Системы устойчивости к фагам в штаммах Vibrio cholerae

Цель обзора – анализ литературных данных о системах устойчивости штаммов Vibrio cholerae к литическим холерным фагам. Холерные фаги присутствуют как в воде открытых водоемов, так и выделяются совместно с возбудителем из организма больных холерой. Механизмы молекулярной защиты V. cholerae от фагов подобны данным системам других бактерий, действуют на всех этапах фаговой инфекции и включают следующие стадии: предотвращение адсорбции фага, деградация фаговых нуклеиновых кислот и ингибирование процесса формирования частиц фага. Блокирование взаимодействия фага с бактериальной клеткой происходит в результате модификации рецепторов, продукции внеклеточных полисахаридов, создающих физический барьер между фагами и поверхностью клетки. Если ДНК фага все же проникла в клетки, то она уничтожается посредством ферментов рестрикции-модификации, а также с помощью адаптивной иммунной системы CRISPR-Cas. Наиболее многочисленными являются механизмы блокирования формирования фаговых частиц в клетках. Данный процесс происходит при участии фагоиндуцируемых PLE-островов, системы исключения бактериофагов BREX и абортивной Abi-инфекции, включающей антифаговую сигнальную систему на основе циклических олигонуклеотидов (CBASS) и систему токсин-антитоксин. При Abi-инфекции зараженные фагом клетки самоуничтожаются и погибают раньше, чем формируются зрелые частицы фага, что способствует сохранению популяции V. cholerae. Молекулярные механизмы ряда антифаговых систем еще до конца не выяснены, что указывает на необходимость дальнейшего изучения взаимоотношений фаг – хозяин.

1. LeGault K.N., Hays S.G., Angermeyer A., McKitterick A.C., Johura F.T., Sultana M., Ahmed T., Alam M., Seed K.D. Temporal shifts in antibiotic resistance elements govern phage-pathogen conflicts. Science. 2021; 373(6554):eabg2166. DOI: 10.1126/science. abg2166.

2. Severin G.B., Ramliden M.S., Ford K.C., Van Alst A.J., Sanath-Kumar R., Decker K.A., Hsueh B.Y., Chen G., Yoon S.H., Demey L.M., O’Hara B.J., Rhoades C.R., DiRita V.J., Ng W.-L., Waters C.M. Activation of a Vibrio cholerae CBASS anti-phage system by quorum sensing and folate depletion. mBio. 2023; 14(5):e0087523. DOI: 10.1128/mbio.00875-23.

3. Tumban E., editor. Bacteriophages. Methods and Protocols. New York: Humana Press; 2024. 429 p.

4. Yen M., Camilli A. Mechanisms of the evolutionary arms race between Vibrio cholerae and Vibriophage clinical isolates. Int. Microbiol. 2017; 20(3):116–20. DOI: 10.2436/20.1501.01.292.

5. Тюрина А.В., Гаевская Н.Е., Синельник Е.А., Иванова И.А., Филиппенко А.В., Омельченко Н.Д., Труфанова А.А., Погожова М.П., Аноприенко А.О., Пасюкова Н.И. Оценка безопасности смеси холерных бактериофагов на модели экспериментальных животных. Проблемы особо опасных инфекций. 2023; 4:160–2. DOI: 10.21055/0370-1069-2023-4-160-162.

6. Zhang J., Li W., Zhang Q., Wang H., Xu X., Diao B., Zhang L., Kan B. The core oligosaccharide and thioredoxin of Vibrio cholerae are necessary for binding and propagation of its typing phage VP3. J. Bacteriol. 2009; 191(8):2622–9. DOI: 10.1128/JB.01370-08.

7. Xu J., Zhang J., Lu X., Liang W., Zhang L., Kan B. O antigen is the receptor of Vibrio cholerae serogroup O1 El Tor typing phage VP4. J. Bacteriol. 2013; 195(4):798–806. DOI: 10.1128/JB.01770-12.

8. Xu D., Zhang J., Liu J., Xu J., Zhou H., Zhang L., Zhu J., Kan B. Outer membrane protein OmpW is the receptor for typing phage VP5 in the Vibrio cholerae O1 El Tor biotype. J. Virol. 2014; 88(12):7109–11. DOI: 10.1128/JVI.03186-13.

9. Fan F., Li X., Pang B., Zhang C., Li Z., Zhang L., Li J., Zhang J., Yan M., Liang W., Kan B. The outer-membrane protein TolC of Vibrio cholerae serves as a second cell-surface receptor for the VP3 phage. J. Biol. Chem. 2018; 293(11):4000–13. DOI: 10.1074/jbc.M117.805689.

10. Sun H., Liu M., Fan F., Li Z., Fan Y., Zhang J., Huang Y., Li Z., Li J., Xu J., Kan B. The Type II secretory system mediates phage infection in Vibrio cholerae. Front. Cell. Infect. Microbiol. 2021; 11:662344. DOI: 10.3389/fcimb.2021.662344.

11. Fan F., Li Z., Wang J., Diao B., Liang W., Kan B. A PolyQ membrane protein of Vibrio cholerae acts as the receptor for phage infection. J. Virol. 2021; 95(6):e02245-20. DOI: 10.1128/JVI.02245-20.

12. Seed K.D., Bodi K.L., Kropinski A.M., Ackermann H.-W., Calderwood S.B., Qadri F., Camilli A. Evidence of a dominant lineage of Vibrio cholerae-specific lytic bacteriophages shed by cholera patients over a 10-year period in Dhaka, Bangladesh. mBio. 2011; 2(1):2:e00334-10. DOI: 10.1128/mBio.00334-10.

13. Angermeyer A., Das M.M., Singh D.V., Seed K.D. Analysis of 19 highly conserved Vibrio cholerae bacteriophages isolated from environmental and patient sources over a twelve-year period. Viruses. 2018; 10(6):299. DOI: 10.3390/v10060299.

14. McKitterick A.C., LeGault K.N., Angermeyer A., Alam M., Seed K.D. Competition between mobile genetic elements drives optimization of a phage-encoded CRISPR-Cas system: insights from a natural arms race. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 2019; 374(1772):20180089. DOI: 10.1098/rstb.2018.0089.

15. Boyd C.M., Angermeyer A., Hays S.G., Barth Z.K., Patel K.M., Seed K.D. Bacteriophage ICP1: a persistent predator of Vibrio cholerae. Annu. Rev. Virol. 2021; 8(1):285–304. DOI: 10.1146/ annurev-virology-091919-072020.

16. Seed K.D., Faruque S.M., Mekalanos J.J., Calderwood S.B., Qadri F., Camilli A. Phase variable O antigen biosynthetic genes control expression of the major protective antigen and bacteriophage receptor in Vibrio cholerae O1. PLoS Pathog. 2012; 8(9):e1002917. DOI: 10.1371/journal.ppat.1002917.

17. Beckman D.A., Waters C.M. Vibrio cholerae phage ICP3 requires O1 antigen for infection. Infect. Immun. 2023; 91(9): e0002623. DOI: 10.1128/iai.00026-23.

18. Hoque M.M., Naser I.B., Bari S.M.N., Zhu J., Mekalanos J.J., Faruque S.M. Quorum regulated resistance of Vibrio cholerae against environmental bacteriophages. Sci. Rep. 2016; 6:37956. DOI: 10.1038/srep37956.

19. Reyes-Robles T., Dillard R.S., Cairns L.S., Silva-Valenzuela C.A., Housman M., Ali A., Wright E.R., Camilli A. Vibrio cholerae outer membrane vesicles inhibit bacteriophage infection. J. Bacteriol. 2018; 200(15):e00792-17. DOI: 10.1128/JB.00792-17.

20. Linnerborg M., Weintraub A., Albert M.J., Widmalm G. Depolymerization of the capsular polysaccharide from Vibrio cholerae O139 by a lyase associated with the bacteriophage JA1. Carbohydr. Res. 2001; 333(4):263–9. DOI: 10.1016/s0008-6215(01)00159-8.

21. Laanto E. Overcoming bacteriophage resistance in phage therapy. Methods Mol. Biol. 2024; 2738:401–10. DOI: 10.1007/978-1-0716-3549-0_23.

22. Murugesan J., Mubarak S.J., Vedagiri H. Design of novel anti-quorum sensing peptides targeting LuxO to combat Vibrio cholerae pathogenesis. In Silico Pharmacol. 2023; 11(1):30. DOI: 10.1007/s40203-023-00172-2.

23. Jermyn W.S., Boyd E.F. Characterization of a novel Vibrio pathogenicity island (VPI-2) encoding neuraminidase (nanH) among toxigenic Vibrio cholerae isolates. Microbiology. 2002; 148(Pt. 11):3681–93. DOI: 10.1099/00221287-148-11-3681.

24. Labrie S.J., Samson J.E., Moineau S. Bacteriophage resistance mechanisms. Nat. Rev. Microbiol. 2010; 8(5):317–27. DOI: 10.1038/nrmicro2315.

25. McDonald N.D., Regmi A., Morreale D.P., Borowski J.D., Boyd E.F. CRISPR-Cas systems are present predominantly on mobile genetic elements in Vibrio species. BMC Genomics. 2019; 20(1):105. DOI: 10.1186/s12864-019-5439-1.

26. O’Hara B.J., Barth Z.K., McKitterick A.C., Seed K.D. A highly specific phage defense system is a conserved feature of the Vibrio cholerae mobilome. PLoS Genet. 2017; 13(6):e1006838. DOI: 10.1371/journal.pgen.1006838.

27. Angermeyer A., Hays S.G., Nguyen M.H.T., Johura F.T., Sultana M., Alam M., Seed K.D. Evolutionary sweeps of subviral parasites and their phage host bring unique parasite variants and disappearance of a phage CRISPR-Cas system. mBio. 2022; 13(1):e0308821. DOI: 10.1128/mbio.03088-21.

28. Заднова С.П., Плеханов Н.А., Спирина А.Ю., Швиденко И.Г., Савельев В.Н. Выявление фагоиндуцируемых мобильных генетических элементов в штаммах Vibrio cholerae О1 биовара Эль Тор. Проблемы особо опасных инфекций. 2023; 2:112–9. DOI: 10.21055/0370-1069-2023-2-112-119.

29. LeGault K.N., Barth Z.K., DePaola P., Seed K.D. A phage parasite deploys a nicking nuclease effector to inhibit viral host replication. Nucleic Acids Res. 2022; 50(15):8401–17. DOI: 10.1093/nar/gkac002.

30. McKitterick A.C., Seed K.D. Anti-phage islands force their target phage to directly mediate island excision and spread. Nat. Commun. 2018; 9(1):2348. DOI: 10.1038/s41467-018-04786-5.

31. Barth Z.K., Silvas T.V., Angermeyer A., Seed K.D. Genome replication dynamics of a bacteriophage and its satellite reveal strategies for parasitism and viral restriction. Nucleic Acids Res. 2020; 48(1):249–63. DOI: 10.1093/nar/gkz1005.

32. Netter Z., Boyd C.M., Silvas T.V., Seed K.D. A phage satellite tunes inducing phage gene expression using a domesticated endonuclease to balance inhibition and virion hijacking. Nucleic Acids Res. 2021; 49(8):4386–401. DOI: 10.1093/nar/gkab207.

33. Goldfarb T., Sberro H., Weinstock E., Cohen O., Doron S., Charpak-Amikam Y., Afik S., Ofir G., Sorek R. BREX is a novel phage resistance system widespread in microbial genomes. EMBO J. 2015; 34(2):169–83. DOI: 10.15252/embj.201489455.

34. Zaworski J., Dagva O., Brandt J., Baum C., Ettwiller L., Fomenkov A., Raleigh E.A. Reassembling a cannon in the DNA defense arsenal: genetics of StySA, a BREX phage exclusion system in Salmonella lab strains. PLoS Genet. 2022; 18(4):e1009943. DOI: 10.1371/journal.pgen.1009943.

35. Pandey D.P., Gerdes K. Toxin-antitoxin loci are highly abundant in free-living but lost from host-associated prokaryotes. Nucleic Acids Res. 2005; 33(3):966–76. DOI: 10.1093/nar/gki201.

36. Iqbal N., Guérout A.-M., Krin E., Le Roux F., Mazel D. Comprehensive functional analysis of the 18 Vibrio cholerae N16961 toxin-antitoxin systems substantiates their role in stabilizing the superintegron. J. Bacteriol. 2015; 197(13):2150–9. DOI: 10.1128/JB.00108-15.

37. Krin E., Baharoglu Z., Sismeiro O., Varet H., Coppée J.Y., Mazel D. Systematic transcriptome analysis allows the identification of new type I and type II toxin/antitoxin systems located in the superintegron of Vibrio cholerae. Res. Microbiol. 2023; 174(1-2):103997. DOI: 10.1016/j.resmic.2022.103997.