XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Общая структура и функции липополисахаридов.

Липополисахариды (LPS) являются важными компонентами внешней мембраны грамотрицательных бактерий.  Эти молекулы также известны как липогилканы из-за присутствия молекул липидов и сахаров. Липополисахариды состоят из:

Липид А: гидрофобный домен, который является эндотоксином и основным фактором вирулентности

О-антиген, повторяющийся гидрофильный дистальный олигосахарид

Полисахарид с гидрофильным ядром

Липидный компонент А варьируется от одного организма к другому и необходим для придания бактериям специфических патогенных свойств. Липид А, выделяющийся в кровоток, вызывает лихорадку, диарею, а при неблагоприятных обстоятельствах приводит к септическому (эндотоксическому) шоку. Хотя липидная часть А является очень консервативной частью LPS, структура отличается у разных штаммов, видов и подвидов бактерий.Следовательно, общая иммунная активация и реакция зависят от структуры липидной части LPS [1].

Присущий грамотрицательным бактериям, LPS обеспечивает целостность бактериальной клетки и механизм взаимодействия бактерий с другими поверхностями. Большинство бактериальных молекул LPS термостабильны и создают надежный провоспалительный стимул для иммунной системы млекопитающих. 

В отличие от липида А, О-антигены являются наиболее изменчивой частью молекулы LPS, которая придает молекуле антигенную специфичность. Поскольку разные типы LPS присутствуют в разных родах грамотрицательных бактерий, LPS используется для серотипирования грамотрицательных бактерий. Именно О-антиген придает серологическое различие видам бактерий [2].  

Сравнительная характеристика липополисахаридов на примере условно-патогенной Burkholderiathailandensis и патогенной Burkholderiapseudomallei.

B. thailandensis – условно-патогенная грамотрицательная бактерия, выделенная из почвы и воды в Юго-Восточной Азии и северной Австралии. Филогенетически близкие бактерии: B. mallei и B. pseudomallei– вызывают заболевания сапа и мелиоидоз [3]. Что касается мелиоидоза, то данное заболевание представляет собой наиболее распространенную причину смертельного внебольничного сепсиса и пневмонии [4]. Клинические проявления варьируются от острого сепсиса до хронического локализованного заболевания и латентной инфекции. Заразиться бактериямиB. pseudomallei, живущими в почве либо в пресной воде,можно через порезы или ссадины кожи [3].

Большинство комменсальных и патогенных грамотрицательных бактерий в том числе B. pseudomallei образуют биопленки. Эти биопленки обеспечивают стабильность и устойчивость бактериальных популяций к различным лекарствам и антибиотикам. Модификация LPS путем пальмитоилирования является одной из стратегий, которые приводят к образованию стабильной биопленки.

Структурно LPS B. thailandensis аналогичен структуре LPS B. pseudomallei.  Он состоит из внешнего уникального О-антигена и внутреннего основного олигосахарида, который связан с липидом А.

Основной вид липида А, идентифицированный у B. thailandensis, представляет собой гетерогенную смесь пента- и тетраацилированных структур, различающихся заменами Ara4N и ацилированием _C14:0(3-OH).  Липид А B. pseudomallei имеет различные жирные ацильные цепи, индуцирует слабую иммунологическую активность и, таким образом, уклоняется от ранней защиты хозяина. Присутствие Ara4N-модифицированных фосфатных групп и _C14:0(2-OH) в липиде А может придавать устойчивость к воздействию цАМФ и позволять патогену выживать внутриклеточно. Напротив, более мощные ЛПС, синтезируемые B. thailandensis может сильнее активировать врожденную иммунную систему. Следовательно, B. thailandensis становится более восприимчивым к бактерицидным эффектам врожденных иммунных реакций хозяина, что приводит к эффективному выведению патогена [5]. 

Также имеются данные, что оперон биосинтеза О-антигена B. thailandensis идентичен или по крайней мере очень похож на таковой у B. pseudomallei [6].

Таким образом, B. thailandensis, генетически родственный непатогенный вид, имеет LPS схожий с B. pseudomallei , который перекрестно реагирует на сыворотки, полученные от инфекций B. pseudomallei и B. mallei. С клинической точки зрения эта идентичность привела к разработке вакцины против мелиоидоза с использованием LPS из B. thailandensis.

Знание структуры и функций липополисахаридов патогенных грамотрицательных бактерий дает основу для борьбы с инфекционными заболеваниями, для создания вакцин, на основе близкородственных условно-патогенных бактерий.

Список литературы:

Tuanyok A. идр. The Genetic and Molecular Basis of O-Antigenic Diversity in Burkholderia pseudomallei Lipopolysaccharide // PLoS Negl Trop Dis. 2012. Т. 6. № 1. С. e1453.

Vitale A. идр. Mapping of the Denitrification Pathway in Burkholderia thailandensis by Genome-Wide Mutant Profiling // J Bacteriol. 2020. Т. 202. № 23. С. e00304-20.

Allen K. N., Imperiali B. Structural and mechanistic themes in glycoconjugate biosynthesis at membrane interfaces // Curr Opin Struct Biol. 2019. Т. 59. С. 81–90.

Farhana A., Khan Y. S. Biochemistry, Lipopolysaccharide // StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing, 2022.

Webb J. R. идр. Burkholderia pseudomallei Lipopolysaccharide Genotype Does Not Correlate With Severity or Outcome in Melioidosis: Host Risk Factors Remain the Critical Determinant // Open Forum Infect Dis. 2019. Т. 6. № 4. С. ofz091.

Yu Y. идр. Genomic patterns of pathogen evolution revealed by comparison of Burkholderia pseudomallei, the causative agent of melioidosis, to avirulent Burkholderia thailandensis // BMC Microbiol. 2006. Т. 6. С. 46.