Как чумная палочка управляет собственной летальностью

В популярной культуре страшная инфекционная болезнь – бактерия или вирус, вырвавшийся из лаборатории, или с инопланетного корабля, или из тропического леса, или из египетской пирамиды и т. д., и т. п. – убивает человека очень быстро, за считанные дни, если не часы. В кино это, в общем, выигрышный ход: трудно с напряжённым вниманием следить за персонажами, которые по сюжету месяцами ходят с перемежающейся температурой, а некоторые так ещё и выздоравливают. Но для настоящих патогенов высокая вирулентность часто неудобна. Чем быстрее умирают те, кого ты заражаешь, тем меньше вероятность, что оставшиеся смогут передавать тебя друг другу – популяция становится разреженной, контакты между индивидуумами (или группами индивидуумов) становятся более редкими. Конечно, если патоген может жить не только в животных, но ещё и в воде или в почве, то проблема с нехваткой хозяев отчасти смягчается. Но размножаться в воде или почве с такой же эффективностью, как в животном, получается не у всех, если вообще получается.

То есть в какой-то момент своей эволюционной истории патоген может обнаружить себя перед необходимостью умерить свою летальность, чтобы было кого заражать. Об этом на примере чумной палочки пишут в Science сотрудники Макмастерского университета и Института Пастера. Чумная палочка была причиной нескольких эпидемий, среди которых наиболее известны Юстинианова чума и Чёрная смерть. Но чумная палочка живёт не только в людях. Её природный резервуар – различные грызуны, от сурков до крыс, от которых на людей её переносят блохи. Грызуны от чумной палочки тоже страдают, и довольно тяжело. У неё есть ген pla, кодирующий фермент, который во многом обуславливает тяжесть заболевания. Ген pla сидит на плазмиде – небольшой кольцевой ДНК, обособленной от большой бактериальной хромосомы, на которой записана основная масса генов. Плазмиды бывают разными, некоторые присутствуют в клетке считанными единицами, других же, наоборот, в каждой бактериальной клетки есть множество копий. Ген pla принадлежит как раз многокопийной плазмиде. Но некоторое время назад было замечено, что у некоторых штаммов чумной палочки число копий pla невелико, и можно предположить, что вирулентность таких штаммов тоже будет слабее.

Исследователи вводили мышам штаммы чумной палочки, отличающиеся числом копий гена pla. Мыши со штаммами с малочисленным pla жили почти на два дня дольше, а смертность в целом падала со 100% до 85% по сравнению с мышами, которым вводили штаммы с множеством копий pla. Однако это касалось только тех случаев, когда бактерий вводили в лимфоузлы, чтобы сымитировать бубонную форму чумы. Если бактерий вводили в кровь или в лёгкие (для септической или лёгочной чумы, соответственно), то мыши погибали одинаково вне зависимости от того, какой был у них штамм. Исследователи описали молекулярный механизм, благодаря которому число копий pla снижается: условно говоря, ген pla как бы переезжает из многокопийной плазмиды в другую, которая присутствует в клетке только в одной копии.

Если сравнить геномы штаммов чумной палочки, которые блуждали по земле сотни и тысячи лет назад – а эти геномы прочитаны благодаря методам чтения древней ДНК – то можно увидеть, что одно из отличий касается как раз копий pla. У штаммов времён Юстиниановой чумы и Чёрной смерти число копий уменьшается, то есть в ходе эпидемий преимущество получали штаммы меньше вирулентности. Можно предположить, что преимущество у них возникало как раз потому, что заражать новых хозяев становилось всё труднее и труднее, и дело было не только и даже, наверно, не столько в сокращении численности людей, сколько в сокращении численности грызунов, которые чумой тоже болели. Чтобы добраться до здоровых соседей, крысы с бактерией должны были преодолеть большее расстояние, а штаммы повышенной вирулентности не давали им такого шанса. Современным штаммам чумной палочки, кстати, тоже свойственно небольшое число копий pla в геноме.

Всё это имеет смысл не только для чумной палочки и не только для бактерий. Зная механизм, который связывает изменения вирулентности с переменами в общей экосистеме, можно предположить, как будет вести себя вирус или бактерий в ближайшем будущем, хотя молекулярные подробности этого механизма могут быть очень разными.