Voordat een ziekteverwerkende bacterie de gastheer lekker ziek kan maken dient deze eerst de gastheer binnen te dringen. Daarna moet hij in het juiste weefsel of orgaan terecht zien te komen, waar hij zich vervolgens gaat vermenigvuldigen. Als hij inderdaad zover komt, dan is de infectie een feit. Maar eerst moet een bacterie het hoofd bieden aan het enorme scala aan hindernissen en afweerreacties die de gastheer onderweg voor hem in petto heeft.

Allereerst is er het slijm dat voorkomt dat hij zich kan hechten aan de wanden van de luchtwegen en geslachtsorganen. Voor bacteriën die langs de maag moeten is er het dodelijk zure maagzuur. Dan is er nog het leger van witte bloedcellen dat het bloed en weefsels bewaakt door ze te belagen met allerlei agressieve stoffen. Kortom, alles in de gastheer is erop uit om bacteriën te weren. Infecteren is dus niet bepaald gemakkelijk en vraagt een groot aanpassingsvermogen van een bacterie. Fasevariatie helpt ze hierbij een handje.

Genexpressie: genen coderen voor eiwitten

Fasevariatie heeft alles te maken met genen en hun expressie. Genen coderen voor de erfelijke eigenschappen van de bacterie en ze liggen op een lang DNA molecuul, het zogenaamde genoom (zie afbeelding 1). Een genoom is opgebouwd uit een keten van enkele miljoenen nucleotiden, de bouwstenen van het DNA. Er zijn 4 verschillende nucleotiden, die aangeduid worden met de letters A, T, C en G. Deze letters zijn afkomstig van de stikstofbasen adenine, thymine, cytosine en guanine, die onderdeel uitmaken van de nucleotiden. Op het genoom liggen duizenden genen, die elk weer worden gevormd uit DNA fragmenten van een paar honderd tot een paar duizend nucleotiden lang. Elk gen bestaat uit een unieke volgorde van de letters A, T, C en G, en deze lettervolgorde vormt weer een code die de informatie bevat voor het maken van een eiwit. Het maken van een eiwit op basis van de lettervolgorde, ofwel het afschrijven van een gen tot eiwit heet genexpressie (zie Afbeelding 1).

Genexpressie gebeurt in twee stappen. De eerste stap heet transcriptie. Hierbij wordt het DNA fragment waaruit een gen bestaat van begin tot eind gekopieerd op een zogenaamd boodschapper-RNA molecuul, het mRNA. Dit mRNA wordt in de tweede stap, de translatie, gebruikt als mal voor het maken van het eiwit. Elk gen codeert met zijn unieke lettercode voor een eigen eiwit.

Eiwitten zijn eigenschappen

Eiwitten voeren allerlei belangrijke functies uit. Ze zorgen er onder andere voor dat de bacterie voedingsstoffen kan opnemen, ze kan verwerken en omzetten in andere moleculen die nodig zijn voor zijn overleving en groei. Daarnaast is er ook een hele keur aan eiwitten die de bacterie in staat stellen om een gastheer te infecteren. Een voorbeeld hiervan zijn de adhesines, eiwitten die ervoor zorgen dat de bacterie zich kan hechten aan gastheercellen. Genen bevatten dus de informatie voor de erfelijke eigenschappen van een bacterie. Echter, pas als een gen tot expressie komt, en het eiwit daadwerkelijk wordt gemaakt, dan komt de bijbehorende eigenschap ook tot uiting.

Genexpressie kost energie

Bacteriën brengen lang niet alle genen die op het genoom liggen tot expressie. Het maken van nieuwe eiwitten kost namelijk veel energie, dat ook kostbaar is voor bacteriën. Een deel van de genen op het genoom codeert voor eiwitten die zo belangrijk zijn dat de bacterie niet kan overleven zonder deze eiwitten. Deze genen worden essentiële genen genoemd. Omdat ze onmisbaar zijn voor de bacterie, staat hun expressie altijd aan.

Er zijn ook genen die alleen onder hele specifieke condities belangrijk zijn. Deze genen coderen voor eiwitten die bijvoorbeeld tijdens de reis door de maag zorgen voor de bescherming van de bacterie tegen het maagzuur. Alleen wanneer de bacterie in contact komt met maagzuur, wordt de expressie van deze genen aangezet. In alle andere condities staat de expressie uit oogpunt van energiebesparing uit, of op een laag pitje. Deze genen worden gereguleerd onder invloed van een duidelijk signaal uit de omgeving van de bacterie, zoals in dit voorbeeld het maagzuur. Ze worden daarom gereguleerde genen genoemd.

Fasevariatie: soms aan, soms uit

Dan zijn er ook nog genen die, net zoals gereguleerde genen, soms wel en soms niet een voordeel voor de bacterie opleveren. Alleen zijn de condities waarbij ze voordelig zijn, onvoorspelbaar of niet duidelijk gedefinieerd. Het kan bijvoorbeeld gebeuren dat bacteriën moeten kiezen tussen aanhechten en vermenigvuldigen op een bepaalde plek in de gastheer, óf juist niet aanhechten zodat ze misschien op een betere plek terechtkomen met gunstigere groeicondities. Wat de beste keuze is, hangt van een heleboel factoren af, zoals de bevolkingsdichtheid van bacteriën ter plekke, de beschikbaarheid van voedingsstoffen, de aan- of afwezigheid van een afweerreactie van de gastheer, en of de plaats waar bacteriën zich op dat moment bevinden wel de juiste is voor een infectie. Er is dus geen eenduidig signaal dat de expressie kan aansturen van genen die bijvoorbeeld voor de aanhechting zorgen. Om nu toch goed en snel te kunnen reageren op zulke complexe condities, zet de bacterie de expressie van deze genen willekeurig aan en uit (zie afbeelding 2).

Dus geheel onafhankelijk van wat er rondom de bacterie gebeurt, wordt een gen soms wel en soms weer niet aangezet. Hierdoor staat het gen in sommige bacteriën, ofwel varianten, aan (zie afbeelding 3). Deze maken dus het eiwit dat nodig is voor een bepaalde conditie. In de andere variant staat het gen uit, waardoor deze juist beter voorbereid is op condities waarbij dit eiwit niet nodig is. Bovendien spaart deze laatste variant energie uit, omdat hij het desbetreffende eiwit niet hoeft te maken. Dit willekeurig aan en weer uitzetten van genexpressie heet fasevariatie.

Wel of niet aanhechten?

De bacterie Escherichia coli is één van de bacteriën die fasevariatie vertonen. E. coli is een staafvormige bacterie, die normaalgesproken onopgemerkt in de darmen van de mens leeft. Samen met vele andere onschadelijke bacteriesoorten vormt hij daar de darmflora van de mens. Maar als E. coli in de urinewegen terechtkomt, wat met name vaak bij vrouwen gebeurt, dan kan hij daar vervelende infecties veroorzaken. De bacteriën komen de urinewegen binnen via de vagina. Ze reizen vervolgens naar de blaas of nieren en veroorzaken daar een ontsteking.

E. coli heeft eiwitten op zijn celoppervlak die adhesines heten. De genen die coderen voor deze adhesines vertonen fasevariatie. Dit betekent dus dat een deel van de E. coli’s die de urinewegen infecteren, deze adhesines wel heeft, en een deel niet. Voor een succesvolle infectie van de blaas of nieren moet E. coli zich kunnen aanhechten aan de wanden van de urinewegen. Dit doet hij met behulp van deze adhesines.

Dat aanhechten moet natuurlijk wel op het juiste moment en op de juiste plaats gebeuren. Aan de ene kant is het zo dat als de bacterie zich niet goed vasthoudt, hij direct met de urine weer naar buiten wordt gespoeld, zodra zijn menselijke gastheer naar de w.c. gaat. Het is op zulke momenten van cruciaal belang voor de bacterie om zich aan te hechten. Hiervoor wordt dan ook gezorgd door de bacteriën die het adhesine-gen tot expressie brengen (zie afbeelding 4). Men heeft vastgesteld in studies met muizen, dat tijdens een infectie het aantal E. coli bacteriën dat adhesine produceert toeneemt ten opzichte van het aantal bacteriën zonder adhesine. Men heeft ook gevonden dat E. coli bacteriën die meer adhesine tot expressie brengen, een langduriger infectie en een zwaardere ontsteking veroorzaken. Dit soort onderzoek geeft aan dat adhesines inderdaad belangrijk zijn voor de bacterie om een infectie te kunnen veroorzaken.

Aan de andere kant moeten E. coli’s zich ook kunnen verplaatsen. Want vanaf de vagina is het nog een hele reis naar de uiteindelijke plaats van de infectie in de blaas of de nieren. Het is dan juist gunstig om zo nu en dan niet aan te hechten, en geen adhesines te hebben, zodat de reis kan worden voortgezet. Tenslotte moet er ook gezorgd worden voor de overdracht van de infectie naar andere gastheren. Voor dit doel moeten er juist wel bacteriën worden uitgespoeld met de urine. Deze komen daardoor terecht in de buitenwereld, waar ze zorgen voor een nieuwe infectie in een nieuwe gastheer. De adhesine-loze E. coli bacteriën zijn ook voor deze taak uitermate geschikt. Dit wordt bevestigd door studies met patiënten waar men heeft gevonden dat E. coli in de urine veel minder vaak adhesines maken dan in de blaas of nieren.

Fasevariatie van adhesinegenen zorgt er dus voor dat de verschillende taken die horen bij infecteren, verspreiden en overdragen van de infectie, worden verdeeld over de populatie van E. coli’s (zie afbeelding 4).

Met succes infecteren

De bacterie Neisseria meningitis, beter bekent als de meningokok, is een tweede voorbeeld van een bacterie die fasevariatie vertoont. Hij is bekend van de grote vaccinatiecampagne die op dit moment plaatsvindt in Nederland, omdat hij de gevaarlijke ziekte hersenvliesontsteking of nekkramp kan veroorzaken. Toch gebeurt het maar zelden dat deze bolvormige bacterie ook werkelijk ernstige ziekteverschijnselen geeft. Wereldwijd is hij aanwezig in de bovenste luchtwegen van zo’n 500 miljoen mensen, zonder dat ze daar ook maar iets van merken. Doordat deze bacterie zijn gastheer meestal niet ziek maakt, blijft deze dus langer leven. Hierdoor heeft Neisseria een veilig onderkomen voor lange tijd, waardoor hij zich naar hartelust kan vermenigvuldigen en verspreiden.

Neisseria is dus blijkbaar erg goed in het binnendringen en koloniseren van zijn gastheer, de mens. Maar daar heeft hij wel een enorm aanpassingsvermogen voor nodig. Eén van de factoren die aan dit aanpassingsvermogen bijdragen is fasevariatie. In één Neisseria stam kunnen wel tot 30 fasevariërende genen aanwezig zijn. Deze genen zorgen ervoor dat in 1 populatie van Neisseria bacteriën tot wel 2³⁰ (1 miljard !!) verschillende varianten kunnen ontstaan, die elk weer hun eigen specifieke combinatie van eigenschappen hebben die optimaal is voor een bepaalde conditie (zie afbeelding 5).

De fasevariërende genen coderen voor allerlei eiwitten en structuren die voornamelijk op het oppervlak van de bacterie zitten. Ze hebben functies bij de opname van voedingsstoffen, zoals ijzer, en zijn betrokken bij allerlei andere interacties tussen Neisseria en de gastheer. Een voorbeeld van dergelijke eiwitten zijn de zogenaamde Opa-eiwitten. De expressie van bepaalde combinaties van verschillende Opa-eiwitten maakt dat de bacterie een voorkeur heeft voor het hechten aan epitheelcellen die de luchtwegen bekleden, aan endotheelcellen van bloedvaten, of juist aan de witte bloedcellen van het afweersysteem van de gastheer. Afhankelijk van waar de bacterie zich bevindt, is het wel of niet voordelig om bepaalde combinaties van Opa-eiwitten tot expressie te brengen. Want als de bacterie in de luchtwegen zit, hoeft hij zich niet te hechten aan endotheelcellen. Maar als hij in het bloed zit kan hij dat juist beter wel doen.

Een ander voorbeeld is het lipopolysaccharide (LPS), een belangrijke component van de celwand van de Neisseria bacterie. Door middel van fasevariatie kan de samenstelling van het LPS worden gevarieerd, en bestaan dus verschillende varianten in een populatie van Neisseria’s, met elk een eigen LPS-vorm. Een van deze varianten, de L8 variant, is bijvoorbeeld beter in staat om gastheercellen binnen te dringen, dan drie andere varianten (L3, L7, en L9), die een ander LPS-vorm hebben. Deze drie zijn juist weer beter beschermd tegen de dodelijke acties van het afweersysteem in het bloed. Uit onderzoek in muizen blijkt inderdaad dat de L8 variant van Neisseria zich vooral bevindt in de bovenste luchtwegen, waar de eigenschap ‘binnendringen’ heel nuttig kan zijn. De drie andere varianten zitten vooral in het bloed van een geïnfecteerde muis, waar bescherming tegen het afweersysteem in het bloed juist heel nuttig is.

Efficiënt gebruik van energie en genen

Met behulp van fasevariatie maximaliseren bacteriën hun kansen op het succesvol infecteren van een gastheer en vervolgens te overleven. Tegelijkertijd besparen ze kostbare energie, door deze kansen te verdelen over hun hele populatie. Als een conditie optreedt, waarbij het eiwit nodig is, zal dus het deel van de populatie wat het gen uit heeft staan, minder succes hebben bij het infectieproces, of misschien zelfs dood gaan. Maar door fasevariatie zal toch altijd een deel van de bacteriën het eiwit wel paraat hebben, en deze bacteriën overleven wel. Hoe meer genen fasevariëren, hoe meer verschillende nuttige eigenschappen tegelijkertijd aanwezig kunnen zijn in de populatie, bij een zelfde energieverbruik. Fasevariatie zorgt dus voor een zuinig gebruik van energie en genen. Het stelt bacteriën in staat om zich op een zo efficiënt mogelijke manier voor te bereiden op onverwachte en onvoorspelbare condities.