Микобактерия туберкулёза: характеристика и особенности возбудителя

Введение

Виды патогенных бактерий, вызывающих туберкулез.

Бактерия Mycobacterium tuberculosis (M. tb), также известная как кохская палочка, является видом патогенных бактерий из семейства Mycobacteriaceae и возбудителем туберкулеза. Впервые обнаруженная в 1882 году Робертом Кохом, M. tuberculosis имеет необычное, воскообразное покрытие на поверхности клетки, главным образом из-за присутствия миколовых кислот. Это покрытие делает клетки невосприимчивыми к окрашиванию по Граму, и в результате M. tuberculosis может слабо окрашиваться по Граму. Вместо этого для идентификации M. tuberculosis под микроскопом используются методы кислотоустойчивого окрашивания, такие как окраска по Цилю-Нильсену, или флуоресцентные красители, такие как аурамин. Физиология M. tuberculosis характеризуется высокой аэробностью и требует высокого уровня кислорода. В основном это патоген для дыхательной системы млекопитающих, поражающий легкие. Наиболее часто используемыми диагностическими методами туберкулеза являются туберкулиновая проба, кислотоустойчивое окрашивание, культивирование и полимеразная цепная реакция. Геном M. tuberculosis был секвенирован в 1998 году.

Микробиология

В 2019 году M. tuberculosis была обнаружена в генетически связанном комплексе видов Mycobacterium, называемом комплексом Mycobacterium tuberculosis, включающем по меньшей мере 9 представителей:
M. tuberculosis.

Для роста ей необходим кислород, и она неподвижна. M. tuberculosis делится каждые 18–24 часа. Это крайне медленно по сравнению с другими бактериями, у которых время деления обычно измеряется минутами (например, Escherichia coli делится примерно каждые 20 минут). Это небольшая палочковидная бактерия, устойчивая к слабым дезинфицирующим средствам и способная выживать в сухом состоянии в течение нескольких недель. Ее необычная клеточная стенка, богатая липидами, такими как миколевая кислота и корд-фактор (гликолипид), вероятно, обуславливает ее устойчивость к высыханию и является ключевым фактором вирулентности.

Микроскопия

Другие бактерии обычно идентифицируют под микроскопом с помощью окрашивания по Граму. Однако микольная кислота в клеточной стенке M. tuberculosis не удерживает краситель. Вместо этого используются кислотоустойчивые методы окрашивания, такие как окраска по Цилю-Нильсену, или флуоресцентные красители, такие как аурамин. Такая картина называется "кординг" – образование нитевидных структур, напоминающих пряди веревки. Для подтверждения идентификации также используются генные зонды и MALDI TOF.

Патофизиология

Люди – единственные известные резервуары M. tuberculosis. Распространено заблуждение, что M. tuberculosis может передаваться при рукопожатии, контакте с сиденьем унитаза, совместном употреблении пищи или напитков, или использовании общей зубной щетки. Однако основное распространение происходит воздушно-капельным путем от человека, больного туберкулезом, при кашле, чихании, разговоре или пении. Попадая в легкие, M. tuberculosis фагоцитируется альвеолярными макрофагами, но те не способны убить и переварить бактерию. Ее клеточная стенка состоит из корд-фактора – гликолипидов, которые ингибируют слияние фагосомы с лизосомой, содержащей множество антибактериальных факторов. Бактерия также избегает уничтожения макрофагами, нейтрализуя реактивные промежуточные соединения азота. Недавно было показано, что M. tuberculosis секретирует и покрывает себя 1-туберкулозинилладенозином (1 TbAd) – специальным нуклеозидом, действующим как антацид, позволяющим нейтрализовать pH и вызывать отек лизосом. При инфекциях M. tuberculosis наблюдается повышение уровня PPM1A, что, в свою очередь, влияет на нормальный апоптотический ответ макрофагов, предназначенный для уничтожения патогенов, поскольку PPM1A участвует во внутренних и внешних апоптотических путях. Таким образом, увеличение уровня PPM1A ингибирует оба апоптотических пути. Анализ кинома показал, что сигнальный путь JNK/AP 1 является нисходящим эффектором, в котором участвует PPM1A, и апоптотический путь в макрофагах контролируется таким образом. Гранулемы – организованные скопления иммунных клеток – являются отличительной чертой туберкулезной инфекции. Гранулемы играют двойную роль во время инфекции: они регулируют иммунный ответ и минимизируют повреждение тканей, но также могут способствовать распространению инфекции. Возможность создавать мутанты M. tuberculosis и тестировать отдельные генные продукты на предмет специфических функций значительно продвинула понимание ее патогенеза и факторов вирулентности. Многие секретируемые и экспортируемые белки играют важную роль в патогенезе. Например, одним из таких факторов вирулентности является корд-фактор (трегалоза димиколат), который способствует увеличению выживаемости внутри хозяина. Устойчивые штаммы M. tuberculosis приобрели устойчивость к нескольким противотуберкулезным препаратам из-за мутаций в их генах. Кроме того, эффективность существующих препаратов первой линии, таких как рифампицин и стрептомицин, в элиминации внутриклеточного M. tuberculosis снизилась из-за их неспособности эффективно проникать в нишу макрофагов. JNK играет ключевую роль в контроле апоптотических путей – внутренних и внешних. Кроме того, он является субстратом активности PPM1A, поэтому фосфорилирование JNK вызывает апоптоз. Поскольку уровень PPM1A повышается при инфекциях M. tuberculosis, ингибирование сигнальных путей PPM1A может стать терапевтическим методом уничтожения макрофагов, инфицированных M. tuberculosis, путем восстановления их нормальной апоптотической функции в защите от патогенов, тем самым сокращая время лечения инфекций M. tuberculosis. Симптомы M. tuberculosis включают кашель, продолжающийся более трех недель, кровохарканье, боль в груди при дыхании или кашле, потерю веса, усталость, лихорадку, ночные поты, озноб и потерю аппетита. M. tuberculosis также может распространяться на другие части тела, вызывая кровь в моче при поражении почек и боль в спине при поражении позвоночника.

Humans are the only known reservoirs of M. tuberculosis. A misconception is that M. tuberculosis can be spread by shaking hands, making contact with toilet seats, sharing food or drink, or sharing toothbrushes. However, major spread is through air droplets originating from a person who has the disease either coughing, sneezing, speaking, or singing. When in the lungs, M. tuberculosis is phagocytosed by alveolar macrophages, but they are unable to kill and digest the bacterium. Its cell wall is made of cord factor glycolipids that inhibit the fusion of the phagosome with the lysosome, which contains a host of antibacterial factors. The bacteria also evades macrophage killing by neutralizing reactive nitrogen intermediates. More recently, M. tuberculosis has been shown to secrete and cover itself in 1 tuberculosinyladenosine (1 TbAd), a special nucleoside that acts as an antacid, allowing it to neutralize pH and induce swelling in lysosomes. In M. tuberculosis infections, PPM1A levels were found to be upregulated, and this, in turn, would impact the normal apoptotic response of macrophages to clear pathogens, as PPM1A is involved in the intrinsic and extrinsic apoptotic pathways. Hence, when PPM1A levels were increased, the expression of it inhibits the two apoptotic pathways. With kinome analysis, the JNK/AP 1 signalling pathway was found to be a downstream effector that PPM1A has a part to play in, and the apoptotic pathway in macrophages are controlled in this manner. Granulomas, organized aggregates of immune cells, are a hallmark feature of tuberculosis infection. Granulomas play dual roles during infection: they regulate the immune response and minimize tissue damage, but also can aid in the expansion of infection. The ability to construct M. tuberculosis mutants and test individual gene products for specific functions has significantly advanced the understanding of its pathogenesis and virulence factors. Many secreted and exported proteins are known to be important in pathogenesis. For example, one such virulence factor is cord factor (trehalose dimycolate), which serves to increase survival within its host. Resistant strains of M. tuberculosis have developed resistance to more than one TB drug, due to mutations in their genes. In addition, pre existing first line TB drugs such as rifampicin and streptomycin have decreased efficiency in clearing intracellular M. tuberculosis due to their inability to effectively penetrate the macrophage niche. JNK plays a key role in the control of apoptotic pathways—intrinsic and extrinsic. In addition, it is also found to be a substrate of PPM1A activity, hence the phosphorylation of JNK would cause apoptosis to occur. Since PPM1A levels are elevated during M. tuberculosis infections, by inhibiting the PPM1A signalling pathways, it could potentially be a therapeutic method to kill M. tuberculosis infected macrophages by restoring its normal apoptotic function in defence of pathogens. thus decreasing the treatment times for M. tuberculosis infections. Symptoms of M. tuberculosis include coughing that lasts for more than three weeks, hemoptysis, chest pain when breathing or coughing, weight loss, fatigue, fever, night sweats, chills, and loss of appetite. M. tuberculosis also has the potential of spreading to other parts of the body. This can cause blood in urine if the kidneys are affected, and back pain if the spine is affected.

Изменение штамма

Типизация штаммов полезна при исследовании вспышек туберкулеза, поскольку предоставляет исследователю доказательства за или против передачи инфекции от человека к человеку. Рассмотрим ситуацию, когда у человека А диагностирован туберкулез, и он полагает, что заразился от человека Б. Если бактерии, выделенные у каждого человека, принадлежат к разным типам, то передача от Б к А окончательно исключается; однако, если бактерии являются одним и тем же штаммом, это подтверждает (но не доказывает однозначно) гипотезу о том, что Б заразил А. До начала 2000-х годов штаммы M. tuberculosis типизировались методом пульс-полевого электрофореза. В настоящее время этот метод уступил место типизации по количеству вариабельных тандемных повторов (VNTR), который технически проще в исполнении и обеспечивает лучшее различие между штаммами. Этот метод основан на наличии повторяющихся последовательностей ДНК в геноме M. tuberculosis. Выделяют три поколения VNTR-типирования M. tuberculosis. Первая схема, называемая точными тандемными повторами, использовала только пять локусов, но разрешение, обеспечиваемое этими пятью локусами, было ниже, чем у пульс-полевого электрофореза. Вторая схема, называемая микобактериальной интерсперсированной повторяющейся единицей, демонстрировала дискриминационную способность, сопоставимую с пульс-полевым электрофорезом. Третье поколение (микобактериальная интерсперсированная повторяющаяся единица – 2) добавило еще девять локусов, доведя общее их число до 24. Это обеспечивает степень разрешения, превышающую разрешение пульс-полевого электрофореза, и в настоящее время является стандартом для типизации M. tuberculosis. Однако при анализе археологических останков могут потребоваться дополнительные доказательства из-за возможного загрязнения бактериями, обитающими в почве. Устойчивость M. tuberculosis к антибиотикам обычно развивается в результате накопления мутаций в генах, являющихся мишенями для антибиотика, или изменения концентрации препарата. M. tuberculosis считается мультирезистентной (МДР-ТБ), если у нее развилась устойчивость к рифампицину и изониазиду – наиболее важным антибиотикам, используемым для лечения. Кроме того, широкоустойчивый туберкулез (XDR-ТБ) характеризуется устойчивостью как к изониазиду, так и к рифампицину, а также к любому фторхинолону и, как минимум, одному из трех инъекционных препаратов второй линии (например, амикацину, канамицину или капреомицину).

Typing of strains is useful in the investigation of tuberculosis outbreaks, because it gives the investigator evidence for or against transmission from person to person. Consider the situation where person A has tuberculosis and believes he acquired it from person B. If the bacteria isolated from each person belong to different types, then transmission from B to A is definitively disproven; however, if the bacteria are the same strain, then this supports (but does not definitively prove) the hypothesis that B infected A. Until the early 2000s, M. tuberculosis strains were typed by pulsed field gel electrophoresis. This has now been superseded by variable numbers of tandem repeats (VNTR), which is technically easier to perform and allows better discrimination between strains. This method makes use of the presence of repeated DNA sequences within the M. tuberculosis genome. Three generations of VNTR typing for M. tuberculosis are noted. The first scheme, called exact tandem repeat, used only five loci, but the resolution afforded by these five loci was not as good as PFGE. The second scheme, called mycobacterial interspersed repetitive unit, had discrimination as good as PFGE. The third generation (mycobacterial interspersed repetitive unit – 2) added a further nine loci to bring the total to 24. This provides a degree of resolution greater than PFGE and is currently the standard for typing M. tuberculosis. However, with regard to archaeological remains, additional evidence may be required because of possible contamination from related soil bacteria. Antibiotic resistance in M. tuberculosis typically occurs due to either the accumulation of mutations in the genes targeted by the antibiotic or a change in titration of the drug. M. tuberculosis is considered to be multidrug resistant (MDR TB) if it has developed drug resistance to both rifampicin and isoniazid, which are the most important antibiotics used in treatment. Additionally, extensively drug resistant M. tuberculosis (XDR TB) is characterized by resistance to both isoniazid and rifampin, plus any fluoroquinolone and at least one of three injectable second line drugs (i. e., amikacin, kanamycin, or capreomycin).

Геном

Геном штамма H37Rv был опубликован в 1998 году. Его размер составляет 4 миллиона пар оснований, содержащих 3959 генов; функция 40% этих генов установлена, а для еще 44% предложена возможная функция. В геноме также содержится шесть псевдогенов. Метаболизм жирных кислот. Геном содержит 250 генов, участвующих в метаболизме жирных кислот, 39 из которых вовлечены в метаболизм поликетидов, обеспечивающий синтез восковой оболочки. Такое большое количество консервативных генов свидетельствует об эволюционной значимости восковой оболочки для выживания патогена. Кроме того, экспериментальные исследования подтвердили важность липидного метаболизма для M. tuberculosis, состоящего исключительно из липидов, получаемых от хозяина, таких как жиры и холестерин. Бактерии, выделенные из легких инфицированных мышей, показали предпочтительное использование жирных кислот по сравнению с углеводными субстратами. M. tuberculosis также может расти на холестерине как единственном источнике углерода, и гены, участвующие в путях использования холестерина, были подтверждены как важные на различных стадиях жизненного цикла инфекции M. tuberculosis, особенно во время хронической фазы инфекции, когда другие питательные вещества, вероятно, недоступны. Семейства генов PE/PPE. Около 10% кодирующей способности приходится на семейства генов PE/PPE, кодирующие кислые белки, богатые глицином. Эти белки имеют консервативный N-терминальный мотив, удаление которого нарушает рост в макрофагах и гранулемах. Некодирующие РНК. В M. tuberculosis было охарактеризовано девять некодирующих sРНК, а еще 56 предсказано в результате биоинформатического скрининга. Гены устойчивости к антибиотикам. В 2013 году было проведено исследование генома нескольких чувствительных, ультраустойчивых и мультирезистентных штаммов M. tuberculosis для изучения механизмов устойчивости к антибиотикам. Результаты выявили новые взаимосвязи и гены устойчивости к лекарственным препаратам, ранее не связанные с этим, и предполагают, что некоторые гены и межгенные области, связанные с устойчивостью к лекарственным препаратам, могут быть вовлечены в устойчивость к более чем одному препарату. Примечательна роль межгенных областей в развитии этой устойчивости, и большинство генов, предложенных в этом исследовании как ответственные за устойчивость к лекарственным препаратам, играют важную роль в развитии M. tuberculosis. Эпигеном. Секвенирование одной молекулы в реальном времени и последующий биоинформатический анализ выявили три ДНК-метилтрансферазы в M. tuberculosis: микобактериальные аденин-метилтрансферазы A (MamA), B (MamB) и C (MamC). Все три являются аденин-метилтрансферазами, и каждый из них функционален в некоторых клинических штаммах M. tuberculosis, но не в других. Некоторые штаммы M. tuberculosis несут мутации в MamA, вызывающие частичное метилирование целевых адениновых оснований. Мутации MamA, вызывающие межклеточное мозаичное метилирование, наиболее распространены в глобально успешной пекинской подлинии M. tuberculosis. Помимо M. tuberculosis, комплекс M. tuberculosis (MTBC) включает ряд членов, инфицирующих различные виды животных, в том числе M. africanum, M. bovis (бацилла Десси), M. caprae, M. microti, M. mungi, M. orygis и M. pinnipedii. В эту группу также может входить клада M. canettii. Эти штаммы животных MTBC в строгом смысле не заслуживают статуса вида, поскольку все они тесно связаны и встроены в филогенетическое дерево M. tuberculosis, но по историческим причинам в настоящее время сохраняют статус вида. Клада M. canettii, включающая M. prototuberculosis, представляет собой группу видов Mycobacterium с гладкими колониями. В отличие от устоявшихся членов группы M. tuberculosis, они подвергаются рекомбинации с другими видами. Большинство известных штаммов этой группы были выделены из Африканского Рога. Предком M. tuberculosis, по-видимому, является M. canettii, впервые описанный в 1969 году. Все известные представители комплекса M. tuberculosis распространяются клонально. Основные виды, инфицирующие человека, были классифицированы на семь линий. При переводе этих линий на терминологию, используемую для сполиготипирования – весьма грубой методики генотипирования, линия 1 включает восточноафриканско-индийскую (EAI), семейство штаммов Манила и некоторые штаммы Ману (индийские); линия 2 – пекинская группа; линия 3 включает центральноазиатские (CAS) штаммы; линия 4 включает штаммы Гана и Харлем (H/T), латиноамериканско-средиземноморские (LAM) и X; типы 5 и 6 соответствуют M. africanum и наблюдаются преимущественно и с высокой частотой в Западной Африке. Седьмой тип был выделен из Африканского Рога. Типы 5 и 6 тесно связаны с животными штаммами MTBC, которые обычно не инфицируют людей. Линия 3 была разделена на две клады: CAS Kili (найденную в Танзании) и CAS Delhi (найденную в Индии и Саудовской Аравии). Линия 4 также известна как евроамериканская линия. Подтипы в этой линии включают латиноамериканско-средиземноморский, Uganda I, Uganda II, Haarlem, X и Congo. В широко цитируемом исследовании сообщалось, что M. tuberculosis коэволюционировал с популяциями человека, и что последний общий предок комплекса M. tuberculosis эволюционировал между 40 000 и 70 000 лет назад. Анализ более 3000 штаммов M. bovis из 35 стран показал африканское происхождение этого вида.

The genome of the H37Rv strain was published in 1998. Its size is 4 million base pairs, with 3,959 genes; 40% of these genes have had their function characterized, with possible function postulated for another 44%. Within the genome are also six pseudogenes. Fatty acid metabolism. The genome contains 250 genes involved in fatty acid metabolism, with 39 of these involved in the polyketide metabolism generating the waxy coat. Such large numbers of conserved genes show the evolutionary importance of the waxy coat to pathogen survival. Furthermore, experimental studies have since validated the importance of a lipid metabolism for M. tuberculosis, consisting entirely of host derived lipids such as fats and cholesterol. Bacteria isolated from the lungs of infected mice were shown to preferentially use fatty acids over carbohydrate substrates. M. tuberculosis can also grow on the lipid cholesterol as a sole source of carbon, and genes involved in the cholesterol use pathway(s) have been validated as important during various stages of the infection lifecycle of M. tuberculosis, especially during the chronic phase of infection when other nutrients are likely not available. PE/PPE gene families. About 10% of the coding capacity is taken up by the PE/PPE gene families that encode acidic, glycine rich proteins. These proteins have a conserved N terminal motif, deletion of which impairs growth in macrophages and granulomas. Noncoding RNAs. Nine noncoding sRNAs have been characterised in M. tuberculosis, with a further 56 predicted in a bioinformatics screen. Antibiotic resistance genes. In 2013, a study on the genome of several sensitive, ultraresistant, and multiresistant M. tuberculosis strains was made to study antibiotic resistance mechanisms. Results reveal new relationships and drug resistance genes not previously associated and suggest some genes and intergenic regions associated with drug resistance may be involved in the resistance to more than one drug. Noteworthy is the role of the intergenic regions in the development of this resistance, and most of the genes proposed in this study to be responsible for drug resistance have an essential role in the development of M. tuberculosis. Epigenome. Single molecule real time sequencing and subsequent bioinformatic analysis has identified three DNA methyltransferases in M. tuberculosis, Mycobacterial Adenine Methyltransferases A (MamA), B (MamB), and C (MamC). All three are adenine methyltransferases, and each are functional in some clinical strains of M. tuberculosisand not in others. some strains of M. tuberculosis carry mutations in MamA that cause partial methylation of targeted adenine bases. MamA mutations causing intercellular mosaic methylation are most common in the globally successful Beijing sublineage of M. tuberculosis. In addition to M. tuberculosis, the M. tuberculosis complex (MTBC) has a number of members infecting various animal species, these include M. africanum, M. bovis (Dassie's bacillus), M. caprae, M. microti, M. mungi, M. orygis, and M. pinnipedii. This group may also include the M. canettii clade. These animal strains of MTBC do not strictly deserve species status, as they are all closely related and embedded in the M. tuberculosis phylogeny, but for historic reasons, they currently hold species status. The M. canettii clade – which includes M. prototuberculosis – is a group of smooth colony Mycobacterium species. Unlike the established members of the M. tuberculosis group, they undergo recombination with other species. The majority of the known strains of this group have been isolated from the Horn of Africa. The ancestor of M. tuberculosis appears to be M. canettii, first described in 1969. The established members of the M. tuberculosis complex are all clonal in their spread. The main human infecting species have been classified into seven lineages. Translating these lineages into the terminology used for spoligotyping, a very crude genotyping methodology, lineage 1 contains the East African Indian (EAI), the Manila family of strains and some Manu (Indian) strains; lineage 2 is the Beijing group; lineage 3 includes the Central Asian (CAS) strains; lineage 4 includes the Ghana and Haarlem (H/T), Latin America Mediterranean (LAM) and X strains; types 5 and 6 correspond to M. africanum and are observed predominantly and at high frequencies in West Africa. A seventh type has been isolated from the Horn of Africa. Types 5 and 6 are closely related to the animal strains of MTBC, which do not normally infect humans. Lineage 3 has been divided into two clades: CAS Kili (found in Tanzania) and CAS Delhi (found in India and Saudi Arabia). Lineage 4 is also known as the Euro American lineage. Subtypes within this type include Latin American Mediterranean, Uganda I, Uganda II, Haarlem, X, and Congo. A much cited study reported that M. tuberculosis has co evolved with human populations, and that the most recent common ancestor of the M. tuberculosis complex evolved between 40,000 and 70,000 years ago. An analysis of over 3000 strains of M. bovis from 35 countries suggested an Africa origin for this species.

Совместная эволюция с современными людьми

В настоящее время существуют две параллельные точки зрения относительно возраста МТБК и того, как он распространялся и коэволюционировал с человеком с течением времени. Одно исследование сравнило филогенетическое древо M. tuberculosis с филогенетическим древом митохондриального генома человека и интерпретировало их как высоко схожие. На основании этого исследования было предположено, что M. tuberculosis, подобно человеку, эволюционировал в Африке и впоследствии распространился вместе с анатомически современными людьми из Африки по всему миру. Калибруя скорость мутаций M. tuberculosis для соответствия этой точке зрения, исследование предположило, что MTBC эволюционировал 40 000–70 000 лет назад, что может отражать либо устойчивую связь между популяциями хозяев и конкретными линиями M. tuberculosis, либо социальные взаимодействия, обусловленные общими культурными и географическими факторами. Что касается соответствия между филогенетическими деревьями человека и M. tuberculosis, исследование, основанное на последовательностях ДНК Y-хромосомы человека и M. tuberculosis для формальной оценки их корреляции, пришло к выводу, что они не соответствуют друг другу. Кроме того, более позднее исследование, в котором были использованы последовательности генома представителей комплекса M. tuberculosis, извлеченные из трех 1000-летних перуанских мумий, оценило, что последний общий предок комплекса M. tuberculosis жил всего 4000–6000 лет назад. В целом, имеющиеся данные подтверждают более позднюю оценку возраста последнего общего предка МТБК, и, следовательно, глобальная эволюция и распространение M. tuberculosis происходили в течение последних 4000–6000 лет. Среди семи признанных линий M. tuberculosis только две действительно имеют глобальное распространение: линии 2 и 4. Среди них линия 4 наиболее широко распространена и почти полностью доминирует в Америке. Было показано, что линия 4 эволюционировала в Европе или вблизи нее и распространилась по всему миру вместе с европейцами, начиная примерно с XIII века. Это исследование также показало, что туберкулез линии 4 распространился в Америку вскоре после открытия континента европейцами в 1492 году, и предполагает, что это было первым заносом человеческого туберкулеза на континент (хотя штаммы, поражающие животных, были обнаружены в человеческих останках, датируемых периодом до Колумба). Фрагменты ДНК M. tuberculosis и признаки заболевания туберкулезом были обнаружены в человеческих останках, датируемых 7000 годом до нашей эры, найденных в Атлит-Яме в Леванте.

There are currently two narratives existing in parallel regarding the age of MTBC and how it has spread and co evolved with humans through time. One study compared the M. tuberculosis phylogeny to a human mitochondrial genome phylogeny and interpreted these as being highly similar. Based on this, the study suggested that M. tuberculosis, like humans, evolved in Africa and subsequently spread with anatomically modern humans out of Africa across the world. By calibrating the mutation rate of M. tuberculosis to match this narrative, the study suggested that MTBC evolved 40,000–70,000 years ago. which could reflect either a stable association between host populations and specific M. tuberculosis lineages and/or social interactions that are shaped by shared cultural and geographic histories. Regarding the congruence between human and M. tuberculosis phylogenies, a study relying on M. tuberculosis and human Y chromosome DNA sequences to formally assess the correlation between them, concluded that they are not congruent. Also, a more recent study which included genome sequences from M. tuberculosis complex members extracted from three 1,000 year old Peruvian mummies, estimated that the most recent common ancestor of the M. tuberculosis complex lived only 4,000 – 6,000 years ago. The M. tuberculosis evolutionary rate estimated by the Bos et al. study In total, the evidence thus favors this more recent estimate of the age of the MTBC most recent common ancestor, and thus that the global evolution and dispersal of M. tuberculosis has occurred over the last 4,000–6,000 years. Among the seven recognized lineages of M. tuberculosis, only two are truly global in their distribution: Lineages 2 and 4. Among these, Lineage 4 is the most well dispersed, and almost totally dominates in the Americas. Lineage 4 was shown to have evolved in or in the vicinity of Europe, and to have spread globally with Europeans starting around the 13th century. This study also found that Lineage 4 tuberculosis spread to the Americas shortly after the European discovery of the continent in 1492, and suggests that this represented the first introduction of human TB on the continent (although animal strains have been found in human remains predating Columbus. DNA fragments from M. tuberculosis and tuberculosis disease indications were present in human bodies dating from 7000 BC found at Atlit Yam in the Levant.

Резистентность к антибиотикам (АБР)

M. tuberculosis является клональным организмом и не обменивается ДНК посредством горизонтального переноса генов. Несмотря на дополнительно медленную скорость эволюции, появление и распространение устойчивости к антибиотикам у M. tuberculosis представляет собой растущую угрозу для глобального здравоохранения. В 2019 году ВОЗ сообщила об оценке заболеваемости антибиотикорезистентным туберкулезом в 3,4% новых случаев и 18% случаев после предшествующего лечения. Существуют географические различия в частоте встречаемости лекарственно-устойчивого туберкулеза. Страны с наиболее высокими показателями АБР-ТБ – Китай, Индия, Россия и Южная Африка. Многорезистентный туберкулез (МЛР-ТБ) характеризуется устойчивостью как минимум к двум препаратам первой линии – изониазиду и рифампицину. Наиболее часто наблюдаемые мутации кодонов в RRDR – 531, 526 и 516. Однако были выявлены альтернативные, более трудно обнаруживаемые мутации, обуславливающие устойчивость. Механизм действия изониазида заключается в ингибировании синтеза миколовой кислоты посредством NADH-зависимой эноил-ацилпереносной редуктазы (ACP). Этот фермент кодируется геном inhA. Следовательно, устойчивость к изониазиду в основном обусловлена мутациями в гене inhA и гене KatG или его промоторной области – каталазопероксидазе, необходимой для активации изониазида. Это сделало его синтез мишенью для многих антибиотиков, таких как изониазид. Однако устойчивость к большинству из них возникла. Новой, перспективной терапевтической мишенью является крупный мембранный белок микобактерий 3 (MmpL3). Крупные мембранные белки микобактерий (MmpL) – это трансмембранные белки, играющие ключевую роль в синтезе клеточной стенки и транспорте связанных с ней липидов. Среди них MmpL3 является незаменимым; его нокаут показал бактерицидный эффект. Хотя резистентность к преклиническим ингибиторам MmpL3 была обнаружена, анализ распространенного мутационного ландшафта выявил низкий уровень экологической устойчивости. Ранние исследования отдельных случаев и близнецов показали, что генетические факторы важны для восприимчивости хозяина к M. tuberculosis. Недавние полногеномные исследования ассоциаций (GWAS) выявили три генетических локуса риска, включая позиции 11p13 и 18q11. Как это часто бывает в GWAS, обнаруженные варианты имеют умеренный эффект.

M. tuberculosis is a clonal organism and does not exchange DNA via horizontal gene transfer. Despite an additionally slow evolution rate, the emergence and spread of antibiotic resistance in M. tuberculosis poses an increasing threat to global public health. In 2019, the WHO reported the estimated incidence of antibiotic resistant TB to be 3.4% in new cases, and 18% in previously treated cases. Geographical discrepancies exist in the incidence rates of drug resistant TB. Countries facing the highest rates of ABR TB China, India, Russia, and South Africa. Multidrug resistant Tuberculosis (MDR TB) is characterised by resistance to at least the two front line drugs isoniazid and rifampin. The most frequently observed mutations of the codons in RRDR are 531, 526 and 516. However, alternative more elusive resistance conferring mutations have been detected. Isoniazid function occurs through the inhibition of mycolic acid synthesis through the NADH dependent enoyl acyl carrier protein (ACP) reductase. This is encoded by the inhA gene. As a result, isoniazid resistance is primarily due to mutations within inhA and the KatG gene or its promoter region a catalase peroxidase which is required to activate Isoniazid. This has led to its synthesis being the target of many antibiotics such as Isoniazid. However, resistance has emerged to the majority of them. A novel, promising therapeutic target is mycobacterial membrane protein large 3 (MmpL3). The mycobacterial membrane protein large (MmpL) proteins are transmembrane proteins which play a key role in the synthesis of the cell wall and the transport of the associated lipids. Of these, MmpL3 is essential; knock out of which has been shown to be bactericidal. Although resistance to pre clinical MmpL3 inhibitors has been detected, analysis of the widespread mutational landscape revealed a low level of environmental resistance. Early case and twin studies have indicated that genetic components are important in host susceptibility to M. tuberculosis. Recent genome wide association studies (GWAS) have identified three genetic risk loci, including at positions 11p13 and 18q11. As is common in GWAS, the variants discovered have moderate effect sizes.

Ремонт ДНК

Как внутриклеточный патоген, M. tuberculosis подвергается воздействию различных факторов, повреждающих ДНК, главным образом – антимикробных токсичных радикалов, генерируемых организмом хозяина. Воздействие реактивных форм кислорода и/или реактивных форм азота вызывает различные типы повреждений ДНК, включая окисление, депурирование, метилирование и деаминирование, которые могут приводить к разрывам одной и двух цепей ДНК (двухцепочечным разрывам – DSB). Полимераза DnaE2 повышает свою экспрессию в M. tuberculosis под воздействием нескольких агентов, повреждающих ДНК, а также в процессе инфекции мышей. Выключение гена этой ДНК-полимеразы снижает вирулентность M. tuberculosis у мышей. Это свидетельствует о том, что внутриклеточное воздействие на M. tuberculosis реактивных форм кислорода и/или реактивных форм азота приводит к образованию двухцепочечных разрывов ДНК, которые восстанавливаются посредством рекомбинационного или нерекомбинационного восстановления (HR или NHEJ).

История

M. tuberculosis, тогда известный как "туберкулезная палочка", был впервые описан 24 марта 1882 года Робертом Кохом, который впоследствии получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за это открытие в 1905 году; бактерия также известна как "палочка Коха". M. tuberculosis существовал на протяжении всей истории, но его название часто менялось с течением времени. Однако в 1720 году история изучения туберкулеза начала приобретать очертания, близкие к современным представлениям о нем; врач Бенджамин Мартен в своей работе "Теория чахотки" предположил, что туберкулез может быть вызван мельчайшими живыми организмами, передающимися по воздуху от больного к больному.

Вакцина

Вакцина БЦЖ (бацилла Кальметта-Герена), полученная из M. bovis, хотя и эффективна против детских и тяжелых форм туберкулеза, имеет ограниченную эффективность в предотвращении наиболее распространенной формы заболевания в настоящее время – легочного туберкулеза у взрослых. В связи с этим она преимущественно используется в регионах с высокой заболеваемостью туберкулезом и не рекомендуется к применению в Соединенных Штатах из-за низкого риска инфицирования. Для получения этой вакцины в Соединенных Штатах необходимо пройти консультацию с экспертом по M. tuberculosis и она назначается только лицам, соответствующим определенным критериям. Согласно статье агентства Kyodo News от 14 апреля 2020 года под названием «Вакцина против туберкулеза привлекает внимание в борьбе с коронавирусом», БЦЖ может быть связана с более выраженным иммунным ответом на COVID-19. В статье «Формирование ДНК-вакцин с использованием гена Inh-A Mycobacterium» из журнала Journal of Preventive, Diagnostic and Treatment Strategies in Medicine (сентябрь 2022 года) указано, что ДНК-вакцины могут применяться как самостоятельно, так и в сочетании с БЦЖ. ДНК-вакцины обладают достаточным потенциалом для использования в терапии туберкулеза и сокращения продолжительности лечения в будущем.