Understanding single nucleotide polymorphism (SNP) in pyruvate dehydrogenase E1 and E2 component in different bacterial species

Het leven is een voortdurende onderhandeling tussen een organisme en zijn omgeving. Om te overleven moeten bacteriën hun interne machinerie soepel laten draaien, zelfs wanneer de wereld buiten verandert in temperatuur, zuurgraad en beschikbare voedingsstoffen. Een cruciaal onderdeel van deze machinerie is een enzym genaamd pyruvaatdehydrogenase, dat fungeert als een centraal knooppunt door voedingsstoffen om te zetten in de energie die cellen nodig hebben om te functioneren. Dit enzym is opgebouwd uit twee hoofdonderdelen, bekend als de E1- en E2-componenten. In de loop van de tijd kan de genetische code die deze onderdelen bouwt, licht veranderen. Deze minuscule veranderingen, waarbij één letter in het genetische alfabet wordt ingeruild voor een andere, worden single nucleotide polymorfismen genoemd. Hoewel sommige van deze wisselingen onschadelijk zijn, kunnen andere de vorm en functie van het enzym veranderen, wat de bacteriën potentieel helpt aan te passen aan nieuwe uitdagingen of, omgekeerd, ervoor zorgt dat ze er moeite mee hebben. Het begrijpen van waar deze veranderingen plaatsvinden en hoe frequent ze voorkomen, biedt een venster op hoe bacteriën op dit moment evolueren om te voldoen aan de eisen van een veranderende wereld.

In een recente studie heeft een onderzoeker aan de National University of Singapore geprobeerd deze genetische veranderingen in kaart te brengen bij verschillende soorten bacteriën. Het doel was om te zien hoe de genen voor de E1- en E2-onderdelen van het pyruvaatdehydrogenase-enzym verschilden tussen Escherichia coli, die diende als een standaard referentiepunt, en drie andere soorten: Klebsiella pneumoniae, Salmonella enterica en Vibrio cholerae. Hiervoor schreef de onderzoeker een aangepast computerprogramma dat de genetische sequenties van deze bacteriën zij aan zij kon scannen. De software fungeerde als een nauwgezet redacteur, die de genetische code van de referentiebacterie las en deze letter voor letter vergeleek met de codes van de andere soorten. Telkens wanneer de software een mismatch vond, legde het de positie en het specifieke type verandering vast. Dit proces maakte een gedetailleerd profiel mogelijk van waar mutaties geclusterd waren en hoeveel er in totaal bestonden.

De resultaten toonden een opvallend verschil in hoe deze bacteriën evolueerden. Wanneer naar de E1-component van het enzym werd gekeken, vertoonden Klebsiella pneumoniae en Salmonella enterica relatief weinig veranderingen vergeleken met de referentie. Hun genetische sequenties waren grotendeels stabiel, waarbij mutaties verschenen in verspreide groepen, gescheiden door grote stukken onveranderde code. Dit patroon suggereerde dat deze twee soorten geen sterke druk voelden om dit specifieke deel van hun enzym te veranderen. In contrast hiermee vertelde Vibrio cholerae een ander verhaal. Deze soort droeg een aanzienlijk hoger aantal veranderingen in zijn E1-component — ongeveer vier keer zoveel als de andere twee. Bovendien waren deze veranderingen niet verspreid in gaten, maar waren ze gelijkmatig verdeeld over het gehele gen. Deze evenredige verdeling suggereert dat Vibrio cholerae onder intense druk staat om dit deel van zijn enzym te hervormen, waarschijnlijk op zoek naar een nieuwe structuur die beter werkt onder de huidige omgevingsomstandigheden.

Het beeld werd nog complexer toen de onderzoeker de E2-component onderzocht. Hier vertoonden alle drie de niet-referentiesoorten een enorme hoeveelheid genetische verandering. Elke soort droeg honderden mutaties in hun E2-genen, waarbij de veranderingen in ongeveer gelijke aantallen voorkwamen voor alle vier de typen genetische letters. Anders dan bij de E1-component, waar sommige soorten stabiel waren, waren de E2-genen bezaaid met veranderingen van begin tot eind. De gegevens duidden erop dat deze bacteriën een snelle evolutie ondergaan in dit specifieke gebied. Het enorme volume en de evenredige spreiding van de mutaties suggereren dat de huidige vorm van de E2-component niet helemaal goed is voor de moderne wereld. De bacteriën lijken talloze variaties uit te proberen over de gehele eiwitstructuur, op zoek naar een configuratie die de verschuivende voedingslandschappen en omgevingsfactoren zoals temperatuur en pH kan hanteren.

Uiteindelijk wijst de studie op een bacterie in beweging. De bevindingen suggereren dat terwijl sommige delen van het pyruvaatdehydrogenase-enzym in bepaalde soorten stabiel blijven, andere delen een hectische periode van aanpassing doormaken. Het enzym lijkt te worstelen om de perfecte vorm te vinden om efficiënt te functioneren in de huidige omgeving. De evenredige spreiding van mutaties over de genen, met name in de E2-component, impliceert dat de bacteriën nog geen enkele, eenvoudige oplossing hebben gevonden. In plaats daarvan verkennen ze een breed scala aan mogelijkheden, gedreven door de dringende noodzaak om hun energieproducerende machinerie aan te passen aan een wereld die sneller verandert dan hun biologie er gemakkelijk mee kan bijhouden.