arbitrium

Virussen communiceren met elkaar en met hun nakomelingen door middel van een korte proteïne. De hoeveelheid van dit eiwit bepaalt of de gastheercel lyse ondergaat of dat het virus de cel spaart. Dit eiwit, dat kort geleden ontdekt is, wordt arbitrium genoemd.

bacteriofagen (groen) op een bacteriecel (oranje)

Wanneer virussen hun gastheer infecteren, gaat dit een veel gevallen gepaard met de kaping door het virus van de replicatie- en translatieprocessen van de gastheercel. Er worden dan opnieuw alle bestanddelen van het virus aangemaakt die zich samenstellen tot nieuwe virussen. Wanneer deze vrijkomen barst de cel open; er vindt lyse plaats en de cel gaat dood. Maar het genetisch materiaal van het virus kan ook deel uit gaan maken van dat van de gastheer. Het plaatst zich in het DNA van de gastheer en blijft slapende. Het virus veroorzaakt dan geen dood van de geïnfecteerde cellen, maar wordt na iedere celdeling doorgegeven aan de dochtercellen. Het virus lift zo mee op het DNA van de gastheercel. Dit is de lysogene cyclus, niet te verwarren dus met de eerder beschreven lyse cyclus.

lytische cyclus en lysogene cyclus

Jaren heeft men onderzoek gedaan naar hoe deze keuze gemaakt werd. Men zocht vooral naar intracellulaire signaalwegen en genetische circuits in de gastheercel. Ook de onderzoekers van deze studie zochten naar moleculaire signalen tussen bacteriecellen en ontdekten zo het relatief korte eiwit verantwoordelijk voor de keuze (“arbitrium”) tussen lyse en lysogeen. Zij werkten niet zoals gewoonlijk met het bacteriofaag lambda, het meest bekende bacterievirus, en het bacterie E. Coli, maar met Bacillus subtilis en vier verschillende fagen. Ze infecteerden de bacteriën met de fagen en screenden het medium op zoek naar molecuulsignalen geproduceerd door de bacteriën. In plaats daarvan vonden ze een molecuul dat geproduceerd werd door een van de vier fagen: phi3T. Ze noemden het arbitrium.

Arbitrium wordt vrijgegeven na digestie met enzymen van een proteïne die door de faag gecodeerd is. Het korte eiwit arbitrium verspreidt door het medium en wordt vervolgens door specifieke kanalen in het membraan doorgelaten tot het plasma van een nabijgelegen bacteriecel. Arbitrium inhibeert een faagfactor die op haar beurt een gen activeert dat het lyse-proces stimuleert via een onbekend mechanisme. Het lyse-proces wordt door arbitrium dus verminderd of stilgelegd.

De onderzoekers zagen dat er vergelijkbare arbitrium systemen zijn in wel 100 bestudeerde fagen, waarbij elke faag alleen door zijn eigen geproduceerde arbitrium geregeld werd. De verschillende arbitrium-peptiden verschillen immers in hun samenstelling van aminozuren. Het is dus duidelijk dat een bepaalde faag in eerste instantie zich door lyse snel vermenigvuldigt, maar naarmate de concentratie van arbitrium toeneemt zal de lysogene cyclus de overhand krijgen. Dit overlevingsmechanisme is gebaseerd op het feit dat de faag zich alleen blijvend kan handhaven mits er genoeg gastheercellen overblijven. De lyse doodt de cellen en het tijdig stopzetten daarvan verzekert het virus van overleving omdat zijn gastheer blijft doorleven.

Vooralsnog is dit mechanisme van betekenis in bacteriofagen en bacteriën, maar het is waarschijnlijk dat er ook voor virussen en eukaryoten een dergelijk mechanisme bestaat.

Dit feedbacksysteem waarin elke faag zich vermenigvuldigt door productie van een eigen eiwit waaraan alleen hijzelf en zijn eigen nakomelingen gehoorzamen, geeft aan dat fagen uiterst bepalend zijn voor de biosfeer. Zij hebben hun evolutie onder eigen controle. Daarbij is het interessant te bedenken dat virussen zich samen met de eerste preprokaryoten ontwikkelden, zoals de hypothesen van Patrick Forterre stellen. Kunnen we, nu we weten dat ze communiceren met hun nakomelingen, ook spreken van levende virussen? Zou de kennis over het arbitrium systeem kunnen helpen in de strijd tegen resistente bacteriën?

Ref:

Erez, Zohar; Steinberger-Levy, Ida; Shamir, Maya; Doron, Shany; Stokar-Avihail, Avigail; Peleg, Yoav; Melamed, Sarah; Leavitt, Azita; Savidor, Alon (2017-01-18). “Communication between viruses guides lysis–lysogeny decisions”. Nature. advance online publication. doi:10.1038/nature21049. ISSN 1476-4687.

Davidson, Alan R. (2017-01-18). “Virology: Phages make a group decision”. Nature. advance online publication. doi:10.1038/nature21118. ISSN 1476-4687.

Infectie en conjugatie in E. Coli

EHEC O104:H4 is een nieuwe variant van EHEC, een entero-hemorragische E. coli-stam. Deze variant heeft veel slachtoffers gemaakt de afgelopen weken in en buiten Duitsland en het dodental loopt nog steeds op tot 39 vandaag. Voorheen waren er vooral in de VS en Japan problemen met de variant EHEC O157:H7. Escherichia coli of E. coli is niet altijd agressief. Integendeel zelfs. De bacterie maakt normaal deel uit van onze darmflora en is daar bijzonder nuttig. De agressieve vormen als deze EHEC’s komen voort uit de overdracht van genetisch materiaal tussen virussen en bacteriën enerzijds en bacteriën onderling anderzijds.

De EHEC-bacterie wordt overgebracht van de feces naar de mond. Besmetting kan ook plaatsvinden door de consumptie van met feces besmette groenten of ander voedsel. Groenten kunnen bijvoorbeeld bemest zijn. De bacterie komt bij de mens in de darmen terecht en produceert daar shega-toxinen oftewel verotoxinen die in eerste instantie de darmwand aantasten met als gevolg diarree met bloed. Soms volgt daarop nierfalen en uiteindelijk de dood.

Bacteriofaag die zijn DNA injecteert in een bacteriecel

Officieel is taugé nu de bron van de besmetting in Duitsland. Maar waar komen deze agressieve varianten vandaan, hoe kunnen ze ontstaan? Veel deskundigen spreken van virussen die E. coli infecteren en daarbij het gen voor shega-toxinen overbrengen naar de bacterie. Het gaat hierbij om bacteriofagen. Dit zijn virussen die specifiek bacteriën infecteren. Ze zetten zich vast aan de celwand van de bacterie en injecteren hun eigen genetisch materiaal, hun DNA, in de bacteriecel. Bevat dit DNA het gen voor shega-toxinen, dan is vervolgens de bacterie in staat shega-toxinen te produceren en af te scheiden.

Conjugatie tussen een donor bacterie en een ontvangende bacterie

Het verotoxine kan ook doorgegeven worden tussen bacteriën onderling. Men spreekt dan van conjugatie of ‘horizontal gene transfer’ (HGT). In dit proces wisselen bacteriën DNA uit via een pilus, een kanaal dat zich tussen twee bacteriën vormt. Door dit kanaal worden plasmiden (kleine stukjes DNA) uitgewisseld. Bevat dit plasmide het gen voor shega-toxine dat zich van de donorbacterie naar de ontvangende bacterie verplaats dan wordt ook de ontvanger een EHEC ofwel een E. coli die shega-toxinen produceert. In weinig tijd worden alle ‘gezonde’ E.coli veranderd in gevaarlijke ziekteverwekkers.

Sommigen spreken in het geval van EHEC vooral van infectie door bacteriofagen, terwijl anderen zich vooral concentreren op conjugatie. De darmen van veedieren zijn ongevoelig voor verotoxinen en bevatten veel bacteriofagen. Het is waarschijnlijk dat het shega-toxine in eerste instantie door de bacteriofaag in de bacterie geïnjecteerd wordt en dat de verspreiding van het shega-gen onder de bacteriën vervolgens via conjugatie verloopt. Er is ook geobserveerd dat antibiotica infectie van bacteriën met bacteriofagen kan bevorderen.

Een dergelijke bacterie wordt extra gevaarlijk als deze ook nog eens resistent wordt tegen antibiotica. De Duitse variant is tegen bijna alle antibiotica resistent. Deze resistentie komt voort uit het overvloedig gebruik van antibiotica vooral in de veeteelt. Hier worden dieren vaak preventief aan antibiotica blootgesteld. Bacteriën muteren en er ontstaat ergens een resistente bacterie. Deze vermenigvuldigt zich in tegenstelling tot de gevoelige bacteriën en domineert uiteindelijk de hele populatie. Maar hoe raakt een gen dat resistentie biedt zo verspreid tussen verschillende soorten bacteriën? Conjugatie kan ook heel goed plaatsvinden tussen verschillende soorten bacteriën en dat is waarschijnlijk wat er gebeurt. De ontwikkeling van resistentie is een groeiend probleem, niet alleen in verband met EHEC.

Vandaag zijn er in Frankrijk  zeven kinderen besmet met een variant van EHEC. Het schijnt (gelukkig) om een andere stam te gaan.

Uit TheGaurdian en NatureNews

17 juni 2011 NRC: De EHEC-bacterie die in Nederland twee besmettingen veroorzaakte is bij het RIVM onbekend.