Dlaczego grzyby mogą coraz częściej stawać się patogenami człowieka

Nowe badanie naukowców z Christian-Albrechts-Universität zu Kiel oraz Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie pokazuje, że bardziej wydajna produkcja białek może sprzyjać adaptacji grzybów do organizmu człowieka i przekształcaniu wcześniej nieszkodliwych gatunków w nowe patogeny

W warunkach globalnych przemian środowiskowych, w tym rosnących temperatur, obserwuje się na świecie wyraźny wzrost liczby infekcji grzybiczych. Zjawisko to stanowi poważne zagrożenie nie tylko dla upraw rolnych i dzikich zwierząt, lecz coraz częściej także dla zdrowia ludzi. Wiele gatunków grzybów pozostaje całkowicie nieszkodliwych i pełni istotne funkcje ekologiczne, takie jak rozkład materii organicznej oraz uwalnianie składników odżywczych do gleby. Jako symbionty organizmów wielokomórkowych mogą również wspierać gospodarza w różnych procesach biologicznych.

Z drugiej strony istnieją gatunki określane jako oportunistyczne patogeny człowieka. W sprzyjających warunkach, szczególnie u osób z osłabionym układem odpornościowym, mogą one kolonizować organizm i wywoływać ciężkie, a niekiedy zagrażające życiu infekcje.

Choć grzyby są od wielu lat intensywnie badane jako patogeny roślin – między innymi na Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) oraz w Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie w Plön (MPI-EvolBio) – w ostatnich latach coraz większą uwagę naukowców przyciąga ich potencjał chorobotwórczy wobec ludzi. Zespół badawczy kierowany przez profesor Evę Stukenbrock, liderkę grupy Environmental Genomics w CAU i MPI-EvolBio, przeanalizował w nowym badaniu mechanizmy, które mogą sprzyjać przekształcaniu niektórych grzybów w patogeny człowieka w warunkach globalnych zmian środowiskowych.

W tym celu badacze przeanalizowali różne gatunki grzybów należących do rzędu Trichosporonales, obejmującego zarówno gatunki nieszkodliwe, jak i potencjalnie chorobotwórcze dla człowieka.

Porównanie genomów grzybów środowiskowych i patogennych

Analiza porównawcza genomów grzybów środowiskowych, typowo występujących w glebie, oraz gatunków zdolnych do życia w organizmach ssaków wykazała zaskakujący wniosek. Różnice pomiędzy nimi nie dotyczą przede wszystkim samego zestawu genów, lecz sposobu i efektywności wykorzystywania informacji genetycznej do syntezy białek.

Okazało się, że grzyby patogenne rozwinęły strategię optymalizacji metabolizmu lipidów. W przeciwieństwie do swoich krewnych żyjących w glebie, które wyspecjalizowały się w metabolizmie związków węgla, gatunki zdolne do kolonizacji organizmów ssaków przystosowały się do środowiska bogatego w tłuszcze. Adaptacja ta umożliwia im szybsze dostosowanie się do nowych warunków środowiskowych i potencjalnie ułatwia przejście do patogennego trybu życia.

Ponieważ ogólna struktura genomów obu grup pozostaje bardzo podobna, sugeruje to, że ryzyko przekształcania się dotychczas nieszkodliwych grzybów w patogeny człowieka może być większe, niż dotychczas przypuszczano. Wyniki badań o szczególnym znaczeniu dla zdrowia publicznego zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Communications we współpracy z naukowcami z Braunschweig, Bochum oraz Illinois.

Bardziej wydajna produkcja białek jako klucz do adaptacji

Punktem wyjścia badania była porównawcza analiza genomowa blisko spokrewnionych gatunków grzybów. Naukowcy początkowo zakładali, że gatunki chorobotwórcze będą posiadały charakterystyczne geny wirulencji odpowiedzialne za produkcję toksyn, uszkadzanie komórek gospodarza lub modulowanie odpowiedzi immunologicznej.

Jak wyjaśnia pierwszy autor pracy, dr Marco Guerreiro z zespołu Evy Stukenbrock, wyniki okazały się jednak inne niż oczekiwano.

Patogenne i nieszkodliwe gatunki grzybów wykazywały bowiem bardzo duże podobieństwo pod względem zestawu genów. Kluczowa różnica dotyczyła nie tego, jakie geny posiadają, lecz tego, jak efektywnie są one wykorzystywane w procesie syntezy białek.

Grzyby patogenne rozwinęły mechanizm umożliwiający szybszą produkcję białek uczestniczących w metabolizmie lipidów. Adaptacja ta ma fundamentalne znaczenie, ponieważ lipidy są powszechnie dostępne w organizmach ssaków, natomiast w środowisku naturalnym występują stosunkowo rzadko. Dzięki temu patogenne grzyby mogą szybko przystosować się do warunków panujących w organizmie człowieka i efektywnie się w nim rozwijać.

Mechanizm molekularny: optymalizacja translacji

Mechanizm ten związany jest z późnym etapem ekspresji genów – procesem translacji, w którym aminokwasy łączone są w łańcuchy białkowe. Tempo translacji zależy od dopasowania pomiędzy kodonami w cząsteczkach mRNA a odpowiadającymi im cząsteczkami tRNA.

W przypadku grzybów patogennych dopasowanie to jest wyjątkowo wysokie. Ewolucja adaptacyjna mogła doprowadzić do zmian zarówno w sekwencjach kodonów, jak i w repertuarze cząsteczek tRNA, co zwiększyło wydajność produkcji białek związanych z metabolizmem lipidów. Taka optymalizacja molekularna znacząco ułatwia przystosowanie grzybów do warunków panujących w organizmie człowieka.

Potwierdzenie mechanizmu w badaniach laboratoryjnych

Badacze potwierdzili znaczenie tej adaptacji również w warunkach eksperymentalnych. W doświadczeniach laboratoryjnych grzyby posiadające geny zoptymalizowane pod kątem metabolizmu lipidów znacznie szybciej przystosowywały się do środowiska bogatego w tłuszcze i wykazywały wyraźnie lepszy wzrost.

Wyniki te wskazują, że zdolność do efektywnego wykorzystania lipidów stanowi ważny czynnik umożliwiający grzybom kolonizację organizmu ssaków. W przeciwieństwie do nich grzyby środowiskowe, przystosowane do środowisk bogatych w związki węgla, wykazują znacznie słabszą zdolność adaptacji do takich warunków.

Potencjał powstawania nowych patogenów grzybiczych

Wyniki badania sugerują, że droga prowadząca do powstania nowych patogenów grzybiczych może być znacznie krótsza, niż wcześniej sądzono. Wystarczającym czynnikiem może być zwiększenie wydajności metabolizmu lipidów oraz optymalizacja translacji białek.

Zjawisko to budzi szczególne obawy w kontekście rosnącej oporności grzybów na leki przeciwgrzybicze. Gatunki, które obecnie są uznawane za nieszkodliwe, lecz potrafią rozwijać się w temperaturze ciała człowieka, mogą stosunkowo łatwo przejść w kierunku patogenności.

W prognozowanych scenariuszach zmian klimatycznych można więc spodziewać się pojawienia się nowych, potencjalnie problematycznych patogenów grzybiczych.

Znaczenie monitorowania ewolucji grzybów

Naukowcy planują teraz identyfikację gatunków grzybów, które na podstawie charakterystycznych sygnatur genomowych mogą posiadać zwiększony potencjał patogenny, zanim staną się poważnym zagrożeniem zdrowotnym.

Jak podsumowuje profesor Eva Stukenbrock, wyniki badania zasadniczo zmieniają sposób postrzegania patogenności grzybów. Transformacja nieszkodliwych organizmów środowiskowych w patogeny człowieka może zachodzić znacznie szybciej i być ewolucyjnie łatwiej dostępna, niż dotychczas zakładano.

W obliczu zmian klimatycznych, rosnącej liczby osób z upośledzoną odpornością oraz intensywnej globalizacji, sprzyjającej rozprzestrzenianiu się patogenów, zrozumienie tych procesów ewolucyjnych staje się kluczowe z punktu widzenia medycyny i zdrowia publicznego.

Źródło: Nature Communications, Genomic and physiological signatures of adaptation in pathogenic fungi
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-68330-6