Bakterielle Persistenz. Wachstum, Persistenz und Resistenz

Wachstum, Ausdauer und Widerstand

Bakterienzellen haben die Fähigkeit, ihre Wachstumszyklen als Reaktion auf sich ändernde Umweltbedingungen zu regulieren. Es sind mehrere Mechanismen beteiligt, darunter: ein lebensfähiger, aber nicht kultivierbarer Zustand (VBNC), Persistenz, die sich auf Antibiotikaresistenz (phänotypische Varianten, nicht vererbbar) über Toxin-Antitoxin-Wege bezieht, und kontaktabhängige Wachstumshemmung. Diese Mechanismen werden im Folgenden diskutiert.

Bakterielle Persistenz

In den meisten Fällen trägt die DNA im Laufe der Zeit phänotypische Merkmale (äußeres Erscheinungsbild des Organismus). Mit phänotypischen Merkmalen sind die Gene gemeint, die in diesem Organismus exprimiert werden. Es gibt viele Gene, die nicht exprimiert werden, aber dennoch vorhanden sind. Organismen weisen auch phänotypische Variationen auf, die mehr als eine Generation lang bestehen können, ohne dass es zu einer direkten Veränderung der DNA des Organismus kommt. Das bedeutet, dass diese phänotypische Variation nicht in der DNA kodiert ist, aber der Mikroorganismus hat ein Gedächtnis an vergangene Umgebungen. Diese Fähigkeit erlaubt es den Bakterien, künftige Generationen zu beeinflussen. Genetisch identische Bakterienpopulationen können also unterschiedlich auf eine, sagen wir, antibiotische Behandlung reagieren. Die Persistenz ist immer noch nicht gut verstanden, und es gibt eine Reihe verschiedener Mechanismen, die beteiligt sind und nur teilweise aufgeklärt wurden.

In jüngerer Zeit konnten Studien einen Persistenzpfad aufklären. Es ist zu bedenken, dass persistente Bakterien, die eine Subpopulation einer bestimmten Bakterienart darstellen, gegenüber verschiedenen Arten von Antibiotika tolerant sind. Persistente Bakterien haben das gleiche Genom wie ihre nicht-persistenten Brüder, aber sie sind in einen Ruhezustand übergegangen, der eine Resistenz gegen bestimmte Antibiotika bewirkt.

Ein Persistenz-Locus wurde in E. coli identifiziert. Der DNA-Locus enthält eine Toxin-Antitoxin (TA)-kodierende Region. Einige der TA-Nukleotidsequenzen kodieren für eine Long Form Filament (Lon)-Protease (Enzym, das Proteine spaltet) und eine mRNA-Endonuklease (Enzym, das RNA, mRNasen, spaltet). Anti-Toxine kontrollieren zufällig die Aktivität von mRNasen, bei denen es sich um Lon-Substrate handelt. Es wurde beobachtet, dass die Entfernung von Lon zu einer verringerten Persistenz führt, und wenn Sie eine Überproduktion von Lon haben, erhalten Sie erhöhte Werte von persistenten Bakterien. Dies ist nicht der Fall, wenn Ihnen die mRNasen fehlen. Die durch den TA-Locus kodierten mRNasen werden in einer kleinen Subpopulation wachsender Bakterien durch Lon-vermittelten Abbau der Antitoxine aktiviert. Es wurde auch beobachtet, dass die Aktivierung der mRNasen die globale zelluläre Translation hemmt, was wiederum eine Dormanz und Persistenz induziert. Eine Reihe von pathogenen Bakterien, von denen bekannt ist, dass sie in einen Ruhezustand eintreten, neigen dazu, viele TA-Gene zu haben.

Es wurde vorgeschlagen, dass Toxin-Antitoxin (TA)-Gene als Regulatoren des Zellwachstums als Reaktion auf Umweltstress fungieren. Gene in dieser kodierenden Region werden während des Hungers und unter anderen Bedingungen aktiviert, die die Transkription und Translation hemmen. Die Toxine, die von den TA-Genen in Bakterien kodiert werden, sind mRNA-Interferasen (Nukleasen, die mRNA spalten). mRNA-Interferasen hemmen die Proteinsynthese und hemmen rasch das Bakterienwachstum. Es konnte gezeigt werden, dass diese mRNA-Interferasen einen bakteriostatischen Zustand herbeiführen, der durch die Expression von Antitoxinen, die ebenfalls von den TA-Genen kodiert werden, leicht rückgängig gemacht werden kann. Umweltstress verursacht also eine Toxinaktivierung, die die Proteinsynthese rasch zum Stillstand bringt, bis wieder bessere Bedingungen herrschen. Da die TA-Gene durch den Anti-Toxin-Abbau unterdrückt werden, muss das Bakterium mehr Antitoxin produzieren, um der Toxinaktivität entgegenzuwirken, nachdem sich die Zelle an den Stress angepasst hat. Die Erholung von der mRNA-Interferase-Aktivierung wird auch durch das tmRNA-Qualitätskontrollsystem erleichtert, das Ribosomen recycelt, die während der Translation von durch Toxin gespaltenen mRNAs blockiert wurden.

Persistenz ist ein Mechanismus zur Wachstumskontrolle durch phänotypische Variation in Bakterien. Es sei daran erinnert, dass Persistenz kein genetisch vererbbares Merkmal ist. Antibiotikaresistenz aufgrund von Persistenz ist ein völlig anderer Mechanismus als genetisch vererbte Formen. Persistenzmechanismen waren bisher schwer zu untersuchen, da sie nicht vererbbar sind und in niedrigen Frequenzen auftreten. Eine Klasse von persistenten Zellen, die als Typ I bezeichnet wird, wurde untersucht. Die Entstehung dieser Persistenzen ist mit dem TA-System und der Expression von HipA-HipB-Genen verbunden. Es wurde beobachtet, dass eine Mutation im HipA (7)-Gen die Häufigkeit von Persistenzen um das Tausendfache erhöht. Diese Persisterzellen sind sich nicht teilende, ruhende Zellen, die spontan in einer Bakterienpopulation auftreten. Ein anderer Persisterzellentyp, der als Typ II bezeichnet wird, wurde beobachtet. Diese Zellen verhalten sich anders als Typ Is. Typ-II-Zellen wachsen in Gegenwart von Ampicillin einige Generationen lang langsam weiter, im Gegensatz zu Typ I. Es wird vermutet, dass der Zustand der Persisterzellen vom Typ II schwach vererbbar sein könnte. Wenn das der Fall ist, dann könnte dies durch DNA-Methylierung vermittelt werden, die zwar vererbbar ist, aber innerhalb von ein paar Bakteriengenerationen verloren gehen kann.

Diese Mechanismen sind zur Zeit noch nicht gut verstanden, und es ist nicht bekannt, ob die TA-Aktivierung ein Ergebnis oder die Ursache der Persistenz ist. Einige Forscher vermuten, dass die Persistenz das Ergebnis der Zellalterung sein könnte. Andere vermuten, dass Persistenzen durch einen doppelt-negativen bistabilen Schalter kontrolliert werden könnten, bei dem ein Anstieg des Verhältnisses von Toxin zu Anti-Toxin in einer Zelle aufgrund eines stochastisch höheren Niveaus des Abbaus von Anti-Toxin auftreten könnte, was zu einer Abnahme der Translation in dieser Zelle führen könnte. Das würde auf eine weitere Abnahme der Translation aufgrund der höheren Stabilität von Toxin im Vergleich zu Antitoxin hindeuten.

Epigenetische Phänomene wurden identifiziert, darunter die VBNC und Persistenz-Zustände, durch die Bakterien eine phänotypische Vielfalt erzeugen. Als nicht vererbbare wachstumsregulierende Mechanismen sind diese derzeit nur unzureichend verstanden. Dennoch haben Bakterien die Fähigkeit, ihr eigenes Wachstum als Reaktion auf Veränderungen der Umweltbedingungen zu regulieren. Die Epigenetik umfasst die chemische Veränderung spezifischer Gene oder genassoziierter Proteine, die die Art und Weise verändern, wie ein Gen von den Zellen exprimiert und genutzt wird. Häufig handelt es sich dabei um Wechselwirkungen zwischen Genen und Genprodukten, die zu einem Phänotyp eines Organismus führen.