University of Groningen Regulatory responses of Streptococcus

University of Groningen
Regulatory responses of Streptococcus pneumoniae to varying metal ion- and
nitrogen availability
Kloosterman, Tomas
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to
cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date:
2009
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Kloosterman, T. (2009). Regulatory responses of Streptococcus pneumoniae to varying metal ion- and
nitrogen availability Groningen: s.n.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the
author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately
and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the
number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Download date: 18-07-2017
Samenvatting voor de leek
Samenvatting voor de leek
De aarde herbergt een enorme diversiteit aan levensvormen: van mensen, dieren en
planten tot de kleinste organismen zoals bacteriën. Bacteriën hebben, door hun relatief
eenvoudige levenswijze, een ongekend vermogen om zich aan te passen aan hun
leefomgeving. Zo zijn er bijvoorbeeld bacteriën bekend die optimaal groeien in gloeiend hete
vulkaanmeren of andere extreme omstandigheden. Andere soorten voelen zich thuis in of op
complexere organismen, zoals de mens. Veel interacties tussen mens en bacterie zijn
ongevaarlijk, in hoge mate nuttig zelfs, maar sommige bacteriële soorten kunnen de
gezondheid ernstig schaden. We spreken dan van pathogene, ofwel ziekmakende bacteriën.
Pathogene bacteriën zijn er in allerlei soorten en maten, elk met zijn eigen specifieke
eigenschappen en bijbehorende ziektebeelden.
Streptococcus pneumoniae
Een groot deel van de bacteriële infecties van de mens staat op het conto van
Streptococcus pneumoniae, een bacterie met relatief weinig genetisch materiaal – ongeveer
2000 genen – en uiterlijk gelijkend op een afgetopte rugby bal, een ‘kok’. Deze pneumokok
is, merkwaardig genoeg, sterk verwant aan Lactococcus lactis, een kaasbacterie die we
dagelijks opeten. Maar S. pneumoniae zit net wat anders in elkaar en schept er blijkbaar
genoegen in de mens ziek te maken. Gelukkig zijn de meeste mensen toegerust met een goed
functionerend immuunsysteem dat hen wapent tegen infectie. Maar jonge kinderen,
verzwakte mensen en ouderen, zijn vaak vatbaar voor een invasie van de pneumokok. Hoewel
antibiotica deze venijnige bacterie in de meeste gevallen kunnen vernietigen, steekt
antibiotica resistentie de laatste jaren ook bij de pneumokok de kop op. Wereldwijd bezwijken
er, met name in de ontwikkelingslanden, naar schatting meer dan een miljoen kinderen aan de
gevolgen van infectie met de pneumokok. Daarom proberen wetenschappers S. pneumoniae
door de ontwikkeling van effectieve vaccins aan banden te leggen. Hiervoor is een goed
begrip van de bacterie en zijn interactie met de gastheer noodzakelijk.
S. pneumoniae voelt zich erg thuis in de neusholte van de mens en wel bij voorkeur
achterin: de nasopharynx. Een kolonie kokken in de neus is op zichzelf niet erg, omdat het bij
gezonde personen over het algemeen niet tot ziekte leidt. Maar de neus vormt wel een
besmettingsbron van mens tot mens. Omdat het de eerste aanzet is tot een infectie, is
kolonisatie van de neus een belangrijk aspect waar onderzoek naar wordt gedaan. Hierbij zijn
vragen van belang als: welke genen van de pneumokok spelen een rol bij de kolonisatie van
de nasopharynx, hoe kan kolonisatie worden voorkomen, hoe gaat de verdere verspreiding
van de bacterie naar bijvoorbeeld de longen in zijn werk en zijn er manieren om dat tegen te
gaan. Als S. pneumoniae eenmaal de kans heeft gekregen om zich naar longen, bloed,
middenoor of hersenvlies te begeven, kan dat levensbedreigend uitpakken. Dan hebben we de
kokken aan het dansen! Andere onderzoekers richten zich dus op de eigenschappen van de
pneumokok die noodzakelijk zijn voor de transitie van onschuldige bewoning van de neus tot
de levensgevaarlijke verspreiding naar andere plekken in het lichaam. Inmiddels zijn vele
factoren die daarvoor verantwoordelijk zijn bekend en grondig bestudeerd. Ook zijn er
vaccins in ontwikkeling die al heel behoorlijk bescherming tegen infectie kunnen bieden.
Niettemin is er een aantal aspecten van de pneumokok, dat nader onderzoek verdient om beter
grip te krijgen op het infectie proces en de bestrijding daarvan.
Ontwikkeling van nieuwe methoden en technieken
Het onderzoek beschreven in dit proefschrift benadert de biologie van de pneumokok vanuit
verschillende invalshoeken. De hoofdstukken 2 en 3 laten nieuwe technieken zien waarmee S.
157
Samenvatting voor de leek
Groei van B en C bij selectieve
omstandigheden: A verdwijnt
Pool van mutanten
(A, B en C)
C
B
Gelabelde DNA op chip
met daarop genen v/d
pneumokok
Isolatie van DNA (=gen)
rondom het transposon
groen
label
A
A
A
C
B
mutatie met
transposon in gen
C
B
bacterie-cel
chromosoom
rood
label
Groei bij niet-selectieve
omstandigheden
geel (beide
kleuren)
B
C
rood
Figuur 1. Schematische en vereenvoudigde weergave van de GAF techniek.
pneumoniae op moleculair niveau bestudeerd kan worden: hoofdstuk 2 beschrijft een aantal
algemene methoden en hoofdstuk 3 een techniek om snel en efficiënt genen op te sporen die
betrokken zijn bij bijvoorbeeld de verschillende stadia van infectie. Bij deze techniek, GAF
(Genomic Array Footprinting), wordt quasi een voetafdruk gemaakt van het genoom (zie
Figuur 1). Hiertoe wordt er eerst een populatie mutanten gegenereerd, één mutatie per
bacterie cel, waarbij in de hele populatie idealiter alle genen in het genoom uitgeschakeld
zijn. Vervolgens wordt deze populatie gekweekt in omstandigheden die lijken op die in het
menselijk lichaam. Als er nu genen zijn die van essentieel belang zijn voor de overleving
onder deze selectieve omstandigheden, dan zullen de pneumokokkencellen die een mutatie in
deze genen hebben niet in leven blijven (zoals in bacterie ‘A’ in Figuur 1). Nadat de
populatie van mutanten zich als geheel een tijdje heeft vermenigvuldigd, kan bepaald worden
welke mutaties nog wel in de populatie aanwezig zijn en welke verdwenen zijn. Dit is
mogelijk omdat de mutaties in de genen aangebracht zijn met een bekend stukje DNA. En
met behulp van dat bekende stukje DNA, ook wel een transposon genoemd, dat in elke
overlevende cel van de populatie aanwezig is, kan de DNA code van het gen dat is gemuteerd
worden vermenigvuldigd. Door dit op de hele populatie cellen toe te passen, wordt het DNA
van alle genen die NIET essentieel zijn voor de overleving onder de aangelegde
omstandigheden vermeerderd (de cellen met mutaties in essentiële genen hebben immers het
loodje gelegd). Vervolgens wordt dit DNA van een kleurstofje voorzien en op een chip
gebracht met daarop alle genen van de pneumokok ‘afgedrukt’. Nu zullen alleen díe genen op
de chip oplichten, waarvan het overeenkomstige DNA aanwezig in de populatie mutanten (B
en C in Figuur 1). Van de genen op de chip die geen kleurtje hebben, weten we nu dus dat ze
blijkbaar een functie vervullen in de overleving onder de aangelegde groeiconditie (A in
Figuur 1, waarbij alleen een rood signaal van de niet-selectieve omstandigheden aanwezig is).
Het zelfde principe kan ook toegepast worden op een populatie gemuteerde pneumokokken
die in een proefdier model is gebracht en vervolgens daaruit is terugverkregen. Of op een
populatie mutanten die in contact is gebracht met menselijke afweercellen. Zo kan voor het
hele genoom van S. pneumoniae in kaart worden gebracht welke groepen genen van belang
zijn voor overleving onder invloed van de verschillende stressfactoren waaraan de bacterie
wordt blootgesteld tijdens het infectieproces. Momenteel zijn dergelijke toepassingen van de
GAF-techniek in volle gang en de verwachting is dat dit op termijn veel nieuwe
perspectieven biedt voor de ontwikkeling van verbeterde vaccins.
De rol van zink
Het hierboven beschreven onderzoek is gericht op de bacterie als geheel. Het is echter
altijd noodzakelijk dat na een dergelijke screen de functie van de genen waarvan een relatie
met een bepaalde groei omstandigheid is gevonden nader wordt onderzocht. Van een paar
mooie staaltjes van dergelijk onderzoek is verslag gedaan in de hoofdstukken 4 tot en met 7.
158
Samenvatting voor de leek
In deze hoofdstukken is namelijk de wijze waarop de pneumokok omgaat met 2 externe
factoren onder de loep genomen.
Op basis van voorspellingen aan de hand van de DNA volgorde in het genoom van S.
pneumoniae, is de hypothese gesteld dat een belangrijke omgevingsfactor de beschikbare
concentratie van zink is. Deze hypothese manifesteerde zich des te sterker, doordat uit de
wetenschappelijke literatuur een duidelijk belang van zink voor de menselijke afweer kon
worden opgemaakt. Bovendien blijkt de concentratie van zink in het menselijk lichaam sterk
te kunnen variëren. De verwachting is dus dat de pneumokok tijdens zijn infectie van het
lichaam blootgesteld wordt, en in staat moet zijn om zich aan te passen aan, deze
schommelende hoeveelheden zink. Om de effecten van zink op de pneumokok te kunnen
bepalen is de expressie van alle genen gemeten in omstandigheden met zeer weinig zink en
omstandigheden met juist heel veel zink. Met deze proef werd ontdekt dat onze pathogene
streptokok een heel scala aan genen sterk tot uiting laat komen in de afwezigheid van zink en
een andere groep genen in de aanwezigheid van zink. Deze genen coderen onder andere voor
transportsystemen die zink in de cel kunnen transporteren en transportsystemen die een
schadelijk overschot aan zink weer uit de cel kunnen pompen. Een spectaculaire bevinding is
dat er tussen de gevonden genen ook een aantal is, zogenaamde virulentiefactoren, waarvan is
aangetoond, of waarvan het sterke vermoeden bestaat, dat ze betrokken zijn bij de interactie
tussen de pneumokok en cellen van de lichaamsweefsels. Hierbij moet je denken aan eiwitten
die de pneumokok gebruikt om zich vast te hechten aan de lichaamscellen, bijvoorbeeld om
zich goed te kunnen handhaven in de neus. De vraag rees nu hoe het kan dat het tot uiting
komen van deze genen beïnvloed wordt door zink. Door verschillende onderzoeksstrategieën
toe te passen, zijn drie eiwitten opgespoord waarvan is aangetoond dat ze, afhankelijk van de
concentratie zink, verantwoordelijk zijn voor het aan- of uitzetten van de groep genen. Het
blijkt dus dat specifieke virulentiefactoren aangezet worden in reactie op de concentratie zink
waaraan de pneumokok is blootgesteld. Kortom, zink heeft waarschijnlijk een groot effect op
het verloop van een infectie. Hoe zink precies de relatie van de pneumokok tot zijn gastheer
beïnvloedt, alsmede de precieze functies van de virulentiefactoren, zal in de toekomst
onderzocht moeten worden.
De rol van glutamine
Een tweede groeifactor waarvan het effect op de pneumokok is onderzocht, is de
concentratie van twee van de belangrijkste aminozuren, te weten glutamine en glutamaat.
Deze aminozuren zijn bouwstenen voor vele belangrijke componenten in de pneumokok,
zoals eiwitten, de celwand en het kapsel waarmee hij zich beschermt tegen ongewenste
aanvallen van het immuunsysteem. In hoofdstuk 6 is in kaart gebracht welke genen in de
pneumokok het efficiënt gebruik van glutamine en glutamaat waarborgen. De pneumokok
blijkt genen te hebben die verantwoordelijk zijn voor de opname van deze twee aminozuren
en er zijn ook genen om ze in elkaar om te zetten. Het onderzoek liet zien dat er een specifiek
eiwit is dat, naar analogie met de reactie op zink, afhankelijk van de concentratie glutamine
en glutamaat, deze genen meer of minder tot uiting laat komen. Hoewel alle bacteriën
dergelijke systemen, die een efficiënt gebruik van glutamine en glutamaat bewerkstelligen,
bevatten, is het natuurlijk zeer interessant om te weten te komen hoe de pneumokok in het
menselijk lichaam nou aan zijn maaltje glutamine en glutamaat komt. Helaas konden geen
vrijwilligers worden gevonden die bereid waren om zich in te laten spuiten met een bende
pneumokokken. Daarom is gekozen voor een proefopzet met muizen als slachtoffer van onze
strijdlustige vriend, waarbij het gedrag van de pneumokokken in de neus, longen en
bloedbaan kon worden bestudeerd. Deze werkwijze werd toegepast op mutante
pneumokokken, waarbij de afzonderlijke genen die betrokken zijn bij het gebruik van
glutamine en glutamaat waren uitgeschakeld, om zo inzicht te krijgen in het belang van deze
159
Samenvatting voor de leek
genen voor de overleving, en dus de virulentie, in de verschillende compartimenten van de
muis. De experimenten duidden erop dat de opname van de beide aminozuren erg belangrijk
is voor de overleving van de pneumokok in de longen, terwijl de aanmaak van glutamine uit
glutamaat juist de efficiëntie van het koloniseren van de neus van de muis verhoogt.
Gelijktijdige uitschakeling van beide processen, leverde een dusdanig manke pneumokok op,
dat de muis geenszins last ondervond van de ingebrachte bacteriën, zelfs niet als deze
regelrecht in de bloedbaan werden geïnjecteerd. Dit reusachtige belang van de glutamine- en
glutamaatgenen voor infectie betekent dat toekomstige vaccins wellicht ook (ten dele) hierop
gericht kunnen worden.
Al met al levert dit proefschrift dus op verschillende terreinen een forse bijdrage aan
het begrip van het hoe en waarom van infectie van de mens door de pneumokok en vormt het
een schakel in de keten die leidt naar verbeterde medicatie tegen en preventie van deze
vileine doch intrigerende bacterie.
160