Transfer genów środowiskowych jako klucz do odporności Vibrio cholerae
Jak bakterie cholery uczą się odporności od innych mikroorganizmów
Bakterie, podobnie jak inne organizmy, funkcjonują w środowisku pełnym zagrożeń biologicznych. Vibrio cholerae – czynnik etiologiczny cholery – nieustannie podlega presji ze strony wirusów bakteryjnych (bakteriofagów). W odpowiedzi na to zagrożenie bakterie wykształciły złożone systemy obrony przeciwwirusowej, w tym mechanizmy oparte na strukturach genetycznych zdolnych do dynamicznej reorganizacji i adaptacji.
Sedentarny integron chromosomalny (SCI)
Jednym z kluczowych elementów genomu V. cholerae jest tzw. sedentarny integron chromosomalny (SCI – sedentary chromosomal integron). Struktura ta zawiera setki niewielkich jednostek DNA określanych jako kasety genowe, ułożone liniowo niczym łańcuch pereł. Choć funkcja wielu z tych kaset pozostaje nieznana, około 10% z nich koduje systemy odporności przeciwwirusowej.
Problem: aktywacja kaset genowych
Istotnym problemem pozostawało jednak wyjaśnienie, w jaki sposób te geny są aktywowane. Większość kaset znajduje się daleko od miejsca inicjacji transkrypcji, co skutkuje ich funkcjonalnym wyciszeniem. Dotychczasowe modele zakładały możliwość wewnętrznych rearanżacji kaset, które umożliwiałyby ich aktywację, jednak w pandemicznych liniach V. cholerae nie zaobserwowano takich przetasowań od ponad sześciu dekad.
Mechanizmy pobierania DNA i kompetencja naturalna
Aby odpowiedzieć na pytanie dotyczące aktywacji kaset genowych, zespół kierowany przez Melanie Blokesch z Laboratory of Molecular Microbiology at EPFL zbadał możliwość pozyskiwania nowych kaset genowych z materiału genetycznego obecnego w środowisku zewnętrznym.
Kluczową rolę w tym procesie odgrywa zjawisko kompetencji naturalnej – zdolność bakterii do pobierania wolnego DNA z otoczenia. Vibrio cholerae wykazuje tę zdolność szczególnie w obecności chityny, polisacharydu występującego w pancerzach skorupiaków, powszechnego w środowiskach wodnych.
W warunkach laboratoryjnych badacze odtworzyli te warunki, hodując bakterie na podłożu zawierającym chitynę oraz dostarczając im DNA pochodzące zarówno od innych szczepów V. cholerae, jak i od pokrewnych gatunków rodzaju Vibrio. Następnie analizowano, czy nowo pozyskane kasety genowe są włączane na początek struktury integronu, co warunkuje ich ekspresję.
Transfer poziomy jako dominujący mechanizm adaptacji
Wyniki opublikowane w czasopiśmie Science wykazały, że Vibrio cholerae efektywnie pozyskuje nowe kasety genowe z DNA obecnego w środowisku. W ekosystemach wodnych materiał genetyczny uwalniany jest w wyniku lizy komórek bakteryjnych, wywołanej przez bakteriofagi, związki przeciwdrobnoustrojowe lub konkurencyjne mechanizmy bakteryjne.
Kompetentne komórki bakterii mogą pobierać ten DNA i selektywnie integrować jego fragmenty do własnego integronu chromosomalnego. W efekcie dochodzi do szybkiego wzbogacenia repertuaru genów odpornościowych.
Jak obrazowo opisuje Melanie Blokesch, proces ten można porównać do przekazania odporności immunologicznej między pokoleniami: bakteria „dziedziczy” mechanizmy obronne wykształcone przez inne komórki, uzyskując natychmiastową ochronę przed określonymi wirusami.
Co istotne, badania wykazały również, że kasety genowe włączone na początkowej pozycji integronu są funkcjonalne. Wiele z nich zapewniało skuteczną ochronę przed bakteriofagami infekującymi bakterie z rodzaju Vibrio (tzw. vibriophagi).
Ograniczenia w linii pandemicznej i implikacje kliniczne
Interesującym wyjątkiem okazała się pandemiczna linia 7PET Vibrio cholerae. W tym przypadku integron chromosomalny pozostaje w dużej mierze statyczny, co sugeruje adaptację do środowiska związanego z gospodarzem ludzkim, gdzie presja selekcyjna różni się od tej w środowisku wodnym.
Autorzy badania wskazują jednak, że w przypadku ponownego kontaktu z warunkami środowiskowymi sprzyjającymi kompetencji naturalnej, także szczepy pandemiczne mogą odzyskać zdolność do pozyskiwania nowych kaset genowych i rozszerzania repertuaru mechanizmów obronnych.
Ma to istotne znaczenie w kontekście rozwijanych strategii terapeutycznych opartych na bakteriofagach, które są rozważane jako narzędzie kontroli cholery w regionach endemicznych. Ewolucyjna plastyczność bakterii może bowiem wpływać na skuteczność takich interwencji.
Źródło: Science, Competence-mediated DNA uptake diversifies Vibrio cholerae sedentary chromosomal integrons
DOI: http://dx.doi.org/10.1126/science.aed0645
