Введение
В процессе длительной коэволюции бактерий и человека в нашем организме закрепилось порядка 1000 видов бактерий, населяющих слизистые оболочки. У организма-хозяина сформировались механизмы для поддержания количественных и качественных характеристик микробиоты на том уровне, на котором она является наиболее благоприятной для совместного сосуществования. Главной ступенью на пути к этому было формирование иммунной системы слизистых оболочек, которая при поддержании адаптивного иммунного ответа на патогенные бактерии одновременно пребывала бы в состоянии толерантности к комменсальным и симбиотическим бактериям. Путем фагоцитоза бактерии способны обмениваться генетическим материалом с клетками человека, в результате чего микробиота приобретает рецепторы и другие антигены, присущие хозяину и делающие ее невидимой для иммунной системы. Эпителиальные ткани в результате такого обмена приобретают бактериальные антигены [1].
Баланс микрофлоры может быть нарушен под действием различных факторов, в том числе мутагенов и канцерогенов окружающей среды, вызывающих трансформацию состава микробиоты в «агрессивную» форму. Например, чрезмерное применение антибактериальных препаратов, ксенобиотики в продуктах питания, неправильное использование слабительных средств, а также профессиональные вредности способны влиять на состояние микрофлоры, вызывая в конечном итоге количественные и качественные изменения привычного таксономического состава бактериальной микробиоты в конкретной локации. Стоит отметить, что в результате травм или заболеваний, сопровождающихся нарушением метаболических процессов в органе (гипоксия, дистрофия, атрофия и т. д.), меняется метаболизм бактериальной микрофлоры, что также ведет к изменению ее таксономического состава. Сдвиги таксономических бактериальных профилей могут быть диагностическими показателями течения каких-либо заболеваний.
Микрофлора способна индуцировать и модулировать мутационный процесс в клетках организма-хозяина [2]. Наибольшую активность в данном случае могут проявлять бактериальные токсины. Они являются главными эффекторами повреждений молекулы ДНК, которые обусловливают возникновение серьезных изменений в ходе клеточного цикла. К бактериальным токсинам относятся генотоксины, а также отдельные мета-болиты микроорганизмов, образуемые в результате их жизнедеятельности.
Известны 3 бактериальных генотоксина, способных напрямую индуцировать мутации в клетках хозяина. Генотоксин, продуцируемый штаммами Escherichia сoli филогенетической группы B2, — колибактин [3], цитотолетальный растягивающий токсин (CDT), производимый рядом грам-отрицательных бактерий (Escherichia coli, Aggregatibacter actinomycetemcomitans, Haemophilus ducreyi, Shigella dysenteriae, Campylobacter jejuni, Helicobacter spp.) [4], и тифозный токсин (ТТ), продуцируемый Salmonella enterica serovar typhi [5]. Последние 2 генотоксина являются белками и имеют одинаковую активную субъединицу (cdtB), которая является функциональным и структурным гомологом ДНКазы I млекопитающих [6]. Этот фермент способен расщеплять ДНК как в виде голой плазмиды [7], так и в высокоорганизованной форме ДНК эукариот [8]. Колибактин имеет пептид-поликетидную природу [3]. Колибактин и CDT действуют в течение G2/M фаз клеточного цикла, вызывая мутации и препятствуя точной репликации ДНК.
Помимо генотоксинов, существуют и другие бактериальные эффекторы повреждений ДНК в клетках эукариот [9—11]. В этих случаях мутагенез в клетках организма-хозяина связан с оксидативным стрессом либо иммунной модуляцией клеток организма-хозяина.
В современной медицинской микробиологии наблюдается резко нарастающее число исследований микробиоты человека в контексте анализа корреляций ее состава и динамики с метаболическими и воспалительными заболеваниями мультифакториального генеза, различными формами рака. Бактерии способны влиять на патогенетические процессы, протекающие в ходе заболевания, продуцируя эффекторы повреждения ДНК в клетках организма-хозяина или модифицируя способность организма к метаболизму мутагенов и канцерогенов.
В данном обзоре мы представляем фактологию и гипотезы о способности патогенных и комменсальных бактерий с генотоксическим потенциалом приводить к онкологическим заболеваниям. Далее будут рассмотрены отдельные органы, в канцерогенезе которых известно влияние бактерий, способных повреждать ДНК клеток хозяина. Поиск соответствующих исследований проводили в PubMed, Google Scholar и Science Direct.
Кишечник
Изменению состава кишечной микробиоты у больных с воспалительными заболеваниями кишечника посвящено множество исследований. С болезнью Крона и язвенным колитом ассоциированы инвазивные штаммы E. coli, K. pneumonia и Helicobacter spp., а с колоректальным раком — B. fragilis, pks + E. coli, E. faecalis. [12—16]. В работе Y. Zhou и соавт. было показано, что в опухолевых тканях пациентов, страдающих колоректальным раком (CRC), повышено количество E. faecalis и B. fragilis по сравнению с тканями толстой кишки здоровых доноров [16]. Также выполнены исследования, показывающие, что у пациентов с CRC происходит увеличение доли бактерий, относящихся к родам Enterococcus, Escherichia, Shigella, Peptostreptococcus, Streptococcus, Klebsiella и группе Bacteroides-Prevotella по сравнению с контролем. Кроме того, было отмечено истощение видов бактерий, принадлежащих к семейству Lachnospiraceae [17, 18]. Важно отметить, что практически все бактерии, ассоциированные с представленными выше заболеваниями, обладают способностью повреждать ДНК. Так, например, некоторые штаммы B. fragilis могут вырабатывать энтеротоксин (Bft), который вызывает острое диарейное заболевание, а также связан с колоректальным раком [19]. В результате воспалительного процесса, вызванного B. fragilis, происходит повышение уровня катаболического фермента сперминоксидазы, который активируется воспалением и генерирует свободные формы кислорода (ROS). Показано, что Bft действует косвенно, вызывая высокие уровни ROS, которые в свою очередь повреждают ДНК клеток хозяина [20]. Еще один распространенный кишечный комменсал E. faecalis, входящий в состав нормальной микрофлоры пищеварительного тракта человека, продуцирует внеклеточный супероксид, а также такие производные ROS, как перекись водорода и гидроксильный радикал. Следовательно, инфицирование E. faecalis способно приводить к геномной нестабильности в клетках кишечника [21]. Как уже упоминалось выше, E. coli и Helicobacter spр. продуцируют бактериальный генотоксин CDT. Данный токсин индуцирует разрывы ДНК и приводит к остановке клеточного цикла, либо к гибели клеток в зависимости от их типа или от используемой дозы токсина. Помимо прямого генотоксического действия, CDT оказывает сильное влияние на физиологию инфицированных клеток (воспаление, модуляция иммунного ответа, повреждение тканей) и, следовательно, он может потенциально быть вовлечен в развитие некоторых форм рака [22].
Последние исследования микрофлоры кишечника у больных с аденомой также показали значимое изменение таксономического состава бактерий по сравнению с контролем [23]. Изучение бактериальных профилей в резецированных тканях аденокарцином толстого кишечника и прилегающих здоровых тканях показало увеличение видов бактерий, относящихся к типу Bacteroidetes, и уменьшение количества видов типа Firmicutes в опухолевых тканях по сравнению с контролем [24]. V. Hale и соавт. указывают на тот факт, что особенности кишечной среды у больных с аденомой способствуют поддержанию роста бактерий, устойчивых к желчи, таких как Bilophilia и Desulfovibrio. Эти виды способны продуцировать воспалительные метаболиты, обладающие генотоксической активностью (сероводород и вторичные желчные кислоты), которые в свою очередь могут играть роль в катализе развития аденомы и, в конечном итоге, рака ободочной кишки [23].
Постепенно накапливаются доказательства, указывающие на то, что дисбактериоз (дисбиоз) кишечника способствует производству генотоксинов и метаболитов, связанных с мутагенезом и канцерогенезом, а также индуцирует дисрегуляцию иммунного ответа [25]. В качестве примера влияния дисбиоза на чувствительность клеток организма-хозяина к действию ДНК-повреждающих факторов можно привести результаты модельного эксперимента I. Maier и соавт. [26], где проводили облучение мышей, различающихся по составу кишечной микробиоты (CM — нормальный состав, RM — ограниченный состав), протонами с высокой линейной передачей энергии. Оказалось, что частота радиационно-индуцированных повреждений ДНК была значимо выше в лимфоцитах крови мышей, имеющих редуцированную микробиоту кишечника. Авторы делают вывод о том, что модельная линия мышей с RM более подвержена радиационно-индуцируемым повреждениям хромосом вследствие дисбиоза микрофлоры, которая не может должным образом «инструктировать» клетки хозяина о необходимости запуска репарации ДНК.
Респираторный тракт
В результате исследований, сравнивающих респираторную микробиоту у больных с различными заболеваниями легких и здоровых людей, также были обнаружены значительные различия в составе микробного сообщества [27]. Описано увеличение количества видов при хронических заболеваниях воздухоносных путей, чаще со сдвигом в составе сообщества от типа Bacteroidetes, доминирующего в микробиоме здоровых легких, к типу Proteobacteria, содержащему множество родственных легочных грамотрицательных бактерий. Недавние исследования показали, что некоторые отдельные бактерии, а также дисбиоз респираторной микробиоты коррелируют с развитием рака легких [28]. Ранее S. Laroumagne и соавт. [29] обнаружили повышенное присутствие некоторых грамотрицательных бактерий в респираторном тракте больных раком легкого, таких как Haemophilus influenzae, Enterobacter spp. и E. coli. Было выявлено значимое увеличение представителей родов Capnocytophaga, Selenomonas и Veillonella с одновременным уменьшением представительства Neisseria и Streptococcus в слюне пациентов с раком легкого по сравнению с контролем. Последующая валидация результатов показала, что увеличение содержания в слюне Capnocytophaga и Veillonella может служить потенциальным биомаркером для выявления рака [30].
Результаты нескольких исследований указывают на возможную роль бактерий в стимулировании развития рака легких. Например, таким фактором может быть повышенная бактериальная колонизация при хронической обструктивной болезни легких (ХОБЛ) [31], которая является известным фактором риска для развития рака легких. Уже существуют доказательства того, что бактерии, присутствующие в легких и респираторном тракте, играют роль в этиологии доброкачественных заболеваний дыхательных путей: ХОБЛ и бронхиальной астмы [32, 33]. В частности, у пациентов, страдающих тяжелой формой ХОБЛ, было обнаружено существенное изменение бактериального состава легких по сравнению со здоровыми индивидами [34, 35]. Повышенная секреция слизи, характерная для респираторной патологии, приводит к появлению локальных очагов повышенной температуры, понижает снабжение этих участков кислородом, что также избирательно благоприятствует росту известных болезнетворных бактерий [36]. Кроме того, было показано, что генерация катехоламинов и воспалительных цитокинов, наблюдаемая при респираторных заболеваниях, способствует росту отдельных видов бактерий, обладающих ДНК-повреждающим действием (например, P. aeruginosa, S. pneumoniae, Staphylococcus aureus, E. coli) [37—39]. S. pneumoniae — грамположительный факультативный анаэроб, некоторые штаммы которого могут нести ген пируватоксидазы (SpxB). Колонизация этих штаммов сопровождается усиленной секрецией перекиси водорода, приводящей к эндогенному окислительному стрессу, с последующей индукцией двунитевых разрывов ДНК (DSB) и апоптоза [40]. Также известно, что токсин пневмолизин, высвобождающийся во время бактериального лизиса, способен индуцировать DSB. Повреждение ДНК, вызванное токсином, предшествует остановке клеточного цикла и вызывает апоптоз [41]. P. aeruginosa — грамотрицательная условно-патогенная бактерия. Генотоксическим эффектором P. aeruginosa является один из ее экзотоксинов ExoS, который вводится в цитоплазму клетки-хозяина через систему секреции III типа (T3SS) [42, 43]. Дальнейшее перемещение токсина к ядру клетки происходит через эндосомы, эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи. Сам ExoS не обладает нуклеазной активностью, но характеризуется GTPase-активирующим белком (GAP) активности и доменом ADP-рибозилтрансферазы (ADP-RT). Конечные механизмы, приводящие к повреждению ДНК под воздействием инфекции P. aeruginosa, остаются неизвестными. Не исключается, что активные радикалы кислорода и азота могут играть роль в образовании DSB [42]. В связи со способностью P. aeruginosa повреждать ДНК в клетках млекопитающих интересным представляется недавнее сообщение о присутствии синегнойной палочки в опухолевой ткани больных плоскоклеточной карциномой слизистой оболочки рта [44].
Состав микробиома мокроты как возможного источника неинвазивных бактериальных биомаркеров для выявления рака легких был определен в недавнем исследовании. Было показано увеличение содержания в мокроте больных с подтвержденным диагнозом рака легкого представителей Streptococcus viridans и 16 других видов бактерий, включая Neisseria gonorrhoeae, которые были выявлены только в мокроте больных раком легкого, но не в контроле [45]. Инфицирование N. gonorrhoeae вызывает двойные и одиночные разрывы ДНК, с образованием репарационных фокусов, содержащих γH2AX и 53BP1. Кроме этого, наблюдается повышение уровней p21 и р27 ингибиторов циклинзависимой киназы, в то время как увеличения уровня р53 не происходит. Все это в конечном итоге приводит к задержке инфицированных клеток на стадии G1, способствуя тем самым выживаемости клеток хозяина, несмотря на присутствие повреждений ДНК, что в свою очередь может стимулировать их злокачественную трансформацию [46].
Желудок
Рак желудка является ярким примером бактериального канцерогенеза, что связано с инфицированием H. pylori половины населения Земли. Эта бактерия отнесена международным агентством исследований рака (IARC) к канцерогенам 1-го класса, может приводить к развитию гастрита, язвенной болезни желудка и в конечном итоге к раку желудка, двенадцатиперстной кишки, лимфоме, а также аденокарциноме желудка [47—49]. Поселяясь на слизистой оболочке желудка, H. pylori вызывает пожизненное воспаление, предрасполагающее к геномной нестабильности и повреждениям в ДНК хозяина.
M. Arabski и соавт. [50] заключили, что инфекция H. pylori связана с окислительным стрессом, вызывающим накопление повреждений ДНК в клетках-мишенях, и что эти события можно рассматривать как маркер риска возникновения рака желудка, связанного с инфекцией. Было показано, что вирулентные (CagA+, VacA+ и NapA+) штаммы H. pylori индуцируют более высокие уровни экспрессии провоспалительных цитокинов TNF-α, IL-1β и IL-8, которые вызывают окислительный стресс и окислительные повреждения ДНК в инфицированной слизистой оболочке, тем самым способствуя геномной нестабильности и канцерогенезу [50, 51]. Окислительный стресс, вызванный H. рylori, может быть также вызван способностью индуцировать мутагенез в митохондриальной ДНК [52] либо продукцией бактерий свободных форм кислорода (ROS) [53].
Желчный пузырь
Рак желчного пузыря был ассоциирован с хронической инфекций Salmonella typhi [54, 55], в том числе с Salmonella enterica serovar typhi, которая, как указывалось выше, может продуцировать тифозный генотоксин, способный повреждать ДНК[5].
D. Zhou и соавт. [56] был проведен метаанализ 10 исследований; авторы показали, что существует тенденция увеличения колонизации Helicobacter spp. у пациентов с раком желчных путей по сравнению с нормальным контролем или с доброкачественными желчными заболеваниями. Кроме того, было установлено, что виды Helicobacter могут играть роль в патогенезе гепатобилиарного рака посредством ускорения кинетики билиарных клеток [57]. Антитела против связанных с H. pylori антигенов могут быть прогностическим фактором увеличения заболеваемости раком желчных путей [58]. О генотоксических свойствах H. pylori упоминалось выше.
Молочная железа
В качестве еще одного примера бактериального канцерогенеза можно привести результаты сравнительного изучения бактериальных профилей образцов ткани молочной железы, полученных от женщин с раком молочной железы и от здорового контроля, опубликованные в 2016 г. Оказалось, что женщины с раком имели в опухолевой ткани более высокое число бактерий семейств Bacillus, Enterobacteriaceae и Staphylococcus по сравнению с образцами, полученными от здоровых женщин, а также по сравнению с собственными образцами, отобранными из здоровых тканей, расположенных в непосредственной близости от опухоли. Из опухолевой ткани были выделены потенциально опасные штаммы E. coli и Staphylococcus, после чего было продемонстрировано, что они успешно индуцируют двойные разрывы ДНК в клетках HeLa [59].
Заключение
Следует подчеркнуть, что с учетом длительной коэволюции микробиоты с высшими организмами, влияние бактериальной микрофлоры на стабильность генома хозяина не является неожиданным. Бактерии используют различные стратегии для обеспечения собственной выживаемости и репликации, в том числе путем подавления репарации ДНК клеток хозяина, способствуя выживаемости инфицированных клеток, несмотря на наличие в них повреждений ДНК. Таким образом, можно говорить о том, что индуцируемые микробиотой генотоксические эффекты являются своеобразным «побочным продуктом» реализации этих бактериальных стратегий в организме хозяина. Тем не менее такая «побочность» не умаляет той роли, которую играет мутагенез, индуцируемый и (или) модулируемый бактериями.
Приведенные выше примеры изменений таксономического состава микробиоты, сопровождающих патологические состояния разных органов и систем, приводят к пониманию того факта, что при определенных заболеваниях микрофлора пораженных органов может быть обогащена бактериями, имеющими генотоксический (ДНК-повреждающий) потенциал воздействия на клетки организма-хозяина.
Не вызывает сомнения тот факт, что микробиота связана с канцерогенезом в различных тканях и органах. Изменения бактериального состава могут отражать течение конкретных патологических процессов, или наоборот, наличие заболевания может приводить к трансформации состава микробиоты, делая ее «агрессивной». Долговременная колонизация органа определенными видами бактерий, вызывающими локальный генотоксический стресс, может стать причиной клеточной трансформации и в конечном счете привести к раку. Генотоксический стресс в свою очередь может быть следствием хронического воспаления, вызванного бактериями, накопления их метаболитов в тканях и органах. Такие метаболиты, как активные формы кислорода и генотоксины, приводят к увеличению повреждений ДНК и блокировке систем репарации. Одной из главных причин бактериального канцерогенеза также может быть нарушение функций барьера, который не позволяет бактериям напрямую взаимодействовать с клетками хозяина. Сбой работы барьера приводит к увеличению прямых контактов микробиоты с клетками хозяина, что также может вызывать воспаление и запускать механизмы канцерогенеза, но и наоборот, воспаление и канцерогенез могут приводить к нарушению функций барьера.
Понимание причин и механизмов бактериального канцерогенеза в конкретном органе, вероятно, в ближайшем будущем сделает реальностью использование в медицинской практике учета состава бактериальной микрофлоры для прогнозирования и профилактики многих онкологических заболеваний.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 18−14−00022).
This work was supported by the Russian Science Foundation (Project No. â„–18−14−00022).
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
The authors declare no conflict of interest.
Сведения об авторах
Баранова Елизавета Дмитриевна — e-mail: baranova-lizett@kemsu.ru; https://orcid.org/0000-0001-9503-8500
Дружинин Владимир Геннадьевич — д.б.н., проф., зав. каф. генетики Кемеровского государственного университета; e-mail: druzhinin_vladim@mail.ru; https://orcid.org/0000-0002-5534-2062
Как цитировать:
Баранова Е.Д., Дружинин В.Г. Состав бактериальной микрофлоры человека: генотоксические и канцерогеннные эффекты, ассоциированные с его изменениями в различных органах. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2019;37(2):58-63.
Для корреспонденции: Баранова Елизавета Дмитриевна — e-mail: baranova-lizett@kemsu.ru; https://orcid.org/0000-0001-9503-8500