PDF - Nederlands Tijdschrift voor Geneeskunde

capita selecta
Horizontale overdracht van bacteriële genen en de betekenis voor
antibioticaresistentie en pathogeniteit
L.C.Smeets en C.M.J.E.Vandenbroucke-Grauls
– 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 oneinReinier 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.
Correspondentieadres: hr.dr.L.C.Smeets ([email protected]).
dig 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 DNAuitwisseling 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 rele-
Ned Tijdschr Geneeskd. 2007 8 december;151(49)
2709
vant 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.
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
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
2710
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 CTXϕ.4
Toxigene V. cholerae-stammen hebben dezelfde levenswijze
Ned Tijdschr Geneeskd. 2007 8 december;151(49)
a
b
figuur 1. Conjugatie van bacteriën: (a) afbeelding gemaakt met een elektronenmicroscoop; de donor (rechtsonder) is te herkennen
aan de vele pili. De bacteriën worden door de verbinding tegen elkaar aan getrokken, waarna het DNA kan worden getransporteerd van
de ene cel naar de andere (www.yale.edu/turner/projects/ecoli.htm); (b) schematische weergave van het proces van conjugatie.
als non-toxigene stammen, behalve wanneer ze in het maagdarmkanaal 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.
Ned Tijdschr Geneeskd. 2007 8 december;151(49)
2711
figuur 2. Schematische weergave van normale faagreplicatie en transductie: (a) bij normale faagreplicatie wordt faag-DNA gerepliceerd en in faagpartikels verpakt. Deze faagpartikels injecteren het faag-DNA vervolgens in een nieuwe gastheer. Vroeger of later gaat de
cel te gronde na het aanmaken van nieuwe virusdeeltjes; (b) als de gastheercel tijdens het produceren van fagen lyseert, kan ook het
chromosoom desintegreren en kunnen fragmenten hiervan in faagmantels worden verpakt. Bij besmetting van een nieuwe cel wordt dit
chromosomale DNA geïnjecteerd, waarna het door middel van recombinatie kan integreren met het chromosoom.
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 frag-
figuur 3. Schematische weergave van transformatie: de donorbacterie (links) lyseert en het DNA komt vrij en raakt gefragmenteerd
(er zijn DNA-knippende enzymen op het oppervlak van transformerende bacteriën beschreven). De acceptorbacterie neemt een DNAfragment op en dit integreert door middel van recombinatie met het chromosoom. Het corresponderende DNA-fragment raakt los van
het chromosoom en gaat verloren.
2712
Ned Tijdschr Geneeskd. 2007 8 december;151(49)
ment 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 Neisseriasoorten en pneumokokken (S. pneumoniae) is bekend dat ze
via transformatie hun penicillinebindende eiwitten, de aangrijpingspunten van β-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.
Aanvaard op 5 april 2007
Literatuur
1
2
Lawrence JG, Ochman H. Molecular archaeology of the Escherichia
coli genome. Proc Natl Acad Sci USA. 1998;95:9413-7.
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.
Ned Tijdschr Geneeskd. 2007 8 december;151(49)
2713
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
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.
Waldor MK, Mekalanos JJ. Lysogenic conversion by a filamentous
phage encoding cholera toxin. Science. 1996;272:1910-4.
Davison J. Genetic exchange between bacteria in the environment.
Plasmid. 1999;42:73-91.
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.
Shen P, Huang HV. Homologous recombination in Escherichia coli:
dependence on substrate length and homology. Genetics. 1986;112:
441-57.
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.
Spratt BG. Resistance to antibiotics mediated by target alterations.
Science. 1994;264:388-93.
Nesin M, Ramirez M, Tomasz A. Capsular transformation of a multidrug-resistant Streptococcus pneumoniae in vivo. J Infect Dis. 1998;
177:707-13.
Griffith F. The significance of pneumococcal types. J Hyg. 1928;27:
113-59.
McCarty M. The transforming principle. New York: Norton; 1985.
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.
2714
Abstract
Horizontal transfer of bacterial genes and its significance for antibiotic
resistance and pathogenicity
– Sexual reproduction does not occur in bacteria. The point of departure in bacterial reproduction is always that one individual divides
itself into two identical descendants.
– In the bacterial world, however, there is certainly exchange of hereditary characteristics (DNA). This type of exchange is called horizontal gene transfer.
– There are 3 basic ways for the exchange of DNA between bacteria:
conjugation, transduction and natural transformation. Each of these
has its specific impact on the species.
– During conjugation, a piece of DNA is copied in one bacterium
and transferred to another via a temporary connection, a conjugative
pilus. In this way, for example, a particular gene that codes for resistance against antibiotics can be transmitted.
– In transduction, the transfer of DNA takes place with the aid of
bacteriophages. The gene that codes for the toxin produced by Vibrio
cholerae is spread by transduction.
– In transformation, DNA that is located outside the cell is fragmented
and imported into the cell, after which, via recombination, the DNA
replaces a piece of original DNA in the chromosome of the host.
Transformation is responsible for, among other things, antigen
variation in the pneumococcal capsule. Antigen variation helps the
pneumococci to resist the immune response leading to the forming
of antibodies and adequate opsonisation.
Ned Tijdschr Geneeskd. 2007;151:2709-14
Ned Tijdschr Geneeskd. 2007 8 december;151(49)