МИКОПЛАЗМЫ: ВВЕДЕНИЕ
Интерес исследователей к микоплазмам определяется, с одной стороны, уникальностью биологии этих мельчайших прокариот, в структурной организации которых присутствуют черты, характерные для клеток высших эукариот, а с другой - связан с практической необходимостью. Многие микоплазмы - возбудители болезней человека, животных, растений. При этом один и тот же вид микоплазм может колонизировать клетки человека, животных и растений.
Микоплазменные контаминации клеточных культур, использующихся в научных исследованиях, могут приводить к ложной интерпретации экспериментальных данных, поскольку микоплазмы способны влиять практически на любой параметр клетки in vitro.
В девятом издании Определителя бактерий Берги все прокариоты распределены по группам, не имеющим таксономического статуса.
Группа 10 - микоплазмы. К ним относятся формы, у которых отсутствует клеточная стенка. Таксономическая значимость этого признака позволила все прокариоты, не имеющие клеточной стенки, выделить в группу, присвоив ей ранг отдела ( табл. 13 ). В девятом издании Определителя бактерий Берги микоплазмы отнесены к отделу Tenericutes , классу Mollicutes , порядку Mycoplasmatales (от греч. myce - гриб; plasma - плазма).
Отсутствие ригидной клеточной стенки повлекло за собой ряд морфологических, культуральных, цитологических особенностей, присущих этим микроорганизмам. Для них характерен ярко выраженный полиморфизм. В культуре одного вида можно одновременно обнаружить крупные шаровидные тела, мелкие зерна, клетки эллипсовидной, дискообразной, палочковидной и нитевидной формы. Последние могут ветвиться, образуя структуры, подобные мицелиальным. Для микоплазм описаны различные способы размножения: бинарное деление, фрагментация крупных тел и нитей, процесс, сходный с почкованием.
В культурах микоплазм обнаружены формы с наименьшими из всех известных клеточных микроорганизмов размерами. Поэтому вероятно, именно микоплазмы можно считать наиболее простыми самостоятельно воспроизводящимися системами. По проведенным подсчетам теоретически наименьшая структурная единица, способная к самостоятельному воспроизведению на искусственной среде, не может иметь размеры меньше, чем сферическое тело диаметром 0,15-0,20 мкм или нить длиной приблизительно 13 мкм и диаметром примерно 20 нм. Все эти структуры встречаются в культурах микоплазм и, вероятно, могут рассматривать как жизнеспособные репродуцирующиеся формы. По объему генетической информации, содержащейся в геноме, микоплазмы занимают промежуточное положение между Е.coli и Т-фагами .
Отсутствие клеточной стенки привело к развитию у микоплазм более стабильной и эластичной ЦПМ по сравнению с ЦПМ бактериальных протопластов . Важная роль в обеспечении этих свойсп принадлежит, по- видимому, холестерину - основному компоненту мембранных липидов паразитических микоплазм. Большая часть известных микоплазм для роста нуждается в экзогенном холестерине и других стеринах. Относительно недавно были обнаружены виды, не требующие для роста экзогенных стеринов. Это различие положено в основу деления порядка Mycoplasmatales на семейства Mycoplasmataceae и Spiroplasmataceae , в которых объединены стеринзависимые микоплазмы, и Acholeplasmataceae , куда вошли виды, не требующие для роста экзогенных стеринов. Oтсутствие клеточной стенки обусловливает еще одну отличительную особенность микоплазм - их нечувствительность к антибиотикам, специфически действующим на эубактериальную клеточную стенку, и в первую очередь к пенициллину и его аналогам.
Микоплазмы (особенно после обнаружения свободноживущих видов) представляют собой группу, чрезвычайно разнобразную с точки зрения физиолого-биохимических особенностей. Эти прокариоты могут расти на искусственных средах разной степени сложности (от простых минеральных сред до сложных органических) или только внутри организма-хозяина, из чего можно заключить, что диапазон их биосинтетических способностей весьма широк. Разнообразны и способы получения микоплазмами энергии. Среди них описаны виды, получающие энергию за счет окисления или сбраживания органических соединений (моно- и полисахаридов), а также, возможно, окисления неорганических соединений железа. Описаны микоплазмы, являющиеся строгими аэробами и облигатными анаэробами .
Если раньше считали, что микоплазмы - в основном формы, паразитирующие на человеке и высших животных, то теперь представление о способах существования и распространения этой группы прокариот в природе значительно расширено. Микоплазмы находят в почве и сточных водах, они выделены из каменного угля и горячих источников. Помимо свободноживущих форм, способных расти как на чисто минеральных средах, так и сапрофитно, описаны микоплазмы, существующие в различных симбиотических ассоциациях с бактериями, низшими грибами, растениями, птицами, высшими животными и человеком. Формы симбиоза также разнообразны. Иногда это, вероятно, комменсализм , в большинстве случаев - типичный паразитизм. Многие паразитические формы микоплазм патогенны. Они являются возбудителями заболеваний растений, животных и человека, например, Mycoplasma pneumoniae - возбудитель острых респираторных заболеваний и пневмоний у человека.
Представители семейства Mycoplasmataceae - хемоорганогетеротрофы , характеризующиеся высокими потребностями в питательных веществах. Энергетический метаболизм ферментативного или окислительного типа. Использование глюкозы происходит по гликолитическому пути . У микоплазм, осуществляющих полное окисление энергетического субстрата, обнаружен функционирующий ЦТК и цепь переносчиков электронов.
В состав семейства Acholeplasmataceae входит один род Achokplasma , насчитывающий 8 видов стериннезависимых микоплазм. Наиболее хорошо изучена Achokplasma laidlawii - первая сапрофитная микоплазма, выделенная в 1936 г. из сточных вод Лондона. Сейчас в составе рода объединены свободноживущие сапрофитные микоплазмы, микоплазмы-паразиты млекопитающих и птиц; некоторые из них, возможно, патогенны.
В третье семейство Spiroplasmataceae выделены микоплазмы, схожие с таковыми семейства Mycoplasmataceae , но отличающиеся своеобразной морфологией: в стадии роста среди разнообразных форм преобладают спиралевидные нити. Из листьев цитрусовых растений выделена Spiroplasma citri . Особенностью ее строения является часто обнаруживаемый на мембране наружный слой, который, возможно, представляет собой модифицированную клеточную стенку или структуру, весьма напоминающую последнюю.
В организме человека и животных микоплазмы могут вызывать острые респираторные и урогенитальные инфекции, обусловливающие отягощенный акушерский анамнез (в том числе патологию и внутриутробную гибель плода), активировать многие вирусы, в том числе онкогенные и ВИЧ, способствовать развитию иммунопатологии. Подавление микоплазменных инфекций представляет проблему. При правильном подборе антибиотиков развитие микоплазменных инфекций человека можно подавить, но антибиотикотерапия, приводящая к клиническому благополучию, вовсе не обязательно обеспечивает удаление возбудителя из организма. Под влиянием факторов, ослабляющих иммунный статус организма, микоплазмы могут снова активироваться. Кроме того, селективное давление антибиотиков способствует размножению штаммов микоплазм, устойчивых к этим антибиотикам.
Успешная реализация геномных проектов позволила в значительной мере приблизиться к возможности описания метаболизма мельчайшей самореплицирующейся клетки в терминах молекулярной биологии - цели программы, предложенной американским исследователем Дж. Моровитцем в 1984 г. Почти полвека назад в отношении микоплазм как примитивных форм жизни была выдвинута концепция минимальной клетки. Малый размер генома обусловливает ограниченные биосинтетические возможности микоплазм и соответственно зависимость их от высших организмов. Компактность генома микоплазм отражает паразитический образ их жизни. Воз- можность использования "готовых" компонентов метаболизма, вероятно, способствовала утрате в процессе эволюции микоплазм генов, кодирующих ферменты многих ассимиляционных процессов.
Выполнение геномных проектов внесло существенный вклад в понимание биологии микоплазм и представления об эволюции этих микроорганизмов. К настоящему времени получено генетическое обоснование того, что микоплазмы являются ветвью грамположительных бактерий. Они образовались в процессе регрессивной эволюции, связанной с редукцией генома.
Принятая в настоящее время систематика микоплазм пока лишь отчасти основана на современных представлениях о филогении этих микроорганизмов. Дальнейшие исследования структуры геномов различных представителей класса Mollicutes, должны решить вопрос о перегруппировке существующих таксонов.
В процессе эволюции и адаптации к паразитическому образу жизни микоплазмы обрели механизмы фенотипической пластичности, направленные на преодоление иммунного контроля в организме хозяина. Молекулярные основы этих механизмов связаны с наличием в геноме микроорганизмов высокомутабильных модулей, обеспечивающих вариабельность структуры поверхностных белков. Значительная часть генома микоплазм кодирует белки, определяющие процессы адгезии и антигенной вариабельности. При отсутствии клеточной стенки и периплазматического пространства основную массу плазматической мембраны микоплазм составляют липопротеины. Эти поверхностные компоненты являются основными антигенами микоплазм. Возможность изменять <узор> поверхностных антигенных детерминант (в результате высокочастотной вариации длины соответствующих генов и их переключения) позволяет микоплазмам избегать атаки антител и ускользать от воздействия иммунной системы хозяина.
Взаимодействие микоплазм с иммунной системой может приводить к развитию глубоких патологических процессов в организме. Микоплазмы обладают способностью иммуномодуляции и могут как стимулировать, так и супрессировать реакции иммунной системы. Подобные процессы могут возникать из-за непосредственного воздействия микоплазм на иммуноци-ты, а также вследствие индукции ими различного спектра цитокинов. У некоторых микоплазм обнаружены митогенньге компоненты.
Микоплазмы отнесены к условно-патогенным микроорганизмам, которые вызывают главным образом латентные инфекции. Для этих инфекций характерно хроническое течение, причем исчезновение симптомов инфекции не означает элиминации микоплазм из организма. Следствием перенесенной микоплазменной инфекции часто является длительная (а иногда и пожизненная) персистенция микоплазм в организме. Микоплазменные инфекции могут быть индикатором дистресса организма, возникающего в связи с массированным воздействием биотических и абиотических стрессоров в условиях антропогенных перегрузок.
В основе патогенеза, развивающегося вследствие персистенции микоплазм и у человека, и у животных, и у растений, лежит окислительный стресс, обусловливающий неспецифичные патологические реакции. Молекулярные механизмы защиты самих микоплазм от воздействия окислительного стресса пока не выяснены, в клетках микоплазм не обнаружены известные системы антиоксидантной защиты. Это позволяет предполагать, что микоплазмы используют нетрадиционные способы защиты от окислительного стресса. Выяснение механизмов быстрого реагирования на окислительный стресс и регуляции стрессорного ответа у микоплазм имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение. Следствием хронического окислительного стресса у человека и млекопитающих являются перманентное повреждение эндотелия кровеносных сосудов, микротромбозы, нарушение микроциркуляции и развитие иммунопатологии. При этом степень выраженности соответственных патологических реакций у разных индивидуумов при персистенции микоплазм существенно различается. Подобные процессы возникают, как известно, и при персистенции ряда других микроорганизмов (например, Helicobacter pylori, Chlamydia trachomatis, цитомегаловируса и некоторых других). В связи с этим микоплазменные инфекции, как и другие персистирующие инфекции, могут быть факторами риска развития атеросклероза, коронарной болезни и инфаркта миокарда. Представители класса Mollicutes в отличие от многих других микроорганизмов обладают разнообразными средствами воздействия на сигнальные системы инфицированных клеток эукариот, так что колонизация клеток тканей эукариот микоплазмами может как вызывать, так и не вызывать патологические реакции. Подобные проявления колонизации паразитами тканей макроорганизма, характерные для различных возбудителей персистирующих инфекций, в принципе противоречат парадигме микробного патогенеза, основанной на постулатах Коха. В связи с этим в настоящее время исследователи переходят от дискуссии о необходимости смены парадигмы микробного патогенеза, основанной на постулатах Коха, к разработке новой. Вероятно, в ней будут учтены генетическая детерминированность сигнальных сетей организмов и взаимодействия их в системе паразит-хозяин.
Широкое распространение микоплазм в природе свидетельствует в пользу того, что в эволюционном плане они являются весьма преуспевающими микроорганизмами. Кроме того, микоплазмы эволюционируют сравнительно быстро. Не исключено, что процессы видообразования у микоплазм могут происходить в очень короткие временные отрезки, не привычные для представления об эволюционных темпах изменчивости и видообразования. Предполагают, что эволюция микоплазм ориентирована на эндосимбиоз. Косвенным свидетельством этому может служить обнаруженный нами в системе in vitro (а позднее сотрудниками лаборатории проф. Sh. С. Lo (США) в системе in vivo) факт специфической индукции микоплазмами геномных перестроек в коротком плече 6-й хромосомы (в частности, в сайтах ГКГС) человека. Из-за высокой скорости собственной эволюции микоплазмы могут быть немаловажным фактором эволюции биосферы. Персистенция микоплазм может приводить к заметным сдвигам в генетической структуре популяции организмов, поскольку генетически опосредованные восприимчивость и чувствительность к микоплазменным инфекциям оборачиваются серьезными патологиями организма и, как правило, нарушают его репродуктивные функции.
