Variation in multiple classes of simple sequence repeats can alter drug susceptibility in Mycobacterium tuberculosis

Bacteriën zijn meesters in overleving en passen zich voortdurend aan de barre omstandigheden van hun omgeving aan. Een manier waarop ze dit doen, is door minuscule, omkeerbare veranderingen aan te brengen in hun genetische code. Stel je een zin voor in een boek waarin bepaalde woorden steeds opnieuw worden herhaald, zoals "de kat de kat de kat". Als een drukker een kleine fout maakt en een van die herhaalde woorden toevoegt of verwijdert, kan de hele betekenis van de zin verschuiven. In de microscopische wereld van bacteriën worden deze herhaalde sequenties 'simple sequence repeats' genoemd. Wanneer bacteriën een paar van deze herhalende eenheden winnen of verliezen, kan dit veranderen hoe hun eiwitten worden gebouwd, wat hen soms in staat stelt om beter te overleven in nieuwe of vijandige situaties. Dit vermogen om hun eigen biologie snel bij te sturen, is een belangrijke reden waarom bacteriële infecties zo moeilijk te behandelen kunnen zijn, vooral wanneer er antibiotica bij betrokken zijn.

Wetenschappers weten al lang dat deze genetische slips frequent voorkomen bij Mycobacterium tuberculosis, de bacterie die tuberculose veroorzaakt. Ze hebben waargenomen dat sommige van deze veranderingen voorkomen in eenvoudige, enkelvoudige letter-herhalingen en de bacteriën kunnen helpen om medicijnen te weerstaan of te overleven in een menselijke gastheer. Echter, een groot deel van de puzzel bleef onopgelost. Hoewel onderzoekers de impact van de eenvoudigste herhalingen begrepen, wisten ze zeer weinig over hoe complexere, meerletterige herhalende patronen het vermogen van bacteriën om met medicijnen om te gaan beïnvloedden. Het was onduidelijk of deze meer ingewikkelde genetische variaties een significante rol speelden in drugresistentie, of dat ze slechts willekeurige ruis in het genoom waren.

Een team van onderzoekers zette zich in om dit mysterie op te lossen door te kijken naar echte bacteriën die verzameld waren van patiënten in Vietnam en Peru. Ze combineerden een gedetailleerde analyse van de stamboom van de bacteriën met laboratoriumexperimenten om te zien welke genetische veranderingen er daadwerkelijk toe deden. Door deze klinische stammen te bestuderen, ontdekten ze dat variaties in meerdere klassen van deze herhalende sequenties zeer algemeen voorkwamen en vaak gekoppeld waren aan hoe goed de bacteriën konden overleven tijdens een antibioticabehandeling. De onderzoekers identificeerden specifieke veranderingen in de genetische code die de gevoeligheid van de bacteriën voor medicijnen veranderden. Sommige van deze veranderingen hielden in dat er enkele letters werden toegevoegd of verwijderd op een manier die de instructies voor het bouwen van eiwitten door elkaar haalde, terwijl andere het verwijderen van hele groepen van drie letters behelsden, wat de vorm van het eiwit op een subtielere manier veranderde zonder de hele boodschap te verstoren.

Om te bewijzen dat deze genetische veranderingen de directe oorzaak van drugresistentie waren, kozen de wetenschappers een nauwkeurige aanpak. Ze namen een standaard, niet-resistente stam van de bacterie en manipuleerden deze zodat deze exact dezelfde genetische veranderingen droeg als de resistente patiënten. Dit stelde hen in staat om het effect van elke specifieke verandering te isoleren. Hun experimenten toonden aan dat vier verschillende genetische varianten de kracht van de medicijnen rechtstreeks verminderden. Een van de meest significante bevindingen betrof een specifieke verandering in een gen genaamd ppe53. In dit geval verloor de bacterie een klein gedeelte van drie herhalende letters. Deze deletie verstoorde de genetische boodschap niet, maar verkortte in plaats daarvan een specifiek deel van het resulterende eiwit. Deze inkorting belemmerde het vermogen van de bacterie om het volledige eiwit te verwerken en af te geven, een verandering die de bacteriën minder kwetsbaar maakte voor drie verschillende antibiotica: isoniazide, rifampicine en streptomycine.

De studie benadrukte ook dat deze specifieke verandering in het ppe53-gen geen zeldzame toevalligheid is, maar een veelvoorkomend kenmerk in bacteriën die onder patiënten circuleren. De mutatie verkort een keten van aminozuren die zich direct naast een cruciaal, geconserveerd deel van het eiwit bevindt. Door deze structuur te veranderen, veranderen de bacteriën effectief hoe ze met hun omgeving en de medicijnen waarmee ze bedoeld zijn om te doden, omgaan. Het werk bevestigt dat deze 'in-frame' veranderingen, waarbij de genetische code wordt gewijzigd zonder de algemene boodschap te vernietigen, een krachtig instrument zijn voor bacteriële evolutie. Het toont aan dat de weg naar drugresistentie niet beperkt is tot de meest voor de hand liggende genetische fouten, maar ook bestaat uit deze subtiele, structurele aanpassingen die de bacteriën in staat stellen te blijven bestaan en te gedijen, zelfs onder de druk van een behandeling.