Microbiologie in hapklare porties
Welke genen maken de bacterie?
Alle organismen bevatten een brede verzameling genen in hun genoom. Mensen hebben zo’n 20.000 genen, terwijl Escherichia coli (de meest bestudeerde bacterie) zo’n 4.500 genen met zich mee draagt. Welke van deze genen essentieel zijn om te overleven is nog altijd een mysterie. Een simpele manier om te toetsen of een gen essentieel is, is het uit het genoom verwijderen. Leeft het organisme? Dan was het gen kennelijk niet zo belangrijk. Je kunt het vergelijken met het uitvinden hoe een auto werkt: als je de radio uit je auto sloopt is de auto op zich nog in staat om te rijden, maar als je de wielen verwijdert verliest de machine zijn bestaansrecht. En dan zijn er nog verschillen tussen types auto: de benzinetank verwijderen in een reguliere auto levert een kapotte auto op, terwijl een hybride auto zonder benzinetank ook op de elektromotor kan blijven rijden. En volledig elektrische auto’s hebben niet eens een benzinetank!
Precies zo zijn er sommige bacteriële genen essentieel, en anderen overbodig voor het overleven. Net als auto’s kunnen bacteriën heel verschillend gebouwd zijn, en zo kan een overbodig gen voor één bacterie juist een hele belangrijke voor anderen zijn. Bacteriën van dezelfde soort kunnen door te eten van verschillende voedselbronnen ook andere genen nodig hebben voor hun voortbestaan. Een voorbeeld daarvan is E. coli, die genetisch zó divers is dat we nog steeds nieuwe genen vinden in elk gesequenced genoom. Dus welke van deze genen zijn belangrijk? Waarom zijn sommige genen essentieel in de ene stam, en niet in de andere?
François Rousset en zijn collega’s gebruikten de techniek CRISPRi, waarbij niet het gen kapot wordt gemaakt, maar waarvan de transcriptie wordt geblokkeerd. In de analogie met auto’s zou je kunnen zeggen dat je de onderdelen niet verwijdert, maar vastlijmt. De onderzoekers namen 18 E. coli-stammen die samen de genetische diversiteit in E. coli representeren. Met CRISPRi blokkeerden ze één voor één bijna 3.400 genen die de 18 stammen gemeen hadden. De experimenten deden ze in drie verschillende groeimedia, namelijk LB (daarin groeit E. coli het snelst), GMM (simuleert een menselijke darm, het natuurlijk habitat) en M9 (een oplossing van alleen de essentiële voedingsstoffen). Verrassend weinig genen blijken essentieel in álle stammen: 266 in LB, 248 in GMM en 304 in M9. Bijna het dubbele aantal genen was essentieel voor tenminste één stam: 506 in LB, 555 in GMM en 602 in M9.
De onderzoekers bepaalden of E. coli-stammen die nauw verwant waren, ook meer overeenkomsten hadden in hun essentiële genen. Hoewel nauw-verwante stammen een vergelijkbare genexpressie hadden, kon het profiel van essentiële- en niet-essentiële genen behoorlijk verschillen. Beter gezegd: de evolutionaire afstand tussen stammen correleert slecht met de essentiële genen per stam. Verwantschap is dus niet voldoende om het verschil in essentiële genen uit te leggen.
Rousset verlegde daarna de focus naar genen die in sommige, maar niet alle stammen essentieel bleken. Tussen deze 120 genen (32 in LB, 66 in GMM en 55 in M9) zochten de onderzoekers naar ontaardde paren, dat wil zeggen genen die dezelfde functie vervullen. Dit bleek het geval voor metG. metG is niet essentieel in stammen waar dit gen is gedupliceerd (oftewel, waar het gen twee keer in het genoom voorkomt). Dat is als een auto met twee motoren: als er één kapot gaat, kan je met de ander verder. Iets vergelijkbaars was er aan de hand met de genen ycaR-kdsB, die niet essentieel waren in stammen die ook het homologe gen kpsU hadden. Deze genen hebben dezelfde voorouder en kunnen elkaars functie overnemen als het moet.
De onderzochte stammen bevatten tussen de 10 en 17 homologen van essentiële genen, die dus níet elkaars functie kunnen overnemen. Dat kan bijvoorbeeld komen doordat de homologe genen niet zo sterk worden vertaald naar eiwitten als het essentiële gen.
In sommige gevallen vonden de onderzoekers wél een ontaarding van genetische functies, zonder dat het gen-paar verwant was. Dit was het geval voor de genen dut in de stammen APEC O1 en TA447. Deze stammen bevatten naast het genoom nog een plasmide met een gen die qua code niets te maken had met dut, maar het resulterende eiwit dezelfde functie bleek te vervullen. Dit is dus geen homoloog, maar een analoog. Je kunt dit vergelijken met een benzine- en elektromotor: ze werken heel anders, maar vervullen uiteindelijk dezelfde functie.
Als laatste onderzochten Rousset en collega’s waarom niet-essentiële genen in de meeste stammen ineens essentieel kunnen worden. De wetenschappers vonden zulke genen in 13 van de 18 onderzochte stammen. Voor de meeste van deze “variabel-essentiële” genen in stam K-12 ging het om genen waarbij een homoloog al kapot bleek te zijn. In de auto-vergelijking: als je twee elektromotoren onder de motorkap hebt maar ééntje is al stuk, dan móet de tweede presteren.
Om de begrijpen hoe sommige genen essentieel zijn voor bepaalde stammen gebruikten de onderzoekers een techniek die “experimentele evolutie” heet. Ze maakten mutanten waarin gekozen genen niet meer essentieel waren. Door de moeder- en dochterstammen te sequencen, konden ze uitvinden welke mutaties ervoor zorgen dat een gen niet meer essentieel wordt. Ze vonden een genetisch systeem waarbij de cel zelf een toxine maakt, die door een tweede eiwit afgebroken moet worden. Zulke systemen worden “verslavende” genetische elementen genoemd. Als de genen voor toxine en anti-toxine functioneren is er niets aan de hand, maar als het gen voor anti-toxine kapot gaat kan de cel niet verder leven. Dit systeem lijkt een bacterieel afweermechanisme te zijn tegen virussen. Andere variabel-essentiële genen leken ook met virus-afweer te maken te hebben. Het lijkt erop dat de strijd tegen virussen nooit ophoudt!
Link to the original post: Rousset, F., Cabezas-Caballero, J., Piastra-Facon, F. et al. The impact of genetic diversity on gene essentiality within the Escherichia coli species. Nat Microbiol 6, 301–312 (2021).
Featured image: Picture by NIAID, https://www.flickr.com/photos/54591706@N02. https://search.creativecommons.org/photos/62e946dc-ab94-40cc-acaf-f484de4ca9dc
Written by: Théophile Grébert
Translated by: Steven Pilon
micro-bites.org 