Microbiologie in hapklare porties
Epigenetica als regisseur van het bacterieel genoom.
Stel je voor dat het leven van een bacterie een film is waarbij de verschillende rollen worden vervuld door de verschillende genen van deze bacterie. Maar als de genen de acteurs zijn, wie is dan de regisseur? Een film kan natuurlijk niet gemaakt worden zonder. Geen paniek! Dat is in dit geval de epigenetica.
Lang werd gedacht dat het bacteriële genoom de hoofdrol had in het mysterieuze spel genaamd ‘’microbieel leven’’. Echter bleven voor tientallen jaren bepaalde delen van het genoom onduidelijk voor wetenschappers. Dit puzzelstuk, ook wel epigenetica genoemd, beschrijft hoe omgevingsfactoren invloed hebben op het genoom van organismen.
Bacteriën gebruiken epigenetica voor de regulatie van genexpressie. Het idee achter de epigenetica kwam eigenlijk van een ander systeem genaamd het Restrictie-Modificatie systeem (RM-systeem). Dit systeem beschermt het genoom voor aanvallen van niet-eigen DNA sequenties. Tijdens de Horizontale Genoverdracht (HGO) kan het zijn dat er niet-eigen genen worden opgenomen in het genoom van de bacterie zonder specifieke functie of zelfs genen die het leven van de bacterie zullen verkorten. Het RM systeem beschermt de bacterie hiertegen en verlaagt de frequentie van HGO.
Dit verdedigingsmechanisme bestaat uit twee enzymen: een restrictie-enzym en DNA-methyltransferase. Het restrictie-enzym knipt het vreemde DNA in kleine stukjes waardoor het niet kan worden opgenomen in het genoom van de bacterie. Methyltransferase beschermt het eigen DNA door het te methyleren terwijl het vreemde DNA vrij van methylgroepen wordt gemaakt zodat het restrictie-enzym zijn werk kan doen.
Methyltransferases horen vaak specifiek bij het RM-systeem. Hierdoor hebben ze dus een duidelijke functie binnen de cel. Er zijn echter ook methyltransferases gevonden die niet bij het RM-systeem horen, de wees-methyltransferases. Deze enzymen methyleren het DNA op willekeurige plekken, wat vervolgens weer invloed heeft op de omliggende genen. Dit leidt vervolgens tot gemodificeerde eiwitten en dus op de groei van de bacterie.
Het mysterie in kaart brengen
De veelgebruikte technieken om gemethyleerde basen te detecteren in het genoom, zoals bisulfiet sequencing, missen vaak stukken DNA die zijn aangepast door de wees-enzymen. Deze technieken vereisen extra kennis over bijvoorbeeld de plek in het DNA waar methylering verwacht wordt. Sequentietechnieken van de derde generatie hebben echter voor een revolutie gezorgd in de wereld van de bacteriële epigenetica. Ze hebben geen genoom-manipulatie meer nodig om de gemethyleerde delen op te sporen, en bovendien registreren deze technieken signaalspecifieke informatie voor gemodificeerde posities zeer zorgvuldig. Dit heeft de problemen omtrent het blootleggen van de methyleringsposities volledig verholpen.
Van alle markten thuis door epigenetica
Door epigenetische veranderingen in het genoom ontstaat fasevariatie. Dit is het proces waarbij de expressie van bepaalde genen willekeurig aan en uit worden gezet, vergelijkbaar met het aan- en uitzetten van je lamp. Tijdens iedere replicatiecyclus van de bacterie kunnen deze veranderingen voorkomen, waardoor het erg moeilijk is om dit te registreren. In de darmen kunnen bijvoorbeeld twee stammen van Salmonella samenleven doordat de expressie van flagella (de tentakel-achtige structuren waarmee de bacterie bedekt is en die ervoor zorgen dat de bacterie kan bewegen) gecontroleerd worden door de epigenetische schakelaar.
Maar wat heeft Salmonella hier nou aan? Als beide populaties (met en zonder flagella) op een bepaalde plek zijn, kan Salmonella overleven onder verschillende condities.
a) Een stabiel milieu met voldoende voeding zorgt dat de ‘zwemmende’Salmonella genoeg energie heeft om te bewegen, en zo in staat is om de epitheelcellen van de darm te infecteren. De bacteriën zonder flagella gebruiken dit milieu om energie op te slaan aangezien zij minder energie nodig hebben om te overleven.
b) In een milieu met weinig voedingsstoffen kunnen de bacteriën zonder flagella nog steeds overleven aangezien zij energie hebben opgeslagen. De bacteriën met flagella kunnen de flagella verliezen om energie te besparen door de magische epigenetische schakelaar!
Het ontwerp van vaccines door middel van de epigenetische schakelaar
Ondanks dat het nog een vrij onbekend terrein is, heeft de epigenetica geleid tot de ontwikkeling van intelligente vaccin designs. Deze designs gebruiken de willekeurige schakelaars om een immuunreactie te activeren. Het geheugen dat wordt verkregen na een immuunreactie zorgt voor een latere bescherming van de gastheer tegen pathogenen. Zo zitten er kleine moleculen aan het oppervlak van Salmonella genaamd O-antigenen, die een immuunreactie veroorzaken wanneer ze in contact komen met de cellen van het immuunsysteem. Een epigenetische schakelaar bepaalt de lengte van de antigenen en deze lengte bepaalt op zijn beurt de intensiteit van de immuunreactie. Aangezien het immuunsysteem de kortere antigenen eerder herkent, wordt er een snellere en meer intensieve immuunreactie veroorzaakt.
De conclusie: epigenetica speelt een belangrijke rol in de evolutie van bacteriën als reactie op verschillende omgevingsfactoren. Het begrijpen van de epigenetische schakelaars kan men in staat stellen de evolutie van bacteriën beter te controleren voor specifieke taken, zoals het ontwerpen van vaccins.
Link to the original post: Leise Riber, Lars Hestbjerg Hansen, (2021) Epigenetic Memories: The Hidden Drivers of Bacterial Persistence? Trends Microbiol 2021 Mar;29(3)
Other references
1. Koirala, S., Mears, P., Sim, M., Golding, I., Chemla, Y. R., Aldridge, P. D., & Rao, C. V. (2014). A Nutrient-Tunable Bistable Switch Controls Motility in Salmonella enterica Serovar Typhimurium. MBio, 5(5), e01611-14. https://doi.org/10.1128/mBio.01611-14
2. Michael Irving (2021). Experimental vaccine forces bacteria down an evolutionary dead end. New Atlas
Featured image: Author’s design
Vertaald door: Rutger Verbakel
micro-bites.org 