Je leest:

Slaaf van de prokaryoot

Slaaf van de prokaryoot

Auteur: | 11 februari 2005

Diverse bacteriesoorten beteugelen eukaryote cellen door middel van eiwitten die ze in hun gastheer brengen. Leids onderzoek aan planten heeft medische onderzoekers enthousiast gemaakt.

Dat bacteriën DNA uitwisselen is al jaren bekend. Zo kunnen door middel van conjugatie bacteriën onder meer plasmiden met antibioticaresistentiegenen overdragen, wat uit evolutionair oogpunt een groot voordeel is – voor de bacterie.

Maar ook in het contact tussen bacteriën en planten blijkt hetzelfde transfersysteem een rol te spelen. Infectie van Agrobacterium tumefaciens leidt tot tumoren bij planten. De bacterie draagt een plasmide over met een set genen die zorgen voor de overproductie van plantenhormonen, waardoor een tumor ontstaat. Andere genen zorgen ervoor dat de plantentumor stoffen (octopine en nopaline) gaat maken die de bacterie tot voedsel dienen. Deze afwijkende aminozuren kan alleen de bacterie als stikstofbron gebruiken.

De onderzoeksgroep onder leiding van Paul Hooykaas heeft een lange traditie in het ontcijferen van de interactie tussen Agrobacterium en planten. Daaruit was al gebleken dat de bacterie naast het DNA ook eiwitten overdraagt. Een aantal van deze Virulentie (Vir)-eiwitten zijn onmisbaar voor een succesvolle infectie. Hooykaas: ‘Er was lange tijd discussie in het veld over de vraag of het transportkanaal dat Agrobacterium gebruikt een DNA-kanaal of een eiwit-kanaal is. Er wordt een complex van DNA en eiwit overgedragen maar het was onduidelijk wat het transportkanaal herkent: de Vir-eiwitten of het DNA.’

In 2000 leverden de Leidse onderzoekers in Science het bewijs dat het herkenningssignaal in het eiwit zit. Ze bewezen dit door een reporterenzym te koppelen aan een Vir-eiwit en dit de plantencel in te transporteren. Dit reporterenzym zorgt voor recombinatie in het DNA van de geïnfecteerde cel waardoor de cel groen gaat fluoresceren. Dat laatste lukte ook als er geen DNA werd overgedragen.

Door een van de Vir-eiwitten stap voor stap in te korten, bleek dat het herkenningssignaal voor transport naar de plant in de laatste twintig aminozuren zit. Dit kleine peptide alleen is al voldoende om een reporterenzym in de plantencel te krijgen. Een arbeidsintensief mutatie-onderzoek toont aan dat een positieve lading van een reeks arginines bepalend is voor herkenning, schrijven de onderzoekers in PNAS van 18 januari.

Agrobacterium tumefaciens is een belangrijk organisme in de plantenbiotechnologie, omdat de bacterie zo gemanipuleerd kan worden dat het ook soortvreemde genen op planten kan overdragen. Hoewel Agrobacterium in het wild 90 plantenfamilies (alleen dicotylen) kan infecteren, zijn onderzoekers in het lab erin geslaagd om het aantal te infecteren gastheren drastisch uit te breiden. Door de omstandigheden – pH en temperatuur – te manipuleren lukt het om DNA over te dragen naar organismen die zeer ver van Agrobacterium afstaan. Zo slaagde de groep van Paul Hooykaas er in 1995 in om gist met Agrobacterium genetisch te modificeren, en in 1998 lukte dat bij schimmels (onder andere Aspergillus en de champignon). Er zijn zelfs berichten dat hetzelfde is gelukt bij zoogdiercellen, maar het onderzoek uit 2001 dat die prestatie claimde is nimmer herhaald, en het bewijs is verre van waterdicht, aldus Hooykaas. Hij heeft het ook geprobeerd en twijfelt of het überhaupt wel mogelijk is. ‘Voor de vorming van een functionele koppeling tussen Agrobacterium en een zoogdiercel moeten de zuurgraad en temperatuur zo laag zijn, dat de zoogdiercellen het loodje leggen.’

Maagzweer

Tegelijk met Leidse onderzoekers publiceren twee andere groepen resultaten van onderzoek aan verwante transportmechanismen in de menselijke pathogenen Bartonella en Legionella. De onderwerping van een eukaryote cel aan de nukken van een prokaryoot blijkt evolutionair veel wijder verbreid dan gedacht. Het conjugatiesysteem heeft zich ook ontwikkeld tot sleutel in de bacteriële infectie van dierlijke cellen, blijkt uit onderzoek in de afgelopen paar jaar. Menselijke plaaggeesten als de maagzweerverwekker Helicobacter pylori, de verwekker van Legionairsziekte (Legionella pneumophila) en de minder bekende pathogene bacterie Bartonella henselae blijken zonder dit zogenaamde type IV secretiesysteem (T4SS) geen ziekte te kunnen verwekken.

Bartonella henselae veroorzaakt kattenkrabziekte, maar kan ook leiden tot tumorgroei in de bloedvaten. De bacterie koloniseert dan het bloedvatepitheel en scheidt een aantal Vir-eiwitten uit die de fysiologie en het uiterlijk van de cel drastisch veranderen, wat ervoor zorgt dat het lichaam de geïnfecteerde cellen niet kan opruimen.

Legionella doet iets soortgelijks. Deze bacterie komt veel voor in water en kan bij inademing ernstige longontsteking veroorzaken. Legionella nestelt zich in de macrofagen, immuuncellen die juist proberen de bacterie onschadelijk te maken. Door Vir-eiwitten uit te scheiden met het T4SS kunnen ze zich handhaven en delen, doordat het interne opruimingsmechanisme – fusie met lysosomen – van de macrofagen wordt lamgelegd.

Het blijkt dat verschillende pathogenen T4SS gebruiken om de functie van plantaardige en dierlijke cellen te beinvloeden. Het onderzoek aan Agrobacterium heeft zo onverwacht invloed op het ontsluiten van een nieuwe medisch microbiologisch onderzoeksveld.

Stimulans

Met het bekend worden van signaalsequenties die verantwoordelijk zijn voor de secretie van Vir-eiwitten, kunnen andere pathogenen worden onderzocht op de aanwezigheid van genen die coderen voor deze moleculen. Hooykaas: ‘Er zijn talloze bacteriële genomen in kaart gebracht, maar zonder dat je een idee hebt van waarnaar je moet zoeken, kun je geen Vir-eiwitten herkennen. Dat is de stimulans van onze aanpak geweest: je hebt nu een sleutel om verder te zoeken.’

Mogelijk biedt het T4SS nieuwe mogelijkheden in de strijd tegen menselijke pathogenen, aldus Hooykaas. ‘De Vir-eiwitten vormen een mooi doelwit voor nieuwe therapieën. Tegenwoordig propageert men steeds meer het idee dat je een bacterie niet per se direct hoeft te doden, maar dat je ze ook in hun virulentie kunt hinderen.’

Het speuren naar stoffen die met het T4SS systeem en Vir-eiwitten interfereren is overigens al begonnen. Farmaceutisch bedrijf Chiron is bezig met het screenen van een groot aantal stoffen op werkzaamheid tegen het T4SS systeem.

Aangezien T4SS evolutionair goed geconserveerd is, denken sommige onderzoekers dat ze bijvoorbeeld de machinerie voor DNA-overdracht van Agrobacterium naar de evolutionair sterk verwante Bartonella kunnen overzetten. De bacterie zou daardoor DNA kunnen overdragen op menselijke cellen en dat maakt het een kandidaat voor gentherapie.

Dit artikel is een publicatie van Bionieuws.
© Bionieuws, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 11 februari 2005
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.