Коксиелла бурнети: характеристика и особенности возбудителя Q-лихорадки.

Введение

Вид бактерии

Coxiella burnetii – облигатный внутриклеточный бактериальный патоген, являющийся возбудителем лихорадки Q. Род Coxiella морфологически сходен с Rickettsia, но имеет ряд генетических и физиологических отличий. C. burnetii – это небольшая грамотрицательная коккобацилла, обладающая высокой устойчивостью к факторам окружающей среды, таким как высокая температура, осмотическое давление и ультрафиолетовое излучение. Эти характеристики обусловлены малоклеточной формой организма, являющейся частью двухфазного цикла развития, включающего более метаболически и репликативно активную крупноклеточную форму. Она способна выживать при воздействии стандартных дезинфицирующих средств и устойчива ко многим другим изменениям окружающей среды, в том числе к тем, что встречаются в фаголизосоме.

История и названия

Исследования, проведенные в 1920-х и 1930-х годах, выявили, по-видимому, новый тип риккетсии, выделенной из клещей, способной проходить через фильтры. Первое описание того, что, возможно, было Coxiella burnetii, было опубликовано в 1930 году Хидэё Ногути, однако, поскольку его образцы не сохранились, до сих пор неясно, был ли это тот же микроорганизм. Окончательные описания были опубликованы в конце 1930-х годов в ходе исследований причин лихорадки Q Эдвардом Холбруком Дерриком и Макфарленом Бернетом в Австралии, а также Герральдом Реа Коксом и Гордоном Дэвисом в Лаборатории Скалистых гор (RML) в Соединенных Штатах. Команда RML предложила название Rickettsia diaporica, происходящее от греческого слова, означающего способность проникать через фильтрующие поры, чтобы избежать присвоения имени либо Коксу, либо Дэвису, если описание Ногути действительно имело приоритет. Практически одновременно Деррик предложил название Rickettsia burnetii в знак признания вклада Бернета в идентификацию этого организма как риккетсии. Поскольку стало очевидно, что данный вид значительно отличается от других риккетсий, он был сначала возведен в подрод, названный в честь Кокса – Coxiella, а затем, в 1948 году, в самостоятельный род с тем же названием, что было предложено Корнелиусом Б. Филиппом, другим исследователем RML. Изучение Coxiella было затруднено из-за невозможности ее культивирования вне организма хозяина. Однако в 2009 году ученые сообщили о разработке методики, позволяющей выращивать эти бактерии в аксенической культуре, и предположили, что эта методика может оказаться полезной для изучения других патогенов.

Патогенез

Из множества штаммов C. burnetii два наиболее изученных – Nine Mile фазы I и Priscilla фазы I. В последние годы было изучено больше штаммов. Тем не менее, было показано, что штамм Nine Mile является одним из наиболее вирулентных штаммов C. burnetii, для инфицирования которого требуется всего четыре организма. Это особенно важно, поскольку мышиные грызуны слабо восприимчивы к C. burnetii, что требует более высокой дозы и более вирулентного штамма для заражения мышей с целью изучения заболевания. ID50 (доза, необходимая для инфицирования 50% экспериментальных субъектов) составляет один организм при ингаляции; то есть, ингаляция одного организма вызывает заболевание у 50% популяции. Это чрезвычайно низкая инфекционная доза (требуется всего 1–10 организмов), что делает C. burnetii одним из самых инфекционных известных организмов. Заболевание протекает в две стадии: острую, которая проявляется головной болью, ознобом и респираторными симптомами, и коварную хроническую стадию. Инфекция C. burnetii начинается в альвеолах. При вдыхании она поражает альвеолярные макрофаги и пассивно проникает в них посредством актин-зависимого фагоцитоза. После первоначального связывания предполагается, что C. burnetii проникает в фагоцитозные клетки посредством пассивного актин-зависимого фагоцитоза и в непрофессиональные фагоциты посредством активного «молниевидного» механизма. C. burnetii использует αVβ3-интегрин для проникновения посредством RAC1-зависимого фагоцитоза, который, как считается, эволюционировал как механизм для предотвращения индукции воспалительного ответа. После инфицирования C. burnetii проходит двухфазный цикл развития, состоящий из морфологических форм малых клеточных вариантов (SCV) и крупных клеточных вариантов (LCV), оба из которых являются инфекционными. Поскольку SCV метаболически подавлен и устойчив ко многим факторам окружающей среды, вероятно, именно эта форма инициирует естественные инфекции. Попав в клетку-хозяина, C. burnetii SCV проходят через путь созревания фаголизосом. В течение первых шести часов после инфицирования эндосомы, аутофагосомы и лизосомы, содержащие кислую фосфатазу, сливаются с формирующейся фагосомой, образуя раннюю PV, что способствует переходу от SCV к LCV. В результате C. burnetii метаболически активируется и производит T4SS для транслокации эффекторных белков в цитоплазму хозяина. Через 6 дней C. burnetii возвращается в форму SCV. Хотя большинство инфекций разрешаются спонтанно, лечение тетрациклином или доксициклином, по-видимому, сокращает продолжительность симптомов и снижает вероятность хронической инфекции. Комбинация эритромицина и рифампицина высокоэффективна для излечения заболевания, а вакцинация вакциной Q VAX (CSL) эффективна для его профилактики. Бактерии используют систему секреции типа IVB, известную как Icm/Dot (внутриклеточное размножение / дефект в генах транспорта органелл), для введения более 100 эффекторных белков в клетку-хозяина. Эти эффекторы повышают способность бактерий выживать и расти внутри клетки-хозяина, модулируя многие пути клетки-хозяина, включая блокирование гибели клеток, ингибирование иммунных реакций и изменение транспорта везикул. У Legionella pneumophila, которая использует ту же систему секреции и также вводит эффекторы, выживаемость повышается, поскольку эти белки препятствуют слиянию вакуолей, содержащих бактерии, с деградационными эндосомами хозяина.

Of the many C. burnetii strains, two of the most studied are the Nine Mile phase I and Priscilla phase I strain. In recent years, more strains have been studied. Nonetheless, it has been demonstrated that the Nine Mile strain is one of the most virulent strains of C. burnetti with as few as four organisms needed to cause infection. This is particularly relevant as murine rodents are poorly susceptible to C. burnetii, necessitating a higher dose and a more virulent dose to inoculate murine rodents for disease study. The ID50 (the dose needed to infect 50% of experimental subjects) is one via inhalation; i. e., inhalation of one organism will yield disease in 50% of the population. This is an extremely low infectious dose (only 1 10 organisms required), making C. burnetii one of the most infectious known organisms. Disease occurs in two stages: an acute stage that presents with headaches, chills, and respiratory symptoms, and an insidious chronic stage. C. burnettii infections begins within the alveoli. Upon inhalation, it targets alveolar macrophages and passively enters them via actin dependent phagocytosis. After initial binding, it is suggested that C. burnetii enters phagocytotic cells via passive actin dependent phagocytosis and enters non professional phagocytes via an active zipper mechanism. C. burnetii exploits the αVβ3 integrin to enter using RAC1 dependent phagocytosis, which is believed to have evolved as a mechanism to avoid the induction of an inflammatory response. Following infection, C. burnetii has a biphasic developmental cycle, which consists of small cell variant (SCV) and large cell variant (LCV) morphological forms, which are both infectious. As the SCV is metabolically repressed and resistant to many environmental stressors, it is likely the form that initiates natural infections. Having entered a host cell, C. burnetii SCVs transit through the phagolysosomal maturation pathway. In the first six hours post infection, endosomes, autophagosomes, and lysosomes containing acid phosphatase fuse with the nascent phagosome to form early PV, which fosters the transition from SCV to LCV. Resultantly, C. burnetii is metabolically activated and produces the T4SS to translocate effector proteins into the host cytoplasm. After 6 days, C. burnetii transitions back to SCV. While most infections clear up spontaneously, treatment with tetracycline or doxycycline appears to reduce the symptomatic duration and reduce the likelihood of chronic infection. A combination of erythromycin and rifampin is highly effective in curing the disease, and vaccination with Q VAX vaccine (CSL) is effective for prevention of it. The bacteria use a type IVB secretion system known as Icm/Dot (intracellular multiplication / defect in organelle trafficking genes) to inject over 100 effector proteins into the host. These effectors increase the bacteria's ability to survive and grow inside the host cell by modulating many host cell pathways, including blocking cell death, inhibiting immune reactions, and altering vesicle trafficking. In Legionella pneumophila, which uses the same secretion system and also injects effectors, survival is enhanced because these proteins interfere with fusion of the bacteria containing vacuole with the host's degradation endosomes.

Использовать в качестве биологического оружия

Соединенные Штаты завершили свою программу разработки биологического оружия в 1969 году. К моменту завершения программы C. burnetii был одним из семи агентов, стандартизированных в качестве биологического оружия.

Генемика

Существует по крайней мере 75 полностью секвенированных геномов штаммов Coxiella burnetii, каждый из которых содержит около 2,1 Мбп ДНК и кодирует около 2100 открытых кадров считывания; 746 (или около 35%) этих генов не имеют известной функции. У бактерий небольшие регуляторные РНК активируются в условиях стресса и при повышении вирулентности. Малые РНК Coxiella burnetii (CbSRs 1, 11, 12 и 14) кодируются в межгенных областях (IGR). CbSRs 2, 3, 4 и 9 расположены антисенс к идентифицированным ORF. Экспрессия CbSRs повышается во время внутриклеточного роста в клетках хозяина. Все выделенные изоляты C. burnetii содержат либо одну из четырех консервативных, независимо реплицирующихся крупных плазмид (QpH1, QpDG, QpRS или QpDV), либо хромосомный элемент, происходящий от QpRS. QpH1 несет гены факторов вирулентности, важные для выживания бактерии внутри макрофагов мыши и клеток Vero; рост на необогащенных средах не нарушается. QpH1 также содержит систему токсин-антитоксин. Среди всех плазмид 8 консервативных генов кодируют белки, которые внедряются в клетку хозяина посредством системы секреции.