Journal of microbiology, epidemiology and immunobiologyJournal of microbiology, epidemiology and immunobiologyЖурнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии0372-93112686-7613Central Research Institute for Epidemiology44110.36233/0372-9311-2019-4-115-126REVIEWSОБЗОРЫMolecular-genetic mechanisms of conservation of the pathogenic potential of the causative agents environments of natural-focus sapronosisМолекулярно-генетические механизмы сохранения патогенного потенциала возбудителей природно-очаговых сапронозовAndryukovB. G.АндрюковБ. Г.
Russian Federation

Vladivostok

Андрюков Борис Георгиевич, д.м.н.

690087, Владивосток, ул. Сельская, 1, р.т. (423)244-26-04

SomovaL. M.СомоваЛ. М.
Russian Federation

Vladivostok

Владивосток

ByninaM. P.БынинаМ. П.
Russian Federation

Vladivostok

Владивосток

LyapunI. N.ЛяпунИ. Н.
Russian Federation

Vladivostok

Владивосток

Somov State Institute of Epidemiology and MicrobiologyНИИ эпидемиологии и микробиологии им. Г.П. Сомова020920199641151260209201902092019Copyright ©; 2019, Andryukov B.G., Somova L.M., Bynina M.P., Lyapun I.N.Copyright ©; 2019, Андрюков Б.Г., Сомова Л.М., Бынина М.П., Ляпун И.Н.2019Andryukov B.G., Somova L.M., Bynina M.P., Lyapun I.N.Андрюков Б.Г., Сомова Л.М., Бынина М.П., Ляпун И.Н.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://microbiol.crie.ru/jour/article/view/441

For interepidemic periods of natural focal sapronoses, various ways of maintaining the viability of pathogens in terrestrial parasitic systems are associated with various adaptation strategies necessary for the conservation of the population. Unlike spore-forming bacteria, sapronose pathogens use stable cellular forms — a viable but uncultivated state and persistence. The implementation of these strategies is due to the influence of various stress factors of the habitat and is characterized by a decrease in metabolism, a change in the morphology and physiology of the bacterial cell, and the cessation of its replication. It is important that stable forms of cells retain virulence and, when favorable conditions come, they are again transformed into active vegetative forms. The discovery in recent years of genetic modules of bacterial toxin-antitoxin systems has made it possible to uncover complex regulatory molecular mechanisms for preserving the pathogenic potential of stable forms of pathogens of natural focal sapronoses in interepidemic periods.

Для межэпидемических периодов природно-очаговых сапронозов характерны различные способы сохранения жизнеспособности возбудителей в наземных паразитарных системах, связанные с различными адаптационными стратегиями, необходимыми для сохранения популяции. В отличие от спорообразующих бактерий, возбудители сапронозов используют устойчивые клеточные формы — жизнеспособное, но некультивируемое состояние (VBNC) и персистенцию. Реализация этих стратегий обусловлена влиянием различных стрессорных факторов среды обитания и характеризуется снижением метаболизма, изменением морфологии и физиологии бактериальной клетки, прекращением ее репликации. Важно, что устойчивые формы клеток сохраняют вирулентность и при наступлении благоприятных условий вновь трансформируются в активные вегетативные формы. Открытие в последние годы генетических модулей бактериальных токсин-антитоксиновых систем позволило раскрыть сложные регуляторные молекулярные механизмы сохранения патогенного потенциала устойчивых форм возбудителей природно-очаговых сапронозов в межэпидемические периоды.

sapronosesresistant cell forms of bacteriatoxin-antitoxin genetic modulesviable but nonculturable (VBNC) cellspersistenceсапронозыустойчивые клеточные формы бактерийтоксин-антитоксин генетические модулижизнеспособныено некультивируемые (VBNC) клеткиперсистенцияРабота выполнена при поддержке Комплексной программы фундаментальных исследований ДВО РАН «Дальний Восток», проект № 18-5-099.1. Белов А.Б., Кузин А.А. Сапронозные инфекции, связанные с оказанием медицинской помощи: проблемные вопросы теории. Пермский медицин. журнал. 2017, 34(4): 94-102.2. Белов А.Б., Куликалова Е.С. Сапронозы: экология возбудителей, эпидемиология, терминология и систематика. Эпидемиология и вакцинопрофилактика. 2016, 86(1): 5-16.3. Брусина Е.Б. Эпидемиология инфекций, связанных с оказанием медицинской помощи, вызванных возбудителями группы сапронозов. Эпидемиология и вакцинопрофилактика. 2015, 81(2): 50-56.4. Бухарин О.В. Инфекционная симбиология. Журн. микробиол. 2015, 4: 4-9.5. Литвин В.Ю., Сомов Г.П., Пушкарева В.И. Сапронозы как природно-очаговые болезни. Эпидемиология и вакцинопрофилактика. 2010, 50(1): 10-16.6. Сомов Г.П., Бузолева Л.С. Адаптация патогенных бактерий к абиотическим факторам окружающей среды. Владивосток: ОАО «Полиграфкомбинат», 2004.7. Allison K.R., Brynildsen M.P., Collins J.J. Metabolite-enabled eradication of bacterial persisters by aminoglycosides. Nature. 2011, 473: 216-220.8. Amato S.M., Brynildsen M.P. Persister Heterogeneity Arising from a Single Metabolic Stress. Curr. Biol. 2015, 25(16): 2090-2098.9. Ayrapetyan M., Williams T.C., Baxter R. et al. Viable but Nonculturable and Persister Cells Coexist Stochastically and Are Induced by Human Serum. Infect. Immun. 2015, 83(11): 4194-4203.10. Ayrapetyan M., Williams T.C., Oliver J.D. Interspecific quorum sensing mediates the resuscitation of viable but nonculturable vibrios. Appl. Environ. Microbiol. 2014, 80(8): 2478-2483.11. Bamford R.A., Smith A., Metz J. et al. Investigating the physiology of viable but non-culturable bacteria by microfluidics and time-lapse microscopy. BMC Biol. 2017, 15(1): 121.12. Barth V.C., Rodrigues B.Б, Bonatto G.D. et al. Heterogeneous persister cells formation in Acinetobacter baumannii. PLoS One. 2013, 8(12): e84361.13. Chen S., Thompson K.M., Francis M.S. Environmental Regulation of Yersinia Pathophysiology. Front. Cell. Infect. Microbiol. 2016, 6: 25.14. Chowdhury N., Wood T.L., Martinez-Vázquez M. et al. DNA-crosslinker cisplatin eradicates bacterial persister cells. Biotechnol. Bioeng. 2016, 113(9): 1984-1992.15. Dörr T., Vulié M., Lewis K. Ciprofloxacin causes persister formation by inducing the TisB toxin in Escherichia coli. PLoS Biol. 2010, 8(2): e1000317.16. Fisher R.A., Gollan B., Helaine S. Persistent bacterial infections and persister cells. Nat. Rev. Microbiol. 2017, 15(8): 453-464.17. Ghafourian S., Raftari M., Sadeghifard N. et al. Toxin-antitoxin systems: classification, biological function and application in biotechnology. Curr. Issues Mol. Biol. 2014, 16(1): 9-14.18. Hubálek Z., Rudolf I. Microbial Zoonoses and Sapronoses. USA: Springer Science & Business Media B.V. 2011.19. Jaén-Luchoro D., Aliaga-Lozano F., Gomila R.M. et al. First insights into a type II toxin-antitoxin system from the clinical isolate Mycobacterium sp. MHSD3, similar to epsilon/zeta systems. PLoS One. 2017, 12(12): e0189459.20. Kim J.-S., Chowdhury N., Yamasaki R. et al. Viable but non-culturable and persistence describe the same bacterial stress state. Environmental Microbiology. 2018, 20(6): 2038-2048.21. Kint C.I., Verstraeten N., Fauvart M. et al. New-found fundamentals of bacterial persistence. Trends Microbiol. 2012, 20(12): 577-585.22. Korch S.B., Hill T.M. Ectopic overexpression of wild-type and mutant hipA genes in Escherichia coli: effects on macromolecular synthesis and persister formation. J. Bacteriol. 2006, 188(11): 3826-3836.23. Kwan B.W., Chowdhury N., Wood T.K. Combatting bacterial infections by killing persister cells with mitomycin C. Environ. Microbiol. 2015, 17(11): 4406-4414.24. Levin B.R., Concepciуn-Acevedo J., Udekwu K.I. Persistence: a copacetic and parsimonious hypothesis for the existence of non-inherited resistance to antibiotics. Curr. Opin. Microbiol. 2014, 21: 18-21.25. Lewis K. Platforms for antibiotic discovery. Nat. Rev. Drug Discov. 2013, 12(5): 371-387.26. Lewis K., Shan Y. Persister Awakening, Mol. Cell. 2016, 63(1): 3-4.27. Li L., Mendis N., Trigui H. et al. The importance of the viable but non-culturable state in human bacterial pathogens. Front. Microbiol. 2014, 5: 258.28. Lleo M.M, Ghidini V., Tafi M.C. et al. Detecting the presence of bacterial DNA by PCR can be useful in diagnosing culture-negative cases of infection, especially in patients with suspected infection and antibiotic therapy. FEMS Microbiol. Lett. 2014, 354(2): 153-160.29. Maisonneuve E., Castro-Camargo M., Gerdes K. (p)ppGpp Controls Bacterial Persistence by Stochastic Induction of Toxin-Antitoxin Activity. Cell. 2013, 154(50): 1140-1150.30. Maisonneuve E., Gerdes K. Molecular mechanisms underlying bacterial persisters. Cell. 2014, 157(3): 539-548.31. Maleki A., Ghafourian S., Pakzad I. et al. mazE Antitoxin of Toxin Antitoxin System and fbpA as Reliable Targets to Eradication of Neisseria meningitidis. Curr. Pharm. Des. 2017, 24(11): 1204-1210.32. Michiels J.E., Van den Bergh B., Verstraeten N. et al. Molecular mechanisms and clinical implications of bacterial persistence. Drug Resist. Updat. 2016, 29: 76-89.33. Nowakowska J., Oliver J.D. Resistance to environmental stresses by Vibrio vulnificus in the viable but nonculturable state. FEMS Microbiol. Ecol. 2013, 84: 213-222.34. Orman M.A., Brynildsen M.P. Erratum: Inhibition of stationary phase respiration impairs persister formation in E. coli. Nat. Commun. 2016, 7: 10756.35. Page R., Peti W. Toxin-antitoxin systems in bacterial growth arrest and persistence. Nat. Chem. Biol. 2016, 12(4): 208-214.36. Patra P., Klumpp S. Population Dynamics of Bacterial Persistence. PLoS One. 2013, 8(5): e62814.37. Pienaar J.A., Singh A., Barnard T.G. The viable but non-culturable state in pathogenic Escherichia coli: A general review. Afr. J. Lab. Med. 2016, 5(1): 368.38. Potgieter M., Bester J., Kell D.B. et al. The dormant blood microbiome in chronic, inflammatory diseases. FEMS Microbiol. Rev. 2015, 39(4): 567-591.39. Ruhe Z.C., Low D.A., Hayes C.S. Bacterial contact-dependent growth inhibition. Trends Microbiol. 2013, 21(5): 230-237.40. Schottroff F., Fröhling A., Zunabovic-Pichler M. et al. Sublethal Injury and Viable but Non-culturable (VBNC) State in Microorganisms During Preservation of Food and Biological Materials by NonThermal Processes. Front. Microbiol. 2018, 9: 2773.41. Thakur Z., Dharra R., Saini V. et al. Insights from the protein-protein interaction network analysis of Mycobacterium tuberculosis toxin-antitoxin systems. Bioinformation. 2017, 13(11): 380-387.42. Van den Bergh B., Michiels J.E., Fauvart M. et al. Should we develop screens for multi-drug antibiotic tolerance? Expert Rev. Anti-Infect. Ther. 2016, 14(7): 613-616.43. Van Melderen L. Toxin-antitoxin systems: why so many, what for? Curr. Opin. Microbiol. 2010, 13(6): 781-785.44. Verstraeten N., Knapen W.J., Fauvart M. et al. Membrane depolarization-triggered responsive diversification leads to antibiotic tolerance. Microb. Cell. 2015, 2(8): 299-301.45. Wang X., Wood T.K. Toxin-antitoxin systems influence biofilm and persister cell formation and the general stress response. Appl. Environ. Microbiol. 2011, 779(16): 5577-5583.46. Wen Y., Behiels E., Devreese B. Toxin-Antitoxin systems: their role in persistence, biofilm formation, and pathogenicity. Pathog. Dis. 2014, 70(3): 240-249.47. Wood T.K. Combatting bacterial persister cells. Biotechnol. Bioeng. 2016, 113(3): 476-483.48. Wood T.K. Strategies for combating persister cell and biofilm infections. Microb. Biotechnol. 2017, 10(5): 1054-1056.49. Xiao X.L., Tian C., Yu Y.G. et al. Detection of viable but nonculturable Escherichia coli O157:H7 using propidium monoazide treatments and qPCR. Can. J. Microbiol. 2013, 59: 157-163.50. Zeiler E., List A., Alte F. et al. Structural and functional insights into caseinolytic proteases reveal an unprecedented regulation principle of their catalytic triad. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013, 110(28): 11302-11307.