Международный коллектив ученых обнаружил токсин, убивающий палочки Коха, — его производят сами микробы. Палочки Коха, однако, умеют делать и противоядие, которое нейтрализует их собственный токсин. Вооружившись этим знанием, ученые придумали рецепт лекарства от туберкулеза: оно должно сделать так, чтобы антитоксин палочек Коха не мог нейтрализовать токсин палочек Коха, и палочки Коха убивали бы себя сами.
Комплекс «токсин—антитоксин». Синяя молекула — токсина, желтая антитоксина.
В связанном состоянии антитоксин блокирует активный центр токсина (красный квадрат),
не давая ему соединиться с НАД+. Красная нить цепь 11 аминокислот, которая связывается с НАД+
© Freire et al., Molecular Cell (2019) / CC BY-NC-ND 4.0
Система «токсин—антитоксин» есть у многих бактерий, например у дифтерийной и кишечной палочек. Считается, что эта система помогает микробам выживать в неблагоприятных условиях, например при нехватке пищи. Токсин убивает «лишние рты», позволяя выжить колонии в целом, и, возможно, служит для защиты от бактериофагов, убивая клетки, которые уже заражены вирусом. Система основана на действии пары белков, один из которых смертельно опасен для бактерии, а другой всегда связан с ним и мешает работать, то есть убивать хозяина. Под действием неблагоприятных факторов антитоксин расщепляется, токсин получает свободу, и микробы травят себя и друг друга.
У туберкулезной палочки (Mycobacterium tuberculosis) тоже есть такая система. Туберкулезом в 2017 году заболело 10 миллионов человек в мире, а умерло 1,6 миллиона. Россия входит в список лидеров по заболеваемости формой туберкулеза с множественной лекарственной устойчивостью вместе с Индией и Китаем — на долю трех стран приходится почти половина всех новых случаев. Неудивительно, что медикам очень интересно узнать, что доводит возбудителя болезни до самоубийства. Этим вопросом занялись ученые из Германии, Франции, США и Великобритании.
Изучив молекулу токсичного белка и сравнив ее с аналогами у других бактерий, ученые пришли к выводу, что перед ними НАД+ фосфорилаза. Это значит, что молекула токсина, получившего название MbcT, умеет связываться с молекулой никотинамидадениндинуклеотида (НАД+), кофермента, который участвует в переносе электронов в дыхательной цепи. Токсин, связавшись с НАД+, ломает его молекулу на две части — АДФ и никотинамид, нарушая дыхание бактерии. Можно сказать, что токсин приводит к смерти бактерии от удушья. Но если с молекулой токсина связан антитоксин, или MbcA, то активный центр токсина не может взаимодействовать с НАД+.
Авторы работы сделали мутанта палочки Коха «на поводке». У бактерии отключили оперон (участок генома бактерии, кодирующий несколько совместно работающих белков), кодирующий и токсин, и антитоксин, и поместили в нее плазмиду, снаряженную копией гена, кодирующего только родной для туберкулезных палочек токсин, и системой контроля его экспрессии, которую можно запускать, добавляя в питательную среду ангидротетрациклин. После этого они посмотрели, как чувствуют себя мутанты с индуцированным геном токсина по сравнению с диким типом палочки Коха, который никаким манипуляциям не подвергался. После включения во вредной плазмиде гена токсина размер бактериальных колоний сильно сжимался — на 95% за девять дней.
После этого исследователи перешли к экспериментам с клетками человека. Культуру человеческих макрофагов заразили ручными мутантами туберкулеза и дали им порезвиться там два дня. После этого ученые снова использовали ангидротетрациклин и включили ген токсина. Мутанты стали умирать, и через семь дней их стало в 1000 раз меньше.
Затем мутантами заразили мышей с иммунодефицитом. Дикие микробы, которым тоже добавили антибиотик, запускающий работу гена токсина, и мутанты, которых никто не остановил, убили всех мышей за 30 дней. Мыши же, зараженные мутантами, которых стреножили индукцией гена, прожили на 10 дней больше.
Опыты пошли дальше, и мутантов испытали на мышах с нормальным иммунитетом. Мышей заразили диким типом и мутантами, и болезнь развивалась 21 день, пока количество микробов в мышиных легких не достигло плато. Чахоточных грызунов стали лечить разными способами: только антибиотиком, которым включают ген токсина, только изониазидом (самое распространенное лекарство от туберкулеза на сегодняшний день) и наконец и тем и другим сразу.
Токсин и изониазид показали синергетический эффект — вместе они убивали палочек Коха лучше, чем можно было бы ждать, просто сложив их эффективность по отдельности. Под действием только собственного токсина за десять дней бактерии потеряли в численности пятикратно, изониазид проредил их ряды в десять раз, а их совместное воздействие убило 99% мутантов Коха.
Сейчас предстоит выяснить, как можно сделать так, чтобы антитоксин туберкулезных палочек не мог связаться с молекулой токсина и помешать той разрушать молекулы НАД.
Статья опубликована в журнале Molecular Cell
