Хаос в транскрипции нескольких генов блокирует антибиотикорезистентность у E. coli

Подготовил Александр Колесников

К любому новому антибиотику рано или поздно разовьётся устойчивость. В последние годы всё больше работ, связанных с борьбой против этого, направлено на выработку «стратегии непрямых действий» — попытки нащупать механизмы, снижающие приспособляемость микроорганизмов к изменению условий среды (fitness). Исследователи из Университета Колорадо в Боулдере достигли значительного успеха на этом пути.

Разработанный ими подход базируется на методе геномного редактирования CRISPR/Cas9, однако нуклеазаная активность Cas9 в данном случае инактивирована (dCas9). РНК-гид, комплементарная промоторному участку гена, в комплексе с dCas9 связывается с последовательностью ДНК, и комплекс подавляет транскрипцию с этого промотора. Альтернативная модификация содержит деактивированную Cas9, слитую с омега-субъединицей РНК-полимеразы — dCas9–ω. Такая химера, наоборот, активирует транскрипцию.

Используя описанные конструкты, исследователи из Колорадо, не разрушая бактериальную ДНК, одновременно модулировали транскрипцию нескольких генов E. coli, отвечающих, за приспособляемость бактерии к различным стрессовым воздействиям, или за важные стадии метаболических путей. Фактически — вносили хаос в нормальную работу этих генов в надежде нарушить приспособляемость бактерий. Поэтому описанная стратегия получила в качестве названия акроним «CHAOS» — Controlled Hindrance of Adaptation of OrganismS.

Исследователи проанализировали влияние вносимых в транскрипцию изменений на развитие антибиотикоустойчивости. Если пертурбации подвергалась экспрессия одного гена, бактерия быстро адаптировалась, и скорость формирования резистентности практически не изменялась в сравнении с диким типом. В некоторых случаях наблюдалось даже ускоренная адаптация. Но если модуляции подвергались два или более генов, то зачастую наблюдался феномен, известный в генетике как эпистаз, — происходили качественные изменения в адаптогенности бактерии, в результате которых резистентность развивалась намного медленнее. При нарушении нормального функционирования четырёх генов, происходило очень весомое снижение адаптогенности. Исследователи отмечали, что даже при одновременном увеличении экспрессии нескольких генов, обуславливающих адаптацию, эффект был противоположным — приспособляемость снижалась.

Альтернативный способ модуляции активности промоторов с использованием пептидо-нуклеиновых кислот, был использован в работе с целью изучения возможности снижения уже имеющейся множественной антибиотикорезистентности. И этот подход оказался эффективным, хотя путь от достигнутого результата до создания терапии может оказаться долгим. Исследователи продолжат работу для идентификации наиболее «сильнодействующих» комбинаций генов.

Важнейшим следствием описанного открытия является то, что вне зависимости от способа, нарушение гомеостаза в бактерии, сопровождающее пертурбации в работе нескольких генов одновременно, могут служить мощным средством против адаптации патогена к применяемым терапевтическим средствам. Давняя идея о том, что можно «заставить» патоген видоизмениться так, что он более не будет способен бороться с антибиотиками, похоже, приобретает реальные очертания.

«В прошлом никто бы и не подумал, что существует возможность замедлять эволюцию», — отметил ведущий автор исследования, Питер Отопал.— «Но, как и у всего на свете, у эволюции есть свои правила, и мы начинаем понимать, как их можно использовать для нашего блага».

Источник

Otoupal P. B. et al.// Multiplexed deactivated CRISPR-Cas9 gene expression perturbations deter bacterial adaptation by inducing negative epistasis.// Communications Biology, 2018; 1 (1) DOI: 10.1038/s42003-018-0135-2

Цитата по пресс-релизу