Yersinia pestis ( Y. pestis ; ранее Pasteurella pestis ) — грамотрицательная , неподвижная , коккобактерия без спор, родственная как Yersinia enterocolitica , так и Yersinia pseudotuberculosis , возбудителю, из которогопроизошел Y. pestis [1] [2] и ответственен за дальневосточную скарлатоподобную лихорадку . Это факультативный анаэробный организм , который может заразить человека через восточную крысиную блоху ( Xenopsylla cheopis ). [3] Он вызывает болезнь чума , которая вызвала Юстинианову чуму и Черную смерть , самую смертоносную пандемию в зарегистрированной истории. Чума принимает три основные формы: легочную , септицемическую и бубонную . Yersinia pestis является паразитом своего хозяина, крысиной блохи , которая также является паразитом крыс, следовательно, Y. pestis является гиперпаразитом .
Y. pestis был обнаружен в 1894 году Александром Йерсеном , швейцарско-французским врачом и бактериологом из Института Пастера , во время эпидемии чумы в Гонконге . [4] [5] Йерсен был членом школы Пастера . Поиском возбудителя чумы в то время занимался также Китасато Сибасабуро , японский бактериолог, практиковавший методологию Коха . [6] Однако Йерсен фактически связал чуму с бациллой, первоначально названной Pasteurella pestis ; в 1944 году он был переименован в Yersinia pestis .
Ежегодно во Всемирную организацию здравоохранения по-прежнему сообщается от одной до двух тысяч случаев чумы . [7] При правильном лечении антибиотиками прогноз для пострадавших намного лучше, чем до того, как были разработаны антибиотики. Пяти-шестикратное увеличение числа случаев произошло в Азии во время войны во Вьетнаме , возможно, из-за нарушения экосистем и более тесной близости между людьми и животными. В настоящее время чума широко распространена в странах Африки к югу от Сахары и на Мадагаскаре, где сейчас приходится более 95% зарегистрированных случаев. Чума также оказывает пагубное воздействие на млекопитающих, кроме человека; [8] в Соединенных Штатах к ним относятся чернохвостая луговая собачка и находящийся под угрозой исчезновения черноногий хорек .
Y. pestis — неподвижная коккобацилла , факультативная анаэробная бактерия с биполярным окрашиванием (придающим ей вид английской булавки ), которая образует антифагоцитарный слой слизи. [9] Как и другие виды иерсиний , он дает отрицательный результат на уреазу , ферментацию лактозы и индол . [10] Его ближайшими родственниками являются желудочно-кишечный возбудитель Yersinia pseudotuberculosis и, более отдаленные, Yersinia enterocolitica . [ нужна цитата ]
Доступно несколько полных последовательностей генома для различных штаммов и подвидов Y. pestis : штамм KIM (биовара Y.p. Medievalis ) [11] и штамм CO92 (биовара Y.p. orientalis , полученный из клинического изолята в Соединенные Штаты). [12] В 2006 году было завершено секвенирование генома штамма биовара Antiqua . [13] Некоторые штаммы непатогенны, например штамм 91001 , последовательность которого была опубликована в 2004 году. [14]
Подобно Y. pseudotuberculosis и Y. enterocolitica , Y. pestis является хозяином плазмиды pCD1 . Он также содержит две другие плазмиды, pPCP1 (также называемые pPla или pPst) и pMT1 (также называемые pFra), которые не передаются другими видами Yersinia . pFra кодирует фосфолипазу D , которая важна для способности Y. pestis передаваться блохами. [15] pPla кодирует протеазу Pla , которая активирует плазмин у человека-хозяина и является очень важным фактором вирулентности легочной чумы. [16] Вместе эти плазмиды и остров патогенности , называемый HPI, кодируют несколько белков, которые вызывают патогенез, которым известен Y. pestis . Помимо прочего, эти факторы вирулентности необходимы для бактериальной адгезии и инъекции белков в клетку-хозяина, инвазии бактерий в клетку-хозяина (через систему секреции типа III ), а также приобретения и связывания железа, полученного из эритроцитов ( сидерофоры ) . Считается, что Y. pestis произошел от Y. pseudotuberculosis , отличаясь только наличием специфических плазмид вирулентности. [ нужна цитата ]
Комплексный и сравнительный протеомный анализ штамма KIM Y. pestis был проведен в 2006 г. [17] Анализ был сосредоточен на переходе к условиям роста, имитирующим рост клеток-хозяев. [ нужна цитата ]
Было обнаружено, что многочисленные бактериальные малые некодирующие РНК выполняют регуляторные функции. Некоторые из них могут регулировать гены вирулентности. Около 63 новых предполагаемых мРНК были идентифицированы посредством глубокого секвенирования мРНК-ома Y. pestis . Среди них был Yersinia -специфичный (также присутствующий у Y. pseudotuberculosis и Y. enterocolitica ) Ysr141 ( малая РНК Yersinia 141). Было показано, что мРНК Ysr141 регулирует синтез эффекторного белка системы секреции типа III (T3SS) YopJ. [18] Yop-Ysc T3SS является важнейшим компонентом вирулентности для видов Yersinia . [19] Многие новые мРНК были идентифицированы из Y. pestis, выращенного in vitro и в инфицированных легких мышей, что позволяет предположить, что они играют роль в физиологии и патогенезе бактерий. Среди них предсказано, что sR035 будет спариваться с областью SD и сайтом инициации транскрипции термочувствительного регулятора ymoA, а sR084, как предсказано, будет спариваться с мехом, регулятором поглощения железа . [20]
В городском и лесном (лесном) циклах Y. pestis большая часть распространения происходит между грызунами и блохами. В лесном цикле грызун является диким, но в городском грызуном является преимущественно бурая крыса ( Rattus norvegicus ). Кроме того, Y. pestis может распространяться из городской среды и обратно. Передача человеку обычно происходит через укус зараженных блох. Если заболевание перешло в легочную форму, люди могут передать бактерию другим людям при кашле, рвоте и, возможно, чихании. [ нужна цитата ]
Несколько видов грызунов служат основным резервуаром Y. pestis в окружающей среде. Считается , что в степях естественным резервуаром является в основном сурок . Считается, что на западе США несколько видов грызунов являются носителями Y. pestis . Однако ожидаемая динамика заболевания не была обнаружена ни у одного грызуна. Известно, что несколько видов грызунов обладают переменной устойчивостью, что может привести к бессимптомному статусу носителя . [21] Имеющиеся данные указывают на то, что блохи других млекопитающих играют роль в вспышках чумы среди людей. [22]
Недостаток знаний о динамике чумы у млекопитающих также характерен для восприимчивых грызунов, таких как чернохвостая луговая собачка ( Cynomys ludovicianus ), у которой чума может вызвать коллапс колонии, что приводит к массовому воздействию на пищевые сети прерий. [23] Однако динамика передачи инфекции среди луговых собачек не соответствует динамике заблокированных блох; Вместо этого могут иметь значение трупы, незаблокированные блохи или другой переносчик. [24]
Штамм CO92 был выделен от пациента, умершего от пневмонии и заразившегося от зараженной кошки. [12]
В других регионах мира резервуар инфекции четко не идентифицирован, что усложняет программы профилактики и раннего предупреждения. Один из таких примеров был зафиксирован во время вспышки заболевания в Алжире в 2003 году . [25]
Передача Y. pestis блохами хорошо изучена. [26] Первоначальное заражение Y. pestis переносчиком происходит во время кормления инфицированным животным. Затем несколько белков способствуют поддержанию бактерий в пищеварительном тракте блох, в том числе система хранения гемина и мышиный токсин иерсинии (Ymt). Хотя Ymt очень токсичен для грызунов и когда-то считалось, что он вырабатывается для обеспечения повторного заражения новых хозяев, он необходим для колонизации блох и выживания Y. pestis у блох. [15] [12]
Система хранения гемина играет важную роль в передаче Y. pestis обратно хозяину-млекопитающему. [27] В насекомом-переносчике белки, кодируемые генетическими локусами системы хранения гемина, индуцируют образование биопленки в преджелудке , клапане, соединяющем среднюю кишку с пищеводом . [28] [29] Наличие этой биопленки, вероятно, необходимо для стабильного заражения блох. [30] Агрегация в биопленке препятствует питанию, так как образуется масса свернувшейся крови и бактерий (называемая «блоком Бэко» в честь энтомолога А.В. Бако , первого описавшего это явление). [31] Передача Y. pestis происходит во время тщетных попыток блохи питаться. Проглоченная кровь перекачивается в пищевод, где она вытесняет бактерии, застрявшие в преджелудке, которые срыгиваются обратно в кровеносную систему хозяина. [31]
Патогенез, вызванный инфицированием хозяев-млекопитающих Y. pestis , обусловлен несколькими факторами, включая способность этих бактерий подавлять и избегать нормальных реакций иммунной системы , таких как фагоцитоз и выработка антител . Укусы блох позволяют бактериям проникать через кожный барьер. Y. pestis экспрессирует активатор плазмина , который является важным фактором вирулентности легочной чумы и может разрушаться на сгустках крови, способствуя систематической инвазии. [16] Многие факторы вирулентности бактерий имеют антифагоцитарную природу. Два важных антифагоцитарных антигена , названные F1 (фракция 1) и V или LcrV , оба важны для вирулентности . [9] Эти антигены производятся бактерией при нормальной температуре тела человека. Более того, Y. pestis выживает и продуцирует антигены F1 и V, находясь в лейкоцитах, таких как моноциты , но не в нейтрофилах . Естественный или индуцированный иммунитет достигается за счет продукции специфических опсонических антител против антигенов F1 и V; антитела против F1 и V индуцируют фагоцитоз нейтрофилов. [32]
Кроме того, система секреции типа III (T3SS) позволяет Y. pestis вводить белки в макрофаги и другие иммунные клетки. Эти белки, инъецированные T3SS, называемые внешними белками Yersinia (Yops), включают Yop B/D, которые образуют поры в мембране клетки-хозяина и связаны с цитолизом . YopO, YopH , YopM, YopT, YopJ и YopE вводятся в цитоплазму клеток -хозяев с помощью T3SS в пору, частично созданную YopB и YopD. [33] Инъецированные Yops ограничивают фагоцитоз и клеточные сигнальные пути, важные для врожденной иммунной системы , как обсуждается ниже. Кроме того, некоторые штаммы Y. pestis способны вмешиваться в передачу иммунных сигналов (например, предотвращая высвобождение некоторых цитокинов ). [ нужна цитата ]
Y. pestis размножается внутри лимфатических узлов , где ему удается избежать разрушения клетками иммунной системы, такими как макрофаги . Способность Y. pestis ингибировать фагоцитоз позволяет ему расти в лимфатических узлах и вызывать лимфаденопатию . YopH представляет собой протеин-тирозинфосфатазу , которая способствует способности Y. pestis уклоняться от клеток иммунной системы. [34] Было показано, что в макрофагах YopH дефосфорилирует p130Cas , Fyb ( FYN - связывающий белок) SKAP-HOM и Pyk , тирозинкиназу, гомологичную FAK . YopH также связывает субъединицу p85 фосфоинозитид-3-киназы , Gab1 , адаптерные белки Gab2 и фактор обмена гуаниновых нуклеотидов Vav . [ нужна цитата ]
YopE действует как белок, активирующий ГТФазу для членов семейства ГТФаз Rho, таких как RAC1 . YopT представляет собой цистеиновую протеазу , которая ингибирует RhoA путем удаления изопренильной группы , которая важна для локализации белка на клеточной мембране . Предполагается, что YopE и YopT действуют, ограничивая YopB/D-индуцированный цитолиз. [35] Это может ограничить функцию YopB/D по созданию пор, используемых для внедрения Yop в клетки-хозяева, и предотвратить YopB/D-индуцированный разрыв клеток-хозяев и высвобождение клеточного содержимого, которое будет привлекать и стимулировать реакцию иммунной системы. [ нужна цитата ]
YopJ представляет собой ацетилтрансферазу , которая связывается с консервативной α-спиралью МАРК -киназы . [36] YopJ ацетилирует киназы MAPK по серинам и треонинам , которые обычно фосфорилируются во время активации каскада киназы MAP . [37] [38] YopJ активируется в эукариотических клетках путем взаимодействия с фитиновой кислотой клетки-мишени (IP6). [39] Это нарушение активности протеинкиназы клетки-хозяина вызывает апоптоз макрофагов, и предполагается, что это важно для установления инфекции и уклонения от иммунного ответа хозяина. YopO представляет собой протеинкиназу, также известную как протеинкиназа A Yersinia (YpkA). YopO является мощным индуктором апоптоза макрофагов человека. [40]
Было также высказано предположение, что бактериофаг Ypφ мог быть ответственен за повышение вирулентности этого организма. [41]
В зависимости от того, какой формой чумы заразился человек, у чумы развивается различное заболевание; однако чума в целом влияет на способность клетки-хозяина взаимодействовать с иммунной системой, мешая организму доставлять фагоцитирующие клетки в зону заражения.
Y. pestis — универсальный убийца. Известно, что помимо грызунов и людей он убивал верблюдов, кур и свиней. [42] Домашние собаки и кошки также восприимчивы к чуме, но кошки с большей вероятностью заболеют при заражении. В любом случае симптомы аналогичны тем, которые испытывают люди, и могут быть смертельными для животного. Люди могут заразиться при контакте с инфицированным животным (мертвым или живым) или вдыхая в воздух инфекционные капли, которые больная собака или кошка откашляла. [43] [44]
В 1993 году в США была доступна формалин-инактивированная вакцина для взрослых [ 45 ] с высоким риском заражения чумой до тех пор, пока Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов не удалило ее с рынка . Оно имело ограниченную эффективность и могло вызвать сильное воспаление . Эксперименты по генной инженерии вакцины на основе антигенов F1 и V продолжаются и являются многообещающими. Однако бактерии, лишенные антигена F1, по-прежнему вирулентны, а антигены V достаточно вариабельны, поэтому вакцины, состоящие из этих антигенов, могут не обеспечивать полную защиту. [46] Медицинский научно-исследовательский институт инфекционных заболеваний армии США обнаружил, что экспериментальная вакцина на основе антигена F1/V защищает макак, питающихся крабоедами , но не защищает виды африканских зеленых мартышек . [47] Систематический обзор, проведенный Кокрановским сотрудничеством, не выявил исследований достаточного качества, чтобы сделать какое-либо заявление об эффективности вакцины. [48]
В 1894 году два бактериолога, Александр Йерсен из Швейцарии и Китасато Сибасабуро из Японии, независимо выделили в Гонконге бактерию, ответственную за гонконгскую чуму 1894 года . Хотя оба исследователя сообщили о своих выводах, серия запутанных и противоречивых заявлений Китасато в конечном итоге привела к признанию Йерсина основным первооткрывателем организма. Йерсен назвал его Pasteurella pestis в честь Института Пастера , где он работал. В 1967 году его перевели в новый род и в его честь переименовали в Yersinia pestis . Йерсен также отмечал, что крысы поражались чумой не только во время эпидемий чумы, но и часто предшествующих таким эпидемиям у людей и что чума многими местными жителями рассматривалась как болезнь крыс; Жители деревень в Китае и Индии утверждали, что, когда было обнаружено большое количество крыс, вскоре последовали вспышки чумы. [ нужна цитата ]
В 1898 году французский учёный Поль-Луи Симон (который также приехал в Китай для борьбы с Третьей пандемией) обнаружил переносчика крысиных блох , вызывающего болезнь. Он отметил, что заболевшим людям не обязательно находиться в тесном контакте друг с другом, чтобы заразиться. В Юньнани , Китай, жители бежали из своих домов, как только видели мертвых крыс, а на острове Формоза ( Тайвань ) жители считали, что обращение с мертвыми крысами повышает риск развития чумы. Эти наблюдения заставили его заподозрить, что блохи могут быть промежуточным фактором в передаче чумы, поскольку люди заражались чумой только в том случае, если они контактировали с крысами, умершими менее 24 часов назад. В ставшим уже классическим эксперименте Саймонд продемонстрировал, как здоровая крыса умерла от чумы после того, как на нее перепрыгнули зараженные блохи от крысы, недавно умершей от чумы. [49] Вспышка распространилась на Чайнатаун в Сан-Франциско с 1900 по 1904 год, а затем на Окленд и Ист-Бэй с 1907 по 1909 год . [50] С тех пор она присутствует у грызунов западной части Северной Америки из-за страха перед Последствия вспышки в торговле заставили власти скрывать трупы жителей китайского квартала достаточно долго, чтобы болезнь передалась широко распространенным видам местных грызунов в отдаленных районах. [51]
Выделяют три основных штамма: Y.p. antiqua , вызвавшая пандемию чумы в шестом веке; Ю.п. Medievalis , вызвавший Черную смерть и последующие эпидемии во время второй волны пандемии; и Ю.п. orientalis , ответственный за нынешние вспышки чумы. [52]
15 января 2018 года исследователи из Университета Осло и Университета Феррары предположили, что люди и их паразиты (скорее всего на тот момент блохи и вши) были крупнейшими переносчиками чумы. [53] [54]
В 2010 году исследователи в Германии, используя данные ПЦР из образцов, полученных от жертв Черной смерти, окончательно установили, что Y. pestis был причиной средневековой Черной смерти . [55]
В 2011 году был опубликован первый геном Y. pestis, выделенный от жертв Черной смерти, и был сделан вывод, что этот средневековый штамм был предком большинства современных форм Y. pestis . [56]
В 2015 году Cell опубликовала результаты исследования древних могил. [57] Плазмиды Y. pestis были обнаружены в археологических образцах зубов семи человек бронзового века, в афанасьевской культуре в Сибири, культуре шнуровой керамики в Эстонии, синташтинской культуре в России, унетицкой культуре в Польше и Андроновская культура Сибири. [58] В 2018 году были опубликованы сведения о появлении и распространении возбудителя во время упадка неолита (еще 6000 лет назад). [59] Источником доказательств ДНК был участок в Швеции, и в качестве вероятного пути распространения, а не миграции населения, были предложены торговые сети. Есть свидетельства того, что Y. pestis, возможно, возник в Европе в культуре Кукутени-Триполье , а не в Азии, как принято считать. [59]
Данные ДНК, опубликованные в 2015 году, указывают на то, что Y. pestis заразил людей 5000 лет назад в Евразии бронзового века [57] , но генетические изменения, которые сделали его высоковирулентным, произошли только примерно 4000 лет назад. [60] Высоковирулентная версия, способная передаваться блохами через грызунов, людей и других млекопитающих, была обнаружена у двух особей, связанных со срубной культурой из Самарской области в России, примерно 3800 лет назад, и у особи железного века из Капана , Армения. , примерно 2900 лет назад. [60] [57] Это указывает на то, что по крайней мере две линии Y. pestis циркулировали в течение бронзового века в Евразии. [60] Бактерия Y. pestis имеет относительно большое количество нефункционирующих генов и три «неуклюжие» плазмиды, что позволяет предположить ее происхождение менее 20 000 лет назад. [42] Один такой штамм был идентифицирован примерно с 4000 лет назад («линия LNBA» (линия позднего неолита и бронзового века)) в западной Британии, что указывает на то, что эта высокозаразная форма распространилась из Евразии на дальние северо-западные окраины Европы. . [61]
8 сентября 2016 года бактерия Y. pestis была идентифицирована по ДНК в зубах, найденных на строительной площадке Crossrail в Лондоне . Человеческие останки оказались жертвами Великой лондонской чумы , продолжавшейся с 1665 по 1666 год. [62]
В 2021 году исследователи обнаружили 5000-летнюю жертву Y. pestis , старейшего из известных в мире видов, среди останков охотников-собирателей на современной границе Латвии и Эстонии. [63]
В период с 1970 по 2020 год в США было зарегистрировано 496 случаев. Случаи были обнаружены преимущественно в Нью-Мексико, Аризоне, Колорадо, Калифорнии, Орегоне и Неваде. [64]
В 2008 году чума обычно встречалась в странах Африки к югу от Сахары и на Мадагаскаре, на территории которых приходилось более 95% зарегистрированных случаев. [8]
В сентябре 2009 года смерть Малкольма Касадабана , профессора молекулярной генетики Чикагского университета , была связана с его работой над ослабленным лабораторным штаммом Y. pestis . [65] Было высказано предположение, что гемохроматоз является предрасполагающим фактором смерти Касадабана от этого ослабленного штамма, использованного для исследования. [66]
3 ноября 2019 года в больнице пекинского района Чаоян было диагностировано два случая легочной чумы , что вызвало опасения по поводу вспышки. Пациентом был мужчина средних лет с лихорадкой, который жаловался на затрудненное дыхание в течение примерно десяти дней вместе со своей женой с аналогичными симптомами. [67] Полиция изолировала отделение неотложной помощи в больнице и установила контроль над китайскими агрегаторами новостей. [67] 18 ноября был зарегистрирован третий случай заболевания у 55-летнего мужчины из Лиги Силингол , одного из двенадцати монгольских автономных районов в Северном Китае. Пациент получил лечение, а 28 бессимптомных контактов были помещены в карантин. [68]
В июле 2020 года чиновники усилили меры предосторожности после того, как случай бубонной чумы был подтвержден в Баяннуре , городе в автономном районе Внутренняя Монголия Китая . Пациента поместили на карантин и назначили лечение. По данным китайской газеты Global Times , был также расследован второй предполагаемый случай, и было объявлено предупреждение уровня 3, действующее до конца года. Он запретил охоту и поедание животных, которые могут быть переносчиками чумы, и призвал общественность сообщать о подозрительных случаях. [69]