Иерсиния пестис: возбудитель чумы

Введение

Вид бактерий, вызывающий чуму.

Yersinia pestis (Y. pestis; ранее Pasteurella pestis) – граммотрицательная, неподвижная, коккобациллярная бактерия, не образующая спор, родственная как Yersinia enterocolitica, так и Yersinia pseudotuberculosis, патогену, от которого произошла Y. pestis и который вызывает дальневосточную скарлатиноподобную лихорадку. Это факультативный анаэроб, способный заражать людей через восточную крысиную блоху (Xenopsylla cheopis). Она вызывает заболевание – чуму, которая была причиной чумы Юстиниана и Черной смерти, самой смертоносной пандемии в истории человечества. Чума протекает в трех основных формах: пневмонической, септической и бубонной. Yersinia pestis является паразитом своего хозяина – крысиной блохи, которая, в свою очередь, паразитирует на крысах, таким образом, Y. pestis является гиперпаразитом. Y. pestis была открыта в 1894 году Александром Ерсином, швейцарско-французским врачом и бактериологом из Института Пастера, во время эпидемии чумы в Гонконге. Ерсин придерживался школы мысли Пастера. Китасато Шибасабуро, японский бактериолог, использовавший методологию Коха, также в то время занимался поиском возбудителя чумы. Однако именно Ерсин установил связь между чумой и бациллой, первоначально названной Pasteurella pestis; в 1944 году она была переименована в Yersinia pestis. Ежегодно Всемирной организации здравоохранения сообщается от одной до двух тысяч случаев чумы. При своевременном и правильном лечении антибиотиками прогноз для заболевших значительно улучшился по сравнению с периодом до разработки антибиотиков. Во время войны во Вьетнаме в Азии наблюдалось пяти-шестикратное увеличение числа случаев, возможно, из-за нарушения экосистем и сближения людей и животных. В настоящее время чума широко распространена в странах Африки к югу от Сахары и на Мадагаскаре, где регистрируется более 95% всех случаев заболевания. Чума также оказывает негативное воздействие на млекопитающих, не являющихся людьми; в Соединенных Штатах к ним относятся чернохвостый суслик и находящийся под угрозой исчезновения черноногий хорек.

Общие особенности

Y. pestis – неподвижный коккобацилл, факультативный анаэроб, окрашивающийся биполярно (что придает ему вид английской булавки), и продуцирующий антифагоцитарный слизистый слой. Как и другие виды Yersinia, он не ферментирует лактозу, не образует индол и не проявляет активность уреазы. Его ближайшими родственниками являются гастроинтестинальный патоген Yersinia pseudotuberculosis, а также, в более дальней степени родства, Yersinia enterocolitica.

Малая некодирующая РНК

Было выявлено, что многочисленные бактериальные малые некодирующие РНК выполняют регуляторные функции. Некоторые из них способны регулировать гены вирулентности. В результате глубокого секвенирования sRNA-ома *Y. pestis* было идентифицировано около 63 новых предполагаемых sRNA. Среди них – специфичная для рода *Yersinia* (также присутствующая в *Y. pseudotuberculosis* и *Y. enterocolitica*) sRNA Ysr141 (*Yersinia* small RNA 141). Показано, что sRNA Ysr141 регулирует синтез эффекторного белка YopJ системы секреции типа III (T3SS). Система T3SS Yop Ysc является критически важным компонентом вирулентности для видов *Yersinia*. Многие новые sRNA были идентифицированы у *Y. pestis*, культивируемой *in vitro* и в инфицированных легких мышей, что позволяет предположить их роль в бактериальной физиологии или патогенезе. Среди них sR035, предсказанная к взаимодействию с SD-регионом и сайтом инициации транскрипции термочувствительного регулятора ymoA, и sR084, предсказанная к взаимодействию с Fur, регулятором поглощения железа.

Патогенез и иммунитет

В городских и лесных циклах Y. pestis основное распространение происходит между грызунами и блохами. В лесном цикле резервуаром являются дикие грызуны, а в городском – преимущественно коричневые крысы (Rattus norvegicus). Кроме того, Y. pestis может распространяться из городской среды и возвращаться в нее. Заражение людей обычно происходит через укусы инфицированных блох. Если заболевание прогрессировало до пневмонической формы, человек может распространять бактерию другим при кашле, рвоте и, возможно, чихании.

млекопитающие как хозяева

Несколько видов грызунов служат основным резервуаром для Y. pestis в окружающей среде. В степях естественным резервуаром считается, главным образом, сурок. В западных Соединенных Штатах несколько видов грызунов предположительно поддерживают циркуляцию Y. pestis. Однако ожидаемая динамика заболевания не была выявлена ни у одного из изученных грызунов. Известно, что у нескольких видов грызунов наблюдается переменная устойчивость, что может приводить к бессимптомному носительству. Имеются данные о том, что блохи других млекопитающих играют роль во вспышках чумы среди людей. Недостаток знаний о динамике чумы у видов млекопитающих характерен и для восприимчивых грызунов, таких как чернохвостая прерийная собака (Cynomys ludovicianus), у которой чума может вызывать гибель колоний, оказывая значительное воздействие на пищевые цепи прерий. Однако динамика передачи инфекции среди прерийных собак не соответствует динамике блокированных блох; возможно, важную роль играют трупы, не заблокированные блохи или другой переносчик. Штамм CO92 был выделен от пациента, умершего от пневмонии, заразившегося от инфицированной кошки.

Блохи как переносчик

Передача Y. pestis блохами хорошо изучена. Первоначальное заражение вектора Y. pestis происходит при питании инфицированным животным. Затем несколько белков способствуют поддержанию бактерий в пищеварительном тракте блохи, в том числе система хранения гемина и токсин Yersinia murine (Ymt). Хотя Ymt высокотоксичен для грызунов и ранее считалось, что он вырабатывается для обеспечения повторного заражения новых хозяев, он необходим для колонизации блох и выживания Y. pestis в блохах. Находясь в организме насекомого-переносчика, белки, кодируемые генетическими локусами системы хранения гемина, индуцируют образование биопленки в провентрикуле – клапане, соединяющем средний кишечник с пищеводом. Вероятно, наличие этой биопленки необходимо для устойчивой инфекции блохи. Агрегация в биопленке препятствует питанию, поскольку формируется масса свернувшейся крови и бактерий (известная как "закупорка Бакота" по имени энтомолога А. В. Бакота, впервые описавшего это явление).

У человека и других восприимчивых хозяев

Патогенез, вызванный инфекцией *Y. pestis* у млекопитающих, обусловлен несколькими факторами, включая способность этих бактерий подавлять и избегать нормальных иммунных ответов, таких как фагоцитоз и продукция антител. Укусы блох обеспечивают проникновение бактерий через кожный барьер. *Y. pestis* экспрессирует плазминный активатор, являющийся важным фактором вирулентности при пневмонической чуме и способный расщеплять кровяные сгустки, облегчая системное распространение. Многие факторы вирулентности бактерий носят антифагоцитарный характер. Два важных антифагоцитарных антигена, F1 (фракция 1) и V или LcrV, играют важную роль в вирулентности. Кроме того, система секреции типа III (T3SS) позволяет *Y. pestis* вводить белки в макрофаги и другие иммунные клетки. Эти белки, вводимые T3SS, известные как внеклеточные белки *Yersinia* (Yops), включают YopB/D, формирующие поры в мембране клетки-хозяина и связанные с цитолизом. YopO, YopH, YopM, YopT, YopJ и YopE вводятся в цитоплазму клеток-хозяев через T3SS в поры, частично созданные YopB и YopD. Вводимые Yops ограничивают фагоцитоз и сигнальные пути, важные для врожденного иммунитета, как будет описано ниже. Кроме того, некоторые штаммы *Y. pestis* способны вмешиваться в иммунную сигнализацию (например, предотвращая высвобождение некоторых цитокинов). *Y. pestis* размножается внутри лимфатических узлов, где избегает уничтожения клетками иммунной системы, такими как макрофаги. Способность *Y. pestis* ингибировать фагоцитоз позволяет ей расти в лимфатических узлах и вызывать лимфаденопатию. YopH – белковый тирозинфосфатаз, способствующий способности *Y. pestis* уклоняться от клеток иммунной системы. В макрофагах YopH дефосфорилирует p130Cas, Fyb (белок, связывающийся с FYN), SKAP HOM и Pyk, тирозинкиназу, гомологичную FAK. YopH также связывается с p85-субъединицей фосфоинозитид-3-киназы, адапторными белками Gab1 и Gab2, а также гуаниннуклеотидным обменным фактором Vav. YopE функционирует как белок, активирующий GTPазу для членов семейства Rho GTPаз, таких как RAC1. YopT – цистеиновая протеаза, ингибирующая RhoA путем удаления изопренильной группы, необходимой для локализации белка в клеточной мембране. Предполагается, что YopE и YopT ограничивают цитолиз, индуцированный YopB/D. Это может ограничить функцию YopB/D в создании пор, используемых для введения Yop в клетки-хозяева, и предотвратить разрыв клеток-хозяина, вызванный YopB/D, и высвобождение клеточного содержимого, которое привлекает и стимулирует иммунный ответ. YopJ – ацетилтрансфераза, связывающаяся с консервативной α-спиралью MAPK-киназ. YopJ ацетилирует MAPK-киназы на серинах и треонинах, которые обычно фосфорилируются при активации MAP-киназного каскада. YopJ активируется в эукариотических клетках путем взаимодействия с фитиновой кислотой (IP6) клетки-мишени. Это нарушение активности протеинкиназы клетки-хозяина вызывает апоптоз макрофагов, что, предположительно, важно для установления инфекции и уклонения от иммунного ответа хозяина. YopO – белковая киназа, также известная как белковая киназа *Yersinia* A (YpkA). YopO является мощным индуктором апоптоза макрофагов человека. Также было предположено, что бактериофаг Ypφ мог способствовать повышению вирулентности этого организма. В зависимости от формы чумы, инфицирующей человека, развивается различное заболевание; однако, в целом чума нарушает способность клетки-хозяина взаимодействовать с иммунной системой, препятствуя доставке фагоцитарных клеток в очаг инфекции. *Y. pestis* – универсальный патоген. Помимо грызунов и людей, известно, что она убивает верблюдов, кур и свиней. Домашние собаки и кошки также восприимчивы к чуме, причем кошки чаще заболевают при инфицировании. В обоих случаях симптомы схожи с наблюдаемыми у людей и могут быть смертельными для животного. Люди могут заразиться при контакте с инфицированным животным (живым или мертвым) или при вдыхании инфекционных капель, выделенных больной собакой или кошкой в воздух.

Pathogenesis due to Y. pestis infection of mammalian hosts is due to several factors, including an ability of these bacteria to suppress and avoid normal immune system responses such as phagocytosis and antibody production. Flea bites allow for the bacteria to pass the skin barrier. Y. pestis expresses a plasmin activator that is an important virulence factor for pneumonic plague and that might degrade on blood clots to facilitate systematic invasion. Many of the bacteria's virulence factors are antiphagocytic in nature. Two important antiphagocytic antigens, named F1 (fraction 1) and V or LcrV, are both important for virulence. In addition, the type III secretion system (T3SS) allows Y. pestis to inject proteins into macrophages and other immune cells. These T3SS injected proteins, called Yersinia outer proteins (Yops), include Yop B/D, which form pores in the host cell membrane and have been linked to cytolysis. The YopO, YopH, YopM, YopT, YopJ, and YopE are injected into the cytoplasm of host cells by T3SS into the pore created in part by YopB and YopD. The injected Yops limit phagocytosis and cell signaling pathways important in the innate immune system, as discussed below. In addition, some Y. pestis strains are capable of interfering with immune signaling (e. g., by preventing the release of some cytokines). Y. pestis proliferates inside lymph nodes, where it is able to avoid destruction by cells of the immune system such as macrophages. The ability of Y. pestis to inhibit phagocytosis allows it to grow in lymph nodes and cause lymphadenopathy. YopH is a protein tyrosine phosphatase that contributes to the ability of Y. pestis to evade immune system cells. In macrophages, YopH has been shown to dephosphorylate p130Cas, Fyb (FYN binding protein) SKAP HOM and Pyk, a tyrosine kinase homologous to FAK. YopH also binds the p85 subunit of phosphoinositide 3 kinase, the Gab1, the Gab2 adapter proteins, and the Vav guanine nucleotide exchange factor. YopE functions as a GTPase activating protein for members of the Rho family of GTPases such as RAC1. YopT is a cysteine protease that inhibits RhoA by removing the isoprenyl group, which is important for localizing the protein to the cell membrane. YopE and YopT has been proposed to function to limit YopB/D induced cytolysis. This might limit the function of YopB/D to create the pores used for Yop insertion into host cells and prevent YopB/D induced rupture of host cells and release of cell contents that would attract and stimulate immune system responses. YopJ is an acetyltransferase that binds to a conserved α helix of MAPK kinases. YopJ acetylates MAPK kinases at serines and threonines that are normally phosphorylated during activation of the MAP kinase cascade. YopJ is activated in eukaryotic cells by interaction with target cell phytic acid (IP6). This disruption of host cell protein kinase activity causes apoptosis of macrophages, and this is proposed to be important for the establishment of infection and for evasion of the host immune response. YopO is a protein kinase also known as Yersinia protein kinase A (YpkA). YopO is a potent inducer of human macrophage apoptosis. It has also been suggested that a bacteriophage – Ypφ – may have been responsible for increasing the virulence of this organism. Depending on which form of the plague infects the individual, the plague develops a different illness; however, the plague overall affects the host cell's ability to communicate with the immune system, hindering the body bringing phagocytic cells to the area of infection. Y. pestis is a versatile killer. In addition to rodents and humans, it is known to have killed camels, chickens, and pigs. Domestic dogs and cats are susceptible to plague, as well, but cats are more likely to develop illness when infected. In either, the symptoms are similar to those experienced by humans, and can be deadly to the animal. People can be exposed by coming into contact with an infected animal (dead or alive), or inhaling infectious droplets that a sick dog or cat has coughed into the air.

Иммунитет

Вакцина, инактивированная формалином, была доступна в Соединенных Штатах для взрослых в 1993 году, подверженных высокому риску заражения чумой, до ее изъятия с рынка Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов. Она обладала ограниченной эффективностью и могла вызывать серьезное воспаление. Ведутся исследования по созданию вакцины на основе антигенов F1 и V с использованием методов генной инженерии, которые демонстрируют обнадеживающие результаты. Однако бактерии, лишенные антигена F1, все еще сохраняют вирулентность, а антигены V достаточно вариабельны, что может привести к неполной защите при использовании вакцин, содержащих эти антигены. Институт медицинских исследований инфекционных заболеваний армии США установил, что экспериментальная вакцина на основе антигенов F1/V защищает крабоядных макак, но не обеспечивает защиту африканским зеленым обезьянам. Систематический обзор, проведенный Кокрановским сотрудничеством, не выявил исследований достаточного качества для оценки эффективности вакцины.

Изоляция и идентификация

В 1894 году два бактериолога, Александр Ерсин из Швейцарии и Китасато Шибасабуро из Японии, независимо друг от друга выделили в Гонконге бактерию, ответственную за гонконгскую чуму 1894 года. Хотя оба исследователя сообщили о своих открытиях, серия запутанных и противоречивых заявлений Китасато в конечном итоге привела к признанию Ерсина основным первооткрывателем организма. Ерсин назвал его *Pasteurella pestis* в честь Института Пастера, где он работал. В 1967 году бактерия была отнесена к новому роду и переименована в *Yersinia pestis* в его честь. Ерсин также отметил, что крысы заболевали чумой не только во время эпидемий, но и часто предшествовали вспышкам у людей, и что многие местные жители считали чуму болезнью крыс; жители Китая и Индии утверждали, что после обнаружения большого количества мертвых крыс вскоре начиналась эпидемия. В 1898 году французский ученый Поль Луи Симонд (который также прибыл в Китай для борьбы с третьей пандемией) обнаружил переносчика – крысиную блоху, являющуюся причиной распространения болезни. Он заметил, что заболевшие люди не обязательно должны были находиться в тесном контакте друг с другом для заражения. В провинции Юньнань (Китай) жители покидали свои дома при виде мертвых крыс, а на острове Формоза (Тайвань) считалось, что обращение с мертвыми крысами повышает риск заражения чумой. Эти наблюдения привели его к предположению, что блоха может быть промежуточным звеном в передаче чумы, поскольку люди заражались только при контакте с крысами, умершими менее чем за 24 часа до этого. В ставшем классическим эксперименте Симонд продемонстрировал, как здоровая крыса умерла от чумы после того, как на нее перепрыгнули инфицированные блохи с крысы, недавно погибшей от чумы. Вспышка распространилась на Чайнатаун в Сан-Франциско с 1900 по 1904 год, а затем в Окленд и Ист-Бэй с 1907 по 1909 год. С тех пор она присутствует у грызунов в западной части Северной Америки, поскольку опасения по поводу последствий вспышки для торговли побудили власти скрывать тела умерших жителей Чайнатауна достаточно долго, чтобы болезнь распространилась на широко распространенные виды местных грызунов в отдаленных районах. Выделяют три основных штамма: *Y. p. antiqua*, вызвавший пандемию чумы в шестом веке; *Y. p. medievalis*, вызвавший Черную смерть и последующие эпидемии во время второй пандемической волны; и *Y. p. orientalis*, ответственный за современные вспышки чумы.

In 1894, two bacteriologists, Alexandre Yersin of Switzerland and Kitasato Shibasaburō of Japan, independently isolated in Hong Kong the bacterium responsible for the 1894 Hong Kong plague. Though both investigators reported their findings, a series of confusing and contradictory statements by Kitasato eventually led to the acceptance of Yersin as the primary discoverer of the organism. Yersin named it Pasteurella pestis in honor of the Pasteur Institute, where he worked. In 1967, it was moved to a new genus and renamed Yersinia pestis in his honor. Yersin also noted that rats were affected by plague not only during plague epidemics, but also often preceding such epidemics in humans and that plague was regarded by many locals as a disease of rats; villagers in China and India asserted that when large numbers of rats were found dead, plague outbreaks soon followed. In 1898, French scientist Paul Louis Simond (who had also come to China to battle the Third Pandemic) discovered the rat–flea vector that drives the disease. He had noted that persons who became ill did not have to be in close contact with each other to acquire the disease. In Yunnan, China, inhabitants would flee from their homes as soon as they saw dead rats, and on the island of Formosa (Taiwan), residents considered the handling of dead rats heightened the risks of developing plague. These observations led him to suspect that the flea might be an intermediary factor in the transmission of plague, since people acquired plague only if they were in contact with rats that had died less than 24 hours before. In a now classic experiment, Simond demonstrated how a healthy rat died of the plague after infected fleas had jumped to it from a rat that had recently died of the plague. The outbreak spread to Chinatown, San Francisco, from 1900 to 1904 and then to Oakland and the East Bay from 1907 to 1909. It has been present in the rodents of western North America ever since, as fear of the consequences of the outbreak on trade caused authorities to hide the dead of the Chinatown residents long enough for the disease to be passed to widespread species of native rodents in outlying areas. Three main strains are recognised: Y. p. antiqua, which caused a plague pandemic in the sixth century; Y. p. medievalis, which caused the Black Death and subsequent epidemics during the second pandemic wave; and Y. p. orientalis, which is responsible for current plague outbreaks.

21 век

15 января 2018 года исследователи из Университета Осло и Университета Феррары предположили, что люди и их паразиты (вероятнее всего, блохи и вши в то время) были основными переносчиками чумы.

Древние ДНК-доказательства

В 2010 году исследователи в Германии окончательно установили, используя данные ПЦР, полученные из образцов жертв Черной смерти, что бактерия Y. pestis была причиной средневековой пандемии. В 2011 году был опубликован первый геном Y. pestis, выделенного из останков жертв Черной смерти, и сделан вывод о том, что этот средневековый штамм является предком большинства современных форм Y. pestis. В 2015 году журнал Cell опубликовал результаты исследования древних захоронений. В 2018 году были опубликованы данные о возникновении и распространении патогена в период неолитического упадка (до 6000 лет назад). Местом обнаружения ДНК-доказательств стала территория в Швеции, а в качестве наиболее вероятного пути распространения были предложены торговые сети, а не миграции населения. Существуют данные, указывающие на то, что Y. pestis, возможно, возникла в Европе, в культуре Кукутень-Трипольская, а не в Азии, как принято считать. Однако генетические изменения, сделавшие ее высоко вирулентной, произошли лишь около 4000 лет назад. Высоковирулентный вариант, способный передаваться через блох грызунам, людям и другим млекопитающим, был обнаружен у двух индивидуумов, связанных с срубной культурой из Самарской области России, датируемых примерно 3800 лет назад, и у представителя железного века из Капана, Армения, датируемого примерно 2900 лет назад. 8 сентября 2016 года бактерия Y. pestis была идентифицирована по ДНК в зубах, найденных на строительной площадке Crossrail в Лондоне. Останки принадлежали жертвам Великой чумы в Лондоне, которая продолжалась с 1665 по 1666 год. В 2021 году исследователи обнаружили 5000-летнюю жертву Y. pestis – самую древнюю из известных на сегодняшний день – в останках охотников-собирателей в приграничной зоне современной Латвии и Эстонии.

События

В период с 1970 по 2020 год в Соединенных Штатах было зарегистрировано 496 случаев заболевания. Случаи заболевания были обнаружены преимущественно в Нью-Мексико, Аризоне, Колорадо, Калифорнии, Орегоне и Неваде. В 2008 году чума широко распространена в странах Африки к югу от Сахары и на Мадагаскаре, на которые приходилось более 95% всех зарегистрированных случаев. Гипотезируется, что гемохроматоз являлся предрасполагающим фактором смерти Касадабана от этого ослабленного штамма, используемого для исследований. 3 ноября 2019 года в больнице в Пекине в районе Чаоян было диагностировано два случая пневмонической чумы, что вызвало опасения вспышки. Пациентом был мужчина средних лет с лихорадкой, который жаловался на затрудненное дыхание в течение около десяти дней, а его жена имела схожие симптомы. Полиция поместила в карантин приемное отделение больницы и был установлен контроль за китайскими новостными агрегаторами. В июле 2020 года власти усилили меры предосторожности после подтверждения случая бубонной чумы в Баяннуре, городе в автономном районе Внутренняя Монголия в Китае. Пациент был помещен в карантин и проходил лечение. Согласно китайской газете Global Times, также расследовался второй подозреваемый случай и был объявлен уровень тревоги 3, действующий до конца года. Он запрещал охоту и употребление в пищу животных, способных переносить чуму, и призывал общественность сообщать о подозрительных случаях.