагалі можна передати у спадок. Нещодавно ми розповідали, що доброзичливе ставлення до інших на 45 відсотків залежить від спадковості.