Horizontale overdracht van bacteriële genen en de betekenis voor antibioticaresistentie en pathogeniteit

Klinische praktijk
L.C. Smeets
C.M.J.E. Vandenbroucke-Grauls
Citeer dit artikel als
Ned Tijdschr Geneeskd. 2007;151:2709-14
Abstract
Download PDF

Samenvatting

- Bij bacteriën komt geslachtelijke voortplanting niet voor. Het uitgangspunt bij bacteriële voortplanting is altijd één individu dat zich in twee identieke nakomelingen deelt.

- In de bacteriële wereld komt echter wel degelijk uitwisseling van erfelijke eigenschappen (DNA) voor. Dit wordt ook wel horizontale genoverdracht genoemd.

- Er zijn 3 basisvormen van uitwisseling van DNA tussen bacteriën: conjugatie, transductie en natuurlijke transformatie. Deze hebben elk een verschillende invloed op de soort.

- Bij conjugatie ontstaat er een tijdelijke verbinding tussen twee bacteriën, een conjugatieve pilus. In de ene bacterie wordt een stuk DNA gekopieerd en dit wordt getransporteerd naar de andere bacterie. Op deze wijze wordt bijvoorbeeld een bepaald gen dat codeert voor resistentie tegen antibiotica doorgegeven.

- Bij transductie vindt er overdracht van DNA plaats met behulp van bacteriofagen. Het gen dat codeert voor het toxine dat door Vibrio cholerae wordt geproduceerd, wordt via transductie verspreid.

- Bij transformatie wordt buiten de cel gelegen DNA gefragmenteerd en binnengehaald in de cel, waarna het DNA via recombinatie in het gastheerchromosoom een oorspronkelijk stuk DNA vervangt. Transformatie zorgt onder meer voor antigene variatie in de kapsels van pneumokokken. Deze antigene variatie helpt de pneumokokken om weerstand te bieden aan de immuunrespons die leidt tot antilichaamvorming en goede opsonisatie.

Ned Tijdschr Geneeskd. 2007;151:2709-14

De meeste eukaryoten, zoals planten, schimmels en dieren, planten zich voort door middel van kruising tussen een vrouwelijke en een mannelijke variant: geslachtelijke voortplanting. Bij bacteriën komt deze vorm van voortplanting in het geheel niet voor. Het uitgangspunt voor bacteriële voortplanting wordt nooit gevormd door twee individuen, maar altijd door één individu dat zich simpelweg in twee identieke nakomelingen deelt. Deze vorm van voortplanting is efficiënt, maar omdat bacteriën voortkomen uit één ouder zijn ze in principe altijd identiek aan hun enige voorouder. In genetische termen is de populatie ‘klonaal’. Een populatie daarentegen waarbij de erfelijke eigenschappen vrijelijk gemengd worden, heet ‘panmictisch’. Een populatie die zich geslachtelijk voortplant is normaal gesproken panmictisch. Een mutatie die gunstig uitpakt, zal zich in een panmictische populatie snel kunnen verspreiden door de soort; bij een klonale populatie kan dit echter niet. Evenzo ontstaan er in een klonale populatie nooit nieuwe combinaties van eigenschappen, terwijl van panmictische soorten oneindig veel verschillende individuen ontstaan met unieke combinaties. Meer variatie betekent meer kansen: meer kans dat de soort zich weet te handhaven in moeilijke omstandigheden, meer kans dat een subpopulatie een nieuwe ecologische ‘niche’ weet te bezetten.

Ook in de bacteriële wereld komt echter wel degelijk uitwisseling van erfelijke eigenschappen (DNA) voor, alleen vindt deze niet tijdens de voortplanting plaats. Daarom wordt hiervoor de term ‘horizontale genoverdracht’ (‘horizontal gene transfer’) gebruikt. ‘Horizontaal’ refereert aan de kruising die optreedt zonder dat er een nieuwe generatie aan de stamboom komt. Geslachtelijke kruising gaat immers altijd van ouder op kind, ‘verticaal’ door de stamboom. Bacteriën maken onderscheid tussen stabiele en mobiele genen en zijn niet aan soortgrenzen gebonden. Zo is 18 van het E. coli-genoom door horizontale genoverdracht uit andere soorten verworven.1

In dit artikel worden de belangrijkste vormen van DNA-uitwisseling tussen bacteriën besproken, waarbij telkens medisch relevante voorbeelden worden gegeven.

horizontale overdracht van genetisch materiaal

Chromosoom

Het bacteriële genoom is in een aantal opzichten anders dan dat van ons. Een paar verschillen zijn relevant voor het begrijpen van dit artikel. Zo hebben bacteriën gewoonlijk één cirkelvormig chromosoom. Hierop zijn onder andere de essentiële functies gelegen, zoals het basaal metabolisme van het organisme. In eukaryote cellen daarentegen zijn meestal 2 chromosomen aanwezig, het vaderlijke en het moederlijke. Van bacteriële genen is daarom ook slechts één allel aanwezig, waar de mens twee allelen heeft.

Plasmiden

Naast het bacteriële chromosoom kunnen nog plasmiden aanwezig zijn; ook die zijn cirkelvormig. Plasmiden zijn kleine DNA-fragmenten die zich net als chromosomen bij iedere celdeling vermenigvuldigen en zich verdelen over de twee dochtercellen. Het verschil met chromosomen is dat plasmiden veel kleiner zijn en geen essentiële functies bevatten; ze kunnen in principe gemist worden. Er bestaan plasmiden die voorkomen bij alle bacteriën van een bepaalde soort, maar er zijn er ook die slechts af en toe worden aangetroffen. Plasmiden hoeven ook niet soortspecifiek te zijn; sommige plasmiden kunnen bij zeer verschillende bacteriesoorten aanwezig zijn.

Transposons

Daarnaast zijn er transposons. Ook dit zijn niet-chromosomale stukken DNA, maar transposons kunnen niet zoals een plasmide voor hun eigen deling zorgen. In plaats daarvan integreren ze met het chromosoom van de gastheer of eventueel met een plasmide en op die manier blijven ze behouden bij de celdeling. Het bacteriële genoom bevat dus verschillende variabele elementen.

Er zijn 3 basisvormen van DNA-uitwisseling tussen bacteriën: conjugatie, transductie en natuurlijke transformatie. Deze hebben elk een andere invloed op de soort.

conjugatie

Bij conjugatie ontstaat er een tijdelijke verbinding tussen twee bacteriën, een conjugatieve pilus. Daarna wordt er in één van de twee bacteriën, de donor, een stuk DNA gekopieerd; dit wordt getransporteerd naar de andere bacterie, de acceptor, waarna de verbinding wordt verbroken. Het resultaat is dat de acceptor er een extra stuk DNA bij heeft gekregen (figuur 1).

Bij conjugatie wordt normaliter geen willekeurig stuk DNA overgedragen, maar een specifiek ‘mobiel’ DNA-fragment dat de gedaante heeft van een plasmide of een transposon. Dit fragment bestaat uit genen die coderen voor het transportsysteem dat de conjugatie verzorgt, zodat de acceptor later weer als donor van hetzelfde mobiele DNA kan fungeren; verder zijn er genen aanwezig die coderen voor de basisfuncties die het fragment nodig heeft om zich in de gastheer te handhaven als plasmide of transposon.

Daarnaast kunnen er op het DNA-fragment genen gelegen zijn die voor uiteenlopende bacteriële eigenschappen coderen. Een algemeen kenmerk van die genen is dat ze optioneel zijn; ze zijn dus niet noodzakelijk voor het basismetabolisme of andere essentiële functies. Vaak gaat het om combinaties van eigenschappen die in specifieke omstandigheden van nut zijn voor de gastheer, maar die in andere omstandigheden overbodig zijn. De eigenschappen die op het mobiele DNA worden gecodeerd kunnen soms tussen heel verschillende bacteriële species worden overgedragen.

Conjugatie en resistentie

Een treffend en tegelijk medisch relevant voorbeeld van conjugatie betreft plasmiden en transposons waarop genen zijn verzameld die coderen voor resistentie tegen allerlei antibiotica. Ze zorgen daardoor in één klap voor resistentie tegen meerdere klassen van antibiotica, die wat het werkingsmechanisme betreft niets met elkaar gemeen hoeven te hebben. Deze combinatie van resistenties is uiteraard alleen nuttig als de betreffende stam regelmatig aan antibiotica wordt blootgesteld. Dergelijke plasmiden of transposons kunnen hardnekkige resistentieproblemen in ziekenhuizen veroorzaken. Er kunnen daarbij diverse bacteriesoorten in het spel zijn, waardoor minder snel opvalt dat de gevonden resistente stammen iets met elkaar te maken hebben. Hoewel de situatie in Nederland en in de Scandinavische landen niet te vergelijken is met die in andere delen van de wereld, circuleren dergelijke conjugatieve plasmiden en transposons ook hier.2

Conjugatie is weliswaar een wijdverbreid fenomeen, maar heeft op de lange duur weinig effect op de soort. Bij conjugatie worden immers alleen mobiele DNA-fragmenten overgedragen; er vindt geen willekeurige vermenging van erfelijke eigenschappen plaats, zoals bij geslachtelijke voortplanting.

transductie

De tweede vorm van DNA-overdracht tussen bacteriën heet transductie. Dit is overdracht die plaatsvindt met behulp van bacteriofagen. Een bacteriofaag is een virus waarvan de gastheer een bacterie is en niet een eukaryote cel. Net als virussen infecteren bacteriofagen een cel door hun eigen DNA erin te injecteren, waarna de cel vroeger of later wordt aangezet tot het maken van nieuwe virusdeeltjes. Anders dan virussen dragen bacteriofagen soms niet alleen de genen bij zich die nodig zijn voor hun eigen verspreiding, maar ook additionele eigenschappen voor hun nieuwe gastheer.

Transductie en cholera

Een medisch relevant voorbeeld van transductie is dat van het choleratoxine van Vibrio cholerae. Vibrio-soorten zijn meestal onschuldige waterbewoners. V. cholerae is daarop in principe geen uitzondering; deze soort leeft gewoonlijk op algen of plankton.3 Er bestaan van deze soort echter ook zogenaamde toxigene stammen. Deze onderscheiden zich van non-toxigene stammen door de aanwezigheid van het choleratoxine, dat de secretie van water en chloride-ionen in de dunne darm veroorzaakt. Het gen dat codeert voor dit toxine is gelegen op bacteriofaag CTXø.4 Toxigene V. cholerae-stammen hebben dezelfde levenswijze als non-toxigene stammen, behalve wanneer ze in het maag-darmkanaal van de mens terechtkomen; dit kan bijvoorbeeld gebeuren wanneer men schaaldieren eet.

Net als bij conjugatie is in dit voorbeeld sprake van overdracht van specifiek DNA. Bacteriofagen kunnen echter ook zorgen voor overdracht van willekeurige stukken DNA. Er kan namelijk bij de assemblage van nieuwe faagpartikels een verkeerd stuk DNA worden ingepakt in de faagmantel wanneer de gastheer onder invloed van de faag lyseert (openknapt) en de cel desintegreert (figuur 2).5 Daarbij valt het chromosoom uiteen in stukken die klein genoeg kunnen zijn om in de faagmantel te passen. Er ontstaat een faag die een nieuwe cel kan besmetten, maar die in plaats van het faag-DNA een stukje chromosoom van zijn vorige gastheer injecteert.

transformatie

Het derde systeem voor horizontale genoverdracht heet transformatie. Natuurlijke transformatie bestaat uit actieve opname van vrij DNA, dat wil zeggen DNA dat buiten de cel gelegen is. Dit DNA is afkomstig van dode bacteriën. Het DNA wordt door een gespecialiseerd transportsysteem gefragmenteerd en binnengehaald in de cel, waarbij de opgenomen fragmenten lang genoeg kunnen zijn om complete genen te bevatten.6 Omdat het om willekeurige stukken gaat, zal het opgenomen DNA normaal gesproken geen genen bevatten die coderen voor functies die zorgen voor handhaving in de cel, zoals bij een chromosoom of plasmide. Dergelijk DNA wordt gewoonlijk afgebroken en gaat verloren.

Recombinatie

De enige manier waarop DNA na opname kan blijven bestaan, is door middel van recombinatie met bestaand DNA. Recombinatie komt bij geslachtelijke organismen ook voor, in de vorm van het uitwisselen van stukken DNA tussen een vaderlijk en een moederlijk chromosoom. Daarbij komen tijdens de eerste meiotische fase de corresponderende homologe stukken chromosoom parallel aan elkaar te liggen, waarna in beide chromosomen op exact dezelfde plek een knip wordt gegeven. Hierna worden de helften kruiselings weer aan elkaar gezet. Het vaderlijke en het moederlijke chromosoom blijven dus precies hetzelfde wat betreft lengte en genetische informatie, alleen nemen ze van een aantal genen elkaars allelen over.

Ook bij bacteriën treedt recombinatie alleen op als er voldoende homologie is tussen de twee stukken DNA. Hierbij is er echter geen sprake van gelijke partijen. Het nieuw in de cel opgenomen stuk DNA neemt, als een koekoeksjong, op het chromosoom de plaats in van het DNA waarmee het recombineert. Het oude stuk DNA is dan op zijn beurt losgeraakt van het chromosoom en gaat verloren. Uiteindelijk houdt de bacterie dus een even lang chromosoom als voorheen, met evenveel genen, maar met nieuwe allelen van deze genen (figuur 3). Is er onvoldoende homologie met een bestaand stuk chromosoom, dan zal geen recombinatie plaatsvinden en wordt het nieuw opgenomen DNA afgebroken. Voldoende homologie aan de uiteinden van het fragment is cruciaal. Bij Escherichia coli houdt dit in dat de homologie 90-100 moet zijn over een lengte van tenminste 23 basenparen.7

Transformatie en klinische consequenties

Omdat bij transformatie willekeurige stukken DNA worden opgenomen heeft deze vorm van overdracht de meeste impact op de soort. Het vermogen om te transformeren is niet bij elke soort aanwezig; het hangt ervan af of de soort al dan niet een DNA-transportsysteem heeft. Bacteriesoorten die het vermogen tot transformatie bezitten, kunnen kruisen tot oneindig veel varianten en hebben een populatiestructuur die minder klonaal is dan die van soorten die niet kunnen transformeren. De maagbewoner Helicobacter pylori heeft zelfs een vrijwel panmictische populatiestructuur.8 Opvallend is dat heel veel mucosale pathogenen in staat zijn tot transformatie: Neisseria, Haemophilus, Streptococcus (waaronder ook Streptococcus pneumoniae) en H. pylori. Van Neisseria-soorten en pneumokokken (S. pneumoniae) is bekend dat ze via transformatie hun penicillinebindende eiwitten, de aangrijpingspunten van ?-lactamantibiotica, kunnen veranderen, waardoor ze minder gevoelig worden voor penicilline.9

Transformatie is eveneens van groot belang voor antigene variatie van pneumokokken. Pneumokokken bezitten een polysaccharidekapsel dat ze beter bestand maakt tegen opsonisatie en fagocytose. Antigene variatie in de kapsels helpt pneumokokken om weerstand te bieden aan de immuunrespons die leidt tot antilichaamvorming en goede opsonisatie. Deze antigene variatie wordt versterkt doordat er een uitwisseling van de kapselgenen tussen pneumokokken plaatsvindt door middel van transformatie.10

van ‘transformerend principe’ naar dna

Het bestaan van deze transformatie met kapselgenen heeft geleid tot het baanbrekende inzicht dat DNA de drager is van erfelijke eigenschappen. In de jaren twintig van de vorige eeuw experimenteerde de Britse onderzoeker Griffith met ‘gladde’ (gekapselde) en ‘ruwe’ (ongekapselde) pneumokokken. Het polysaccharidekapsel dat de gladde kolonievorm veroorzaakt, was nog niet bekend; wel wist men dat de gladde vorm bij inspuiting in de buikholte van muizen leidt tot een dodelijke peritonitis, terwijl de ruwe vorm door het immuunsysteem van de muis opgeruimd kan worden.

Tijdens zijn proeven viel Griffith echter iets vreemds op: als hij levende ruwe bacteriën samen met dode gladde bacteriën inspoot, gingen de muizen toch dood en kon hij levende gladde bacteriën uit de muizen kweken. Op de een of andere wijze bleken de ruwe bacteriën te kunnen veranderen in gladde bacteriën met de bijbehorende dodelijke eigenschappen, mits er dode gladde bacteriën in de buurt waren. Dit proces noemde Griffith ‘transformatie’, en de onbekende drager van de ‘gladde eigenschap’ noemde hij het transformerend principe (‘transforming principle’).

Voorts bleek dat de bacteriën ook na vermenigvuldiging glad bléven, met andere woorden: de eigenschap was erfelijk overdraagbaar geworden. Er was toen tussen genetici al decennialang een heftig debat gaande over de stoffelijke drager van onze genen, waarbij DNA overigens absoluut niet in beeld was als kandidaat. Griffith was echter geen geneticus, maar een klinisch onderzoeker die een behandeling zocht voor infecties met de gevreesde pneumokokken. Hoogstwaarschijnlijk heeft hij zich niet gerealiseerd dat zijn transformerend principe de lang gezochte drager van erfelijke eigenschappen moest zijn; hij richtte zijn aandacht verder op andere zaken.11

Drie andere onderzoekers, Avery, MacLeod en McCarty, pakten het onderzoek naar het transformerend principe weer op. Zij realiseerden zich geleidelijk aan wél dat zij de sleutel van een mysterie in handen hadden, en na 10 jaar van moeizame experimenten kwamen ze tot de conclusie dat DNA de drager van onze genen is.12 13 Hun onthulling kreeg echter een lauwe en ongelovige ontvangst bij gevestigde genetici.13 Toen Watson en Crick 10 jaar later de show stalen met hun fotogenieke DNA-helix, waren de oorspronkelijke ontdekkers van onze genen alweer half vergeten.

conclusie

Hoewel bacteriën op het eerste gezicht veel slechter dan hogere organismen in staat zijn tot het uitwisselen van erfelijke eigenschappen, blijkt bij nadere bestudering het tegendeel het geval. Waar hogere organismen bij iedere generatie veel energie steken in een relatief inefficiënte voortplantingsmethode, zijn bacteriën in staat om zich razendsnel te delen en toch, heel selectief, belangrijke erfelijke informatie over te dragen. Het is dan ook niet verwonderlijk dat het aanpassingsvermogen van bacteriën ons in de klinische praktijk regelmatig voor verrassingen stelt.

Belangenconflict: geen gemeld. Financiële ondersteuning: geen gemeld.

Literatuur
  1. Lawrence JG, Ochman H. Molecular archaeology of the Escherichia coli genome. Proc Natl Acad Sci USA. 1998;95:9413-7.

  2. Leverstein-van Hall MA, Box AT, Blok HE, Paauw A, Fluit AC, Verhoef J. Evidence of extensive interspecies transfer of integron-mediated antimicrobial resistance genes among multidrug-resistant Enterobacteriaceae in a clinical setting. J Infect Dis. 2002;186:49-56.

  3. Huq A, Small EB, West PA, Huq MI, Rahman R, Colwell RR. Ecological relationships between Vibrio cholerae and planktonic crustacean copepods. Appl Environ Microbiol. 1983;45:275-83.

  4. Waldor MK, Mekalanos JJ. Lysogenic conversion by a filamentous phage encoding cholera toxin. Science. 1996;272:1910-4.

  5. Davison J. Genetic exchange between bacteria in the environment. Plasmid. 1999;42:73-91.

  6. Smeets LC, Arents NLA, Zwet AA van, Vandenbroucke-Grauls CMJE, Verboom T, Bitter W, et al. Molecular patchwork: chromosomal recombination between two Helicobacter pylori strains during natural colonization. Infect Immun. 2003;71:2907-10.

  7. Shen P, Huang HV. Homologous recombination in Escherichia coli: dependence on substrate length and homology. Genetics. 1986;112:441-57.

  8. Suerbaum S, Smith JM, Bapumia K, Morelli G, Smith NH, Kunstmann E, et al. Free recombination within Helicobacter pylori. Proc Natl Acad Sci USA. 1998;95:12619-24.

  9. Spratt BG. Resistance to antibiotics mediated by target alterations. Science. 1994;264:388-93.

  10. Nesin M, Ramirez M, Tomasz A. Capsular transformation of a multidrug-resistant Streptococcus pneumoniae in vivo. J Infect Dis. 1998;177:707-13.

  11. Griffith F. The significance of pneumococcal types. J Hyg. 1928;27:113-59.

  12. McCarty M. The transforming principle. New York: Norton; 1985.

  13. Avery OT, MacLeod CM, McCarty M. Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumococcal types. J Exp Med. 1944;79:137-58.

Auteursinformatie

Reinier de Graaf Groep, afd. Medische Laboratoria, Postbus 5010, 2600 GA Delft.

Hr.dr.L.C.Smeets, arts-microbioloog.

VU Medisch Centrum, afd. Medische Microbiologie en Infectiepreventie, Amsterdam.

Mw.prof.dr.C.M.J.E.Vandenbroucke-Grauls, arts-microbioloog.

Contact hr.dr.L.C.Smeets (lsmeets@rdgg.nl)

Gerelateerde artikelen

Reacties