Info Seputar Kesehatan

Gen bakteri

Gen bakteri menceritakan kisah evolusi wabah ini

esearchers di Harvard Medical School (HMS) dan Rumah Sakit Anak Boston telah menelusuri evolusi infeksi bakteri yang tidak biasa seperti cystic fibrosis tersebar di antara (CF) pasien dengan urutan puluhan sampel yang dikumpulkan selama wabah, karena terkandung. Sebuah prestasi yang signifikan dalam genetik patologi, pekerjaan juga menunjukkan cara baru untuk mengenali mutasi adaptif - untuk melihat terjadinya evolusi - dan menyoroti bagaimana tubuh kita melawan infeksi.

Hasilnya dipublikasikan secara online 13 November di Nature Genetics.

Cystic fibrosis adalah penyakit keturunan yang membuat paru-paru rentan terhadap infeksi bakteri. Meskipun tidak ada obat untuk CF, dikelola dengan antibiotik dan terapi yang menghilangkan lendir dari paru-paru. Infeksi yang tahan antibiotik dapat membanjiri pertahanan tubuh dan menyebabkan akhirnya kegagalan pernafasan dan kematian, namun kemajuan dalam perawatan telah meningkatkan harapan hidup rata-rata untuk orang Amerika lahir dengan CF dari enam bulan pada tahun 1959 menjadi hampir 40 tahun hari ini.

Meskipun kewaspadaan terus-menerus, wabah menimbulkan risiko tertentu di pusat pengobatan CF, di mana strain dinyatakan langka bakteri dapat menyebar antar pasien. Pada 1990-an, salah satu wabah tersebut menyebar di antara pasien CF diikuti di pusat CF tunggal di Boston. Tiga puluh sembilan orang terinfeksi dengan strain, kemudian diidentifikasi sebagai spesies baru bakteri, Burkholderia dolosa.

Rumah sakit menerapkan langkah-langkah pengendalian infeksi baru dan belum melihat kasus baru dalam lebih dari enam tahun. Tapi wabah disajikan peneliti dengan kesempatan langka: patogen baru dengan lingkaran tertutup infeksi dan sampel berlimpah yang dikumpulkan selama rentang satu dekade.

Roy Kishony sedang mencari hanya bug tersebut. The HMS profesor biologi sistem studi evolusi bakteri, mengeksplorasi pertanyaan seperti bagaimana resistensi antibiotik muncul. Banyak eksperimen yang dilakukan di laboratorium: Tumbuh bakteri dalam tabung reaksi, menambahkan hanya cukup antibiotik untuk menantang itu, dan mencari perubahan genetik dari waktu ke waktu. Tetapi orang-orang tidak menguji tabung, dan Kishony ingin menyelidiki bagaimana patogen berkembang dalam konteks alam.

"Bayangkan jika Anda bisa menginterogasi bakteri," kata Kishony, peneliti utama studi tersebut. "Kau akan bertanya, 'Apa yang Anda temukan paling menantang dalam tubuh manusia?'"

Dalam mencari sistem model yang baik, Kishony dan mahasiswa pascasarjana nya Jean-Baptiste Michel berkonsultasi dokter dan menemukan cara mereka ke Alexander McAdam, seorang profesor patologi di Rumah Sakit Anak Boston, yang menyarankan B. dolosa. "Saya pikir itu akan menarik karena kita juga bisa melihat bagaimana organisme berubah selama wabah," kata McAdam.

Dari percakapan yang tumbuh sebuah kolaborasi yang kuat antara tim beragam ilmuwan dan dokter, termasuk lab Kishony itu, McAdam, dan Greg Priebe, asisten profesor anestesi di Children dan seorang ahli mikrobiologi di Channing Laboratory of Brigham dan Rumah Sakit Wanita, serta kolaborator dalam Michigan dan Virginia. Tim berangkat untuk urutan genom 112 B. dolosa isolat diambil dari 14 pasien yang terinfeksi, pemetaan perubahan genetik dari waktu ke waktu untuk mengungkapkan kedua rute penyebaran infeksi dan gen yang menghadapi tekanan selektif terbesar - dengan kata lain, bagaimana bakteri berkembang ketika ditantang oleh pertahanan manusia dan perawatan medis.

Setiap kali sel membelah, kesalahan penyalinan kecil dapat memperkenalkan perubahan kecil dalam DNA baru. Beberapa perubahan tersebut mempengaruhi mesin sel, dan beberapa tidak. Untuk mengidentifikasi tekanan selektif pada gen dari generasi ke generasi, para ilmuwan membandingkan jumlah perubahan yang signifikan terhadap jumlah orang-orang yang tidak memiliki efek - ukuran yang disebut dN / dS rasio.

Ketika Jean-Baptiste Michel dan Tami Lieberman (foto) angka-angka pada sampel B. dolosa mereka, dN / dS rasio adalah 1,0. Di genom seluruh set sampel mereka, perubahan muncul sempurna acak. "Itu bukan efek yang kecil," kata Lieberman. "Itu tidak berpengaruh." Foto oleh Remy Chait

"Di situlah kami berlari ke sedikit halangan," kata Michel, sekarang postdoctoral fellow di Harvard University dan mengunjungi fakultas di Google, yang menganalisis data dengan Tami Lieberman ketika keduanya mahasiswa pascasarjana dalam biologi sistem.

Tapi temuan menantang pengamatan sebelumnya dan akal sehat - bakteri menghadapi tekanan dari antibiotik, tekanan dari sistem kekebalan tubuh, tekanan dari satu sama lain. Bahkan dalam tabung reaksi, bakteri berkembang.

Mungkin, Lieberman menyarankan, mereka mengajukan pertanyaan yang salah. Bagaimana jika dN / dS rasio genomewide adalah ikan merah, ketika apa yang mereka benar-benar ingin tahu adalah apa yang terjadi pada gen-gen tertentu? "Tami memiliki wawasan kunci," kata Kishony. Jika mutasi memiliki efek apapun, itu biasanya berbahaya. Acak tune mobil Anda, dan Anda cenderung untuk mendapatkan mobil rusak. Dalam kolam gen, memurnikan gulma seleksi dari perubahan-perubahan berbahaya bahkan sebagai seleksi positif menyebar yang membantu. Rata-rata efek-efek positif dan negatif, dan keduanya mungkin akan lenyap.

Tentu saja, ketika Lieberman dan Michel menganalisis data yang sama dengan cara lain - memisahkan gen yang telah bermutasi pada pasien multiple dari mereka yang telah bermutasi hanya sekali - sebagian besar gen terdaftar dN / dS dari sedikit kurang dari satu, bukti seleksi pemurni luas. Tujuh belas gen mencetak gol, bukti kuat jauh lebih tinggi dari seleksi positif. Tellingly, bakteri dari pasien yang berbeda menunjukkan tekanan pada gen yang sama, yang berkembang dengan cara yang sama.

"Data ini memberi tahu kami apa pengalaman patogen sebagai tantangan utama," kata Kishony. Beberapa tantangan tersebut diharapkan: Gen terkait dengan resistensi antibiotik, adhesi, dan respon imun menghadapi tekanan untuk beradaptasi.

Salah satu temuan yang paling mencolok di antara gen tersebut adalah kodon stop, terlihat di sekitar 70 persen dari strain, dalam enzim yang sebelumnya tidak diteliti terkait dengan gen yang terlibat dalam sintesis lipopolisakarida (LPS), juga dikenal sebagai endotoksin. The Priebe laboratorium dan kolaborator sebelumnya telah mengamati gelar yang tidak biasa variasi antara LPS B. dolosa strain dan sekarang memiliki mekanisme genetik untuk menjelaskannya. "Temuan itu adalah saat 'aha' nyata bagi saya," kata Priebe, yang menyatakan bahwa enzim bisa menghilang sebagai bakteri disesuaikan dengan menghindari sistem kekebalan tubuh, mematuhi inangnya, atau meningkatkan fungsi masih belum ditemukan.

Tantangan lain adalah kejutan, seperti mendorong perubahan marah dalam gen terkait dengan pertumbuhan di bawah kondisi oksigen rendah khas dari paru-paru seorang pasien CF. "Metode ini menunjukkan arah terapi kita tidak tahu itu penting," kata Michel, "dan target obat yang kita tidak tahu ada."

Temuan tim dapat membantu para peneliti lebih memahami kekuatan patogen dan kelemahan, mekanisme yang menyesuaikan dengan pertahanan kami, dan target potensial untuk terapi baru. Para peneliti selanjutnya berharap untuk mempelajari keragaman yang dihasilkan oleh evolusi patogen dalam waktu pasien tunggal, untuk mempelajari lebih lanjut tentang tantangan yang berbeda yang diajukan di seluruh tubuh manusia.