Текст книги "Микробиология с основами эпидемиологии и методами микробиологических исследований"

Глава 4
СИСТЕМАТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ

Систематика занимается всесторонним описанием видов микроорганизмов, выяснением родственных отношений между ними, объединением их во взаимосвязанные и взаимоподчиненные группы (таксоны) и, в итоге, составлением естественной классификации микроорганизмов. Таксономия (от греч. taxis – расположение по порядку) является теорией систематики. Оба термина используются как равнозначные. Систематика состоит из трех частей: 1) номенклатуры (правил присвоения названий таксонам и список этих названий); 2) классификации (распределения микроорганизмов по таксономическим группам); 3) идентификации (определения вида бактерий).

Международный комитет по систематике бактерий издает «Международный кодекс номенклатуры бактерий», «Список одобренных названий бактерий» и «Дополнения» к нему.

Микробиология как наука возникла раньше, чем генетика. Поэтому систематика бактерий базировалась исключительно на изучении их фенотипических признаков. На основе методов феносистематики сформировалась традиционная классификация бактерий. Феносистематика изучает таксономические признаки микроорганизмов, т. е. любые признаки, по которым можно установить сходство и отличие классифицируемых групп микроорганизмов.

К таксономическим признакам относятся:

• морфология бактерий;

• подвижность;

• спорообразование;

• культуральные особенности;

• тинкториальные свойства (отношение к окраске по Граму);

• физиологические свойства (типы метаболизма, спектры ферментации или утилизации субстратов, отношение к кислороду);

• антигенная структура микроорганизмов;

• химический состав бактерий (жирнокислотный и липидный состав, белковые спектры и др.);

• чувствительность к бактериофагам и антибиотикам.

Вместе с тем феносистематика имеет ряд существенных недостатков:

• субъективность выбора изучаемых признаков и их оценки;

• зависимость проявления признаков от условий их изучения (фенотипическая изменчивость);

• малая информативность (фенотипически проявляется 5 – 20 % информации генома).

Для повышения информативности и объективности исследования в конце XX в. была создана численная (нумерическая) таксономия. В настоящее время она реализуется на основе компьютерных технологий и должна отвечать двум требованиям: признанию всех таксономических признаков равноценными и изучению максимально большого числа признаков.

Это позволяет применить математический подход к выявлению таксонов и устанавливать степень родства между ними по количественным показателям. Числовая таксономия применяется в научных исследованиях, а в практической работе проводят идентификацию микроорганизмов по ограниченному набору (20 – 30) ключевых таксономических признаков.

Более объективной является естественная (филогенетическая) классификация бактерий, основанная на методах геносистематики. Фенотип и генотип – неразрывные составляющие организма как целого, поэтому методы фено– и геносистематики тесно взаимосвязаны. Геносистематика изучает организацию геномов, т. е. генетические программы организмов. Объект ее исследования – ДНК клетки. Первый метод геносистематики, разработанный в 1957 г. отечественными учеными А. Н. Белозерским и А. С. Спириным и сотрудниками Института Пастера в Париже (К. Ли, Р. Вейлем, Е. Барбю), состоял в определении гуанин-цитозинового коэффициента (соотношения молярных процентов гуанина и цитозина) нуклеотидного состава суммарной ДНК микроорганизма по температуре плавления ДНК или спектрофотометрически. В настоящее время в геносистематике используются методы, позволяющие выявлять родство микроорганизмов на различных таксономических уровнях и изучать их эволюционные связи. К методам генетического анализа относятся:

1. Молекулярная гибридизация ДНК-ДНК (метод выявления гомологии ДНК) позволяет выявить родство на уровне вида и рода. При степени гомологии 70 % и более бактерий относятся к одному геновиду.

2. Молекулярная гибридизация ДНК с рибосомной РНК выявляет родство на уровне рода, семейства.

3. Секвенирование ДНК – определение нуклеотидной последовательности генов или фрагментов (олигонуклеотидов) ДНК позволяет выявлять эволюционные связи на уровне царства, отдела, класса, семейства, рода, но недостаточно чувствителен на уровне вида.

4. Рестрикционный анализ ДНК («фингерпринтинг») позволяет осуществлять внутривидовое типирование бактерий.

Согласно «Международному кодексу номенклатуры бактерий», научным языком является латинский. Таксономические категории подразделяются на обязательные и необязательные.

Необязательные таксоны (по убывающей):

• подкласс;

• подсемейство;

• триба;

• подтриба;

• подрод;

• подвид.

Обязательные таксоны (по убывающей):

• домен;

• царство;

• тип;

• класс;

• отдел;

• порядок;

• семейство;

• род;

• вид.

Род обозначается одним словом с прописной буквы (существительным в единственном числе); вид – бинарной комбинацией, состоящей из названия рода (с прописной буквы) и видового эпитета (со строчной буквы). При первом упоминании в тексте приводится полное название вида. При повторном употреблении родовое слово сокращается до первой буквы, видовой эпитет сохраняется полностью, например Yersinia pestis и Y. pestis. Видовой эпитет дается произвольно, но чаще по происхождению вида, его особому свойству или в честь ученого, описавшего вид. Обычно видовой эпитет – существительное в родительном падеже, например Shigella sonnei.

Вид может иметь подвиды. Для их обозначения используется тройная комбинация, состоящая из названия рода, видового и подвидового эпитетов. Для разграничения видового и подвидового эпитетов перед последним ставится сокращенное слово subsp. (от лат. subspecies – подвид), например Klebsiella pneumoniae subsp. ozenae. Вид также может иметь разновидности (варианты или вары): серовары, биовары, хемовары и др., например: Salmonella enterica серовар Typhi или S. Typhi. Микроорганизмы одного вида, полученные из различных источников или в разное время, называют штаммами. Им присваивают протокольный номер или номер по источнику выделения. Термином клон обозначают культуру микроорганизмов, полученную из одной клетки. Чистая культура – это популяция микроорганизмов, состоящая из особей одного вида.

Перечень названий всех изученных (опубликованных) видов бактерий представлен в издании Международного комитета по систематике бактерий. В микробиологии до сих пор нет четкого, общепринятого определения такой важнейшей таксономической категории, как вид бактерий. Это обусловлено отсутствием надежных критериев вида у прокариотов. Критерии, используемые для определения вида у растений и животных, не пригодны для бактерий. Можно сказать, что под видом следует подразумевать условную группу микроорганизмов, одинаковых по своим фенотипическим и генотипическим свойствам.

В 1923 г. английский микробиолог Д. Берджи создал первый «Определитель бактерий». Классификация бактерий постоянно совершенствуется, что находит отражение в периодических изданиях «Определителя бактерий».

Среди клеточных форм жизни различают три домена: бактерии, архебактерии (не представляют интереса для медицинской микробиологии) и грибы-эукариоты.

В домен бактерий входят микоплазмы (бактерии, не имеющие клеточной стенки), бактерии с тонкой (грамотрицательные) и толстой (грамположительные) клеточной стенкой. Значение в патологии человека имеют только следующие типы бактерий.

Тип протеобактерий. Класс альфа-бактерий, роды Bartonella, Brucella, Ehrlichia, Orientia, Rickettsia. Класс бета-бактерий, роды Alcaligenes, Bordetella, Burkholderia, Kingella, Neisseria, Spirillum. Класс гамма-бактерий, роды Acinetobacter, Callimatobacterium, Citrobacter, Coxiella, Edwardsiella, Ervinia, Escherichia, Hafnia, Klebsiella, Francisella, Legionella, Pseudomonas, Moraxella, Vibrio, Enterobacter, Morganella, Proteus, Providentia, Salmonella, Serratia, Shigella, Yersinia, Pasteurella. Класс дельта-бактерий, род Bilophila. Класс эпсилон-бактерий, роды Campylobacter, Helicobacter, Wolinella.

Тип фирмикутов. Класс клостридий, роды Clostridium, Sarcina, Peptostreptococcus, Eubacterium, Peptococcus, Veilonella. Класс молликутов, роды Mycoplasma, Ureaplasma. Класс бацилл, роды Bacillus, Sporosarcina, Listeria, Staphylococcus, Gemella, Lactobacillus, Pediococcus, Aerococcus, Leuconostoc, Streptococcus, Lactococcus.

Тип актинобактерий. Класс актинобактерий, роды Actinomyces, Arcanobacterium, Mobiluncus, Micrococcus, Rothia, Stomatococcus, Corynebacterium, Mycobacterium, Nocardia, Propionibacterium, Bifidumbacterium, Gardnerella.

Тип хламидий. Класс хламидий, роды Chlamydia, Chlamydophila.

Тип спирохет. Класс спирохет, роды Spirochaeta, Borrelia, Treponema, Leptospira.

Тип бактероидов. Класс бактероидов, роды Bacteroides, Porphyromonas, Prevotella. Класс флавобактерий, род Flavobacterium.

Классификация грибов до настоящего времени остается несовершенной и незавершенной. Ранее грибы считали организмами, ближе всех стоящими к растениям, и классифицировали как низшие растения. Основные таксоны, включающие группы грибов, назывались отделами. Большинство грибов, имеющих медицинское значение, относили к формальному отделу Fungi imperfecti. При обнаружении половой стадии развития этих грибов их относили к одному из отделов совершенных грибов (Ascomycota или Basidiomycоtа). Mногие авторы до сих пор придерживаются этой системы классификации грибов.

Достижения последних лет в области молекулярной генетики показали, что «родственные связи» между грибами установить крайне сложно. Царство Mycota объединяет две группы организмов: грибоподобные протоктисты и истинные грибы. Первая группа представлена следующими отделами: Myxomycota, Plasmadiophoromycota, Labyrinthulomycota, Oomycota, Hyphochytriomycota, Chytridiomycota. Вторая группа представлена отделами: Zygomycota, Ascomycota и Basidiomycota, а также «несовершенными грибами». К этой группе относится большинство патогенных и условно-патогенных грибов. Внутри отделов грибы, согласно классификации, разделены на классы, порядки, семейства. Грибы относятся к порядку Actinomycetales, семейству Actinomycetaceae. Отдел Zygomycota включает лишь единичных возбудителей микозов (мукороза и энтомофтороза). Представители отделов Ascomycota и Basidiomycota являются возбудителями микозов, относящихся к III и IV группам патогенности. Ряд представителей диморфных грибов, например Coccidioides immitis, относятся ко II группе патогенности, так как они способны вызывать системные заболевания человека. Такой же уровень биологической опасности имеют некоторые возбудители феогифомикоза (Cladophialophora bantiana), способные поражать мозговую ткань даже у людей с нормальной иммунной системой.

Работа с культурами этих грибов требует специальных условий и особой осторожности персонала микробиологических лабораторий.

Первые попытки классификации вирусов были предприняты еще в 1940-е годы. Их разделяли по тропизму к определенным тканям: нейротропные – клещевой энцефалит; пневмотропные – грипп; дерматотропные – натуральная оспа, герпес; пантропные – поражающие все ткани человека.

Первые классификации были несовершенны, они основывались на двух признаках: круг поражаемых хозяев (антропонозы и зоонозы), механизм передачи вирусов и место основной локализации. Развитие молекулярной биологии и генетики привело к пересмотру подхода к классификации вирусов.

В 1964 г. А. Львов разработал проект универсальной классификации вирусов. Были учтены определенные критерии, которые легли в основу современной классификации: 1) тип нуклеиновой кислоты; 2) тип симметрии нуклеокапсида (спиральный, кубический, смешанный); 3)наличие либо отсутствие сперкапсида; 4) диаметр нуклеокапсида для спирального типа симметрии и число капсомеров для вирусов с кубическим типом симметрии.

С 1966 г. вопросами классификации занимается Международный комитет по таксономии вирусов (МКТВ). Он состоит из представителей национальных обществ вирусологов. Образованы группы изучения вирусов и разрабатываются рекомендации по их таксономии, которые утверждаются общим собранием и затем Международным конгрессом вирусологов, который созывается 1 раз в 4 года. Решения по изменениям в классификации принимаются коллегиально на основе детального изучения свойств вновь выделенного вируса. Современная классификация универсальна для всех вирусов, известных науке (растений, насекомых, животных, человека). В ее основу положены следующие основные критерии:

• Тип нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК), ее структура.

• Наличие суперкапсидной оболочки.

• Размер и морфология вириона, тип его симметрии, число капсомеров.

• Особенности репродукции (в ядре, цитоплазме клетки).

• Феномены генетических взаимодействий.

• Антигенные свойства.

• Круг восприимчивых хозяев.

• Способ передачи вируса.

• Патогенность.

• Географическое распространение и др.

На основании перечисленных признаков вирусы делят на семейства, подсемейства, роды, виды (некоторые вирусы) и типы (серовары). Известно 54 семейства, из них 20 семейств включают вирусы, имеющие медицинское значение (табл. 5). Классификация вирусов до настоящего времени не завершена, продолжается работа по ее совершенствованию.

Таблица 5

Основные семейства вирусов человека и животных

Для упорядочения названий вирусов принят ряд правил. Название семейств оканчивается на «viridae», подсемейств – «virinae», рода – «virus». Прежние видовые названия, в связи с тем что они исторически устоялись, также сохранены.

В качестве примера приведем классификацию вируса гриппа:

Семейство Orthomyxoviridae

1. Род Influenzavirus А, В – виды: вирусы гриппа А и В.

2. Род Influenzavirus С – вид: вирус гриппа С.

У вируса гриппа А есть подвиды: вирусы гриппа А человека, животных и птиц. У вируса гриппа человека имеются сероварианты: H1 N1, H2 N2, H3 N2. У сероварианта H1 N1 — подсероварианты: H1 N1, H0 N1, Hsw1 N1.

Ниже приведены краткие характеристики основных семейств вирусов.

Семейство Parvoviridae

Название происходит от лат. рarvus – мaленький. Самые мелкие вирусы, их размеры лежат в пределах 20 нм. Семейство включает:

• род Parvovirus – могут вызвать поражение клеток красного костного мозга человека и теплокровных животных;

• род Dependovirus – аденоассоциированные вирусы, размножаются только в присутствии аденовирусов, так как сами дефектны; вызывают: ОРЗ, бронхиты, конъюнктивиты, энтероколиты.

Семейство Papovaviridae

Термин «папова» образован от первых слогов следующих терминов «ПАпиллома», «ПОлиома» и «ВАкуоль». В настоящее время роды Papillomavirus и Polyomavirus выделены в отдельные семейства. Род Рapillomavirus – вирусы бородавок человека. Род Polyomavirus – вызывают опухоли у животных.

Семейство Adenoviridae

Впервые были выделены из ткани удаленных аденоидов (отсюда и название семейства). Аденовирусы разделены на два рода:

• род Mastadenovirus – включает 1 – 49-й типы аденовирусов человека;

• род Aviadenovirus – аденовирусы птиц.

Семейство Iridoviridaе

Вирусы радужности насекомых. Для человека патогенен вирус африканской лихорадки свиней.

Семейство Herpesviridae

Вирусы герпеса (от греч. herpes – ползучая), более 70 представителей, поражают человека, обезьян, многие виды животных, грызунов, птиц, земноводных, 8 вирусов данного семейства патогенны для человека.

1. Подсемейство Alnhaherpesvirinae включает три рода. 1-й род – вирусы герпеса человека 1-го и 2-го типов. ВГЧ (вирус герпеса человека) 1-го типа вызывает герпес на губах, коже лица. ВГЧ 2-го типа – половой герпес. Персистирует в спинных ганглиях и дает соответствующие рецидивы. ВГЧ 1-го типа также может вызывать половой герпес при орально-генитальных контактах.

В состав ВГЧ 3-го типа входят вирусы ветряной оспы, опоясывающего лишая (варицелла). У взрослых вызывают межреберную невралгию, межреберный опоясывающий лишай (Zoster). Персистирует пожизненно в грудном отделе спинного мозга.

До 90 % людей являются носителями ВГЧ 1 – 3-го типов, но далеко не у всех в течение жизни могут быть клинические проявления. Роды 2-й, 3-й включают вирусы герпесов животных.

2. Подсемейство Betaherpesvirinae включает 2 рода. Род 1 – цитомегаловирус человека (ВГЧ 4) состоит из 2 серовариантов. Названы они по морфологическим изменениям в поражаемых клетках. Вызывают цитомегалию – заболевание, при котором в моче, слюне, тканях появляются характерные гигантские клетки. Вирус персистирует пожизненно. При тяжелых операциях, стрессах, физических нагрузках он активируется и вызывает иммунодефицитные состояния. Род 2 – вирусы животных.

3. Подсемейство Ganumaherpesvirinae. Для медицины имеет значение вирус Эпстайна – Барр (ВГЧ 5). Это СПИД-ассоциированные вирусы. У белых людей заболевание протекает легко, в детском возрасте (у детей 2 – 10 лет) – в виде инфекционного мононуклеоза с выздоровлением; у азиатов – возникает злокачественная назокарцинома; у африканцев – лимфома Беркитта (множественное поражение лимфоидной ткани с большой смертностью).

Другой представитель данного подсемейства ВГЧ 6 – В-лимфотропный вирус человека HBLV. У детей – это причина внезапной экзантемы и небольшой лихорадочной реакции. У взрослых – яппи-синдром (болезнь менеджеров) – хроническая усталость молодых людей. Разрушаются нейроны головного мозга, что приводит к нарастанию усталости, снижению работоспособности, снижению памяти, распаду интеллекта и личности.

Семейство Poxviridae

Название происходит от aнгл. pox – язвы, пустула. Семейство состоит из двух подсемейств.

1. Подсемейство Chordopoxvirinae – вирусы оспы позвоночных – включает 6 родов:

• Orthopoxvirus – истинные вирусы оспы (вирус натуральной оспы, осповакцины, оспы животных);

• Parapoxvirus – вирусы оспы животных;

• Avipoxvirus – вирусы оспы птиц;

• Capripoxvirus – вирусы оспы овец;

• Leporipoxvirus – вирусы фибромы и миксомы кроликов;

• Suipoxvirus – вирусы оспы свиней.

2. Подсемейство Entomopoxvirine – вирусы насекомых.

Семейство Hepadnaviridae

Это ДНК-геномные вирусы, поражающие печень. В это семейство входят вирусы гепатита В человека, гепатита пекинской утки, земляного сурка, лесной белки.

Второе подцарство – РНК-вирусы; включает в себя следующий ряд семейств.

Семейство Picornаviridae

Это семейство представлено мельчайшими РНК-геномными вирусами и включает.

1. Род Enterovirus (место первичной репродукции в кишечнике) включает:

• полиовирусы 1, 2, 3-го типов (серовариантов), которые вызывают полиомиелит;

• вирусы Коксаки А 1 – 24;

• вирусы Коксаки В 1 – 6;

• вирусы ЕСНО 1 – 9, 11 – 27, 29 – 34 (энтеропатогенные цитопатогенные человеческие вирусы «сиротки»);

• энтеровирусы человека 68 – 73 (диарею вызывают только 69 – 70, остальные поражают мышцы, плевру, вызывают бронхопневмонию, но при этом размножаются в кишечнике).

2. Род Hepatovirus, содержащий вирус гепатита А.

3. Род Rhinovirus, вызывающий заразный легко протекающий насморк у детей (100 серовариантов, перекрестного иммунитета нет).

4. Род Cardiovirus – для человека нет патогенных вирусов.

5. Род Aphtovirus — возбудитель ящура (может вызывать заболевание и у человека).

Семейство Сaliciviridae

Название происходит от лат. сalex (чашка). Под электронным микроскопом видно чашевидное углубление в центре капсида.

Данное семейство включает вирусы гастроэнтеритов человека и HVE – вирус гепатита Е.

Семейство Togaviridae

Название происходит от лат. toga (мантия, накидка). Семейство включает 3 рода.

1. Род Alphavirus – 25 арбовирусов (вирусы венесуэльского, восточного и западного энцефаломиелитов лошадей).

2. Род Rubivirus – вирус краснухи (не арбовирус, передается воздушно-капельным путем и через плаценту).

3. Род Pestivirus – вирус чумы свиней и других млекопитающих.

Семейство Flaviviridae

Название происходит от лат. flavus (желтый). В семейство входят 27 вирусов, передающихся комарами. Одни вызывают желтую лихорадку, другие – энцефалиты (японский, Сент-Луис); 12 видов передаются клещами (Повассан, Лангат, клещевого энцефалита); у 18 вирусов переносчик не установлен. Сюда же включен и род Hepacivirus (вирус гепатита С).

Семейство Retroviridae

Название происходит от лат. retro (обратный). Вирусы содержат РНК-зависимую ДНК-полимеразу (обратную транскриптазу).

1. Подсемейство Oncovirinae – онковирусы. Роды А, В, С, D – вирусы животных. Для человека патогенны HTLV I, II (сероварианты), вызывают Т-лимфолейкозы с летальным исходом.

2. Подсемейство Lentivirinae (медленный) – медленные инфекции: меди, висна, вирусы иммунодефицита животных и человека (ВИЧ I и II).

3. Подсемейство Spumavirinae (пенящий) – выделяются после трансплантации, дают характерное ЦПД (вспенивание культур клеток), но роль в патологии человека не выявлена.

Семейство Bunyaviridae

Название семейства дано по местечку в Африке. Данное семейство включает более 100 вирусов.

1. Род Bunyavirus включает 16 антигенных групп – 145 видов. Сюда входит вирус Hantaann — возбудитель ГЛПС – геморрагической лихорадки с почечным синдромом (актуальна для Дальнего Востока, Крыма). Остальные представители – вирусы членистоногих. Передают кровососы тропической зоны.

2. Род Flebovirus – 20 вирусов – возбудителей москитных лихорадок (лихорадка долины Рифт).

3. Род Nairovirus — 6 антигенных групп, 26 вирусов, в том числе вирус ККГЛ (конго-крымской геморрагической лихорадки).

4. Род Uukuvirus (местечко в Финляндии) – 7 вирусов вызывают легкую лихорадку у человека, передают комары.

Семейство Paramyxoviridae

Вирусы данного семейства находятся рядом с истинными вирусами, поражающими слизистую оболочку.

1. Род Paramyxovirus — вирусы парагриппа человека 1 – 5-го типов и животных.

2. Род Morbillivirus – вирусы кори человека и животных (чумка собак).

3. Род Pneumovirus – RS вирусы человека (респираторно-синцитиальный, образуют синцитий – многоядерные структуры, вызывают ОРЗ).

Семейство Rhabdoviridae

Название происходит от греч. rhabdos (прут). Семейство включает:

1. Род Vesiculovirus — ВВС (вирус везикулярного стоматита).

2. Род Lissavirus вызывает бешенство у животных и человека.

Семейство Reoviridae

У вирусов данного семейства нет суперкапсида, размеры от 80 до 100 нм. Семейство включает:

1. Род Reovirus — реовирусы человека 1, 2, 3-го типов (серовариантов), респираторные энтеропатогенные вирусы-«сиротки».

2. Род Rotavirus – вирусы человека и животных; вызывают гастроэнтериты, диареи у детей, подростков, молодых солдат.

3. Род Orbivirus – орбивирусы, 10 антигенных групп, 75 вирусов (вирусы лихорадки Кемерово и Колорадской лихорадки).