Forskerne har sekventeret de komplette genomer for knap 5.000 bakterier kaldet Gruppe A Streptokokker (GAS). GAS-bakterierne er ansvarlige for 600 millioner infektioner verden over og kan i værste tilfælde være skyld i en alvorlig 'kødædende' infektion.
>Forskerne har identificeret en særlig region i bakteriegenomet, hvor genetiske mutationer producerer toksiske proteiner, som er særligt virulente og skadelige for mennesker.
Forskerne vidste ikke, hvad der udløste de præcise, molekulære ændringer i bakteriens genom, som førte til epidemierne. De vidste heller ikke, hvordan visse typer bakterier - som gruppe A streptokokker - blev så virulente.
»Vi kan nu præcisere to nukleotide ændringer og ved lige nøjagtigt hvilke genetiske omstændigheder, der forøger produktionen af visse skadelige toksiner, som er skyld i, at bakterierne bliver så virulente, at de kan spredes over hele verden som en epidemi,« fortæller professor Karl Kristinsson, leder af Klinisk Mikrobiologisk Afdeling ved Islands Universitet og medforfatter af undersøgelsen.
Forskerne bag undersøgelsen forventer, at andre forskere nu kan skabe hurtige, diagnostiske tests, som kan identificere de genetiske omstændigheder og reducere eller standse fremtidige epidemier, før de spredes.
Skadelige toksiner produceret i genomet skaber en virulent stamme
Forskerne har gennem flere årtier undret sig over, hvordan visse bakteriestammer bliver så virulente og spreder sig så hurtigt som en epidemi. I den nye undersøgelse - udgivet i tidsskriftet Journal of Clinical Investigations - har forskerne sekventeret GAS-bakteriestammer for at præcisere genetiske ændringer i to typer af bakterien kaldet M1 og M89.
»Da vi begyndte efterforskningen, var vores hypotese, at der ville være genetiske ændringer i GAS-bakterien, som bidrog til epidemier,» fortæller James Musser, som er den ledende forsker af undersøgelsen og professor i patologi og genomisk medicin ved Houston Methodist i USA, i en video, der ledsager den nye undersøgelse.
»Vi sekventerede genomerne af tusindevis af bakteriestammer og angav præcist hvert basepar i hver stamme. Heldigvis viste vores hypotese sig at være sand. Det er ændringer i bakterien - patogenet - som bidrager til epidemierne,« forklarer James Musser i videoen.
De fandt specifikke gen-ændringer i genomets regulerende region. Denne region regulerer produktionen af to skadelige toksiner kaldet NAD+glycohydrolase og streptolysin O.
»Alle gener har en såkaldt regulerende region. Den er medvirkende til, hvordan generne transskriberes, og måden proteiner bliver dannet. Ændringer i GAS-bakterierne omfatter ændringer i den regulerende region, og det resulterer i en øget produktion af de to toksiner,« forklarer James Musser.
»Så det handler egentlig ikke så meget om mutationer i selve genet, men i den regulerende del af genet,« fortæller han.
Denne genetiske udløser gør GAS-bakteriestammerne virulente nok til at spredes som en epidemi.
Internationalt samarbejde fastslog årsagen til epidemierne
Den nye undersøgelse uddyber en tidligere undersøgelse - udgivet i tidsskriftet PNAS i 2014 - hvor det samme forskerhold sekventerede et helt genom af 3.600 stammer af en type streptokok-bakterie kendt som type M1.
»Det hele startede for nogle år siden som et samarbejde mellem Mussers team og andre grupper i USA og forskningsinstitutter i Finland, Island, Danmark, Sverige og Canada,« fortæller Janna Vuopio, professor i bakteriologi ved universitetet i Turku og medforfatter på begge undersøgelser.
»I undersøgelsen fra 2014 så vi på en type stamme - M1 - som begyndte at udvikle sig og ændre komposition i 1980'erne. Det var på den tid, at sygdommen ændrede sig og spredte sig over hele verden som en epidemi,« forklarer hun.
De identificerede de monekylære omstændigheder - visse genetiske ændringer - som havde produceret de to særligt toksiske proteiner. De fandt, at de genetiske ændringer fandt sted omkring 1983 - lige før den globale M1 epidemi.
\ Fakta
Fra ondt i halsen til kødædende sygdomme Gruppe A streptokokker omfatter mange typer bakterier, som hurtigt udvikler sig virulent. De er skyld i en lang række infektioner, hvoraf den såkaldte kødædende sygdom, Nekrotiserende fascitis, er i den mest ekstreme ende. Nekrotiserende fasciitis er en sjælden bakteriel infektion, som kan ødelægge hud og underliggende væv. Infektionen opstår, når virulente Gruppe A streptokokker angriber cellerne. I første omgang er det vigtigt at give antibiotika, og i de fleste tilfælde er der behov for at fjerne det betændte væv. Nogle gange bliver det nødvendigt at amputere arme eller ben for at forhindre, at infektionen spreder sig til hele kroppen. Det er helt afgørende, at behandlingen starter hurtigt, da den ellers kan være livstruende. I den anden ende af skalaen finder man mange forskellige slags infektioner blandt andre halsbetændelse, bihulebetændelse og mellemørebetændelse. Infektionerne er en del af den nuværende globale epidemi, hvoraf mange kan udvikle sig til alvorlige tilfælde. Gruppe A streptokokker forekommer normalt på huden og i svælget hos mange mennesker uden at forårsage nogen skade.
Men de vidste stadig ikke præcis, hvilken mekanisme der i første omgang havde udløst de genetiske omstændigheder og været skyld i spredningen af denne ene type særligt virulente bakterie. De udførte nye genomiske eksperimenter og biologiske virulens-analyser for at efterforske ændringen.
»Derudover så vi på endnu en GAS-bakteriestamme kaldet M89, som også spreder sig, og som ses med større hyppighed end før, i mange lande, heriblandt Finland og USA,« fortæller Janna Vuopio.
»Vi gentog den samme sekvensanalyse af hele genomet for en lang række af de nye M89 stammer, som vi foretog i undersøgelsen fra 2014. Vi fandt nøjagtig de samme genetiske mekanismer, som vi tidligere havde observeret i udviklingen af M,« forklarer hun.
Stop epidemierne, før de starter
Ifølge alle forskerne involveret i undersøgelsen er de nu i stand til hurtigt og præcist at fastslå de genetiske ændringer i bakterierne, der kan signalere en epidemi.
De forventer, at andre forskningsgrupper omdanner deres fund til diagnostiske tests, som kan identificere ændringerne og enten stoppe epidemierne i deres spor eller i det mindste reducere spredningen rundt om i verden, fortæller Karl Kristinsson.
»Nu da vi har stået for gensekventeringen, skulle det gå relativt stærkt med at udvikle disse tests. For eksempel vil det være muligt at designe DNA-prøver til brug i rutine lægetests. Tiden vil vise, om det ender med at blive et kommercielt produceret produkt,« afslutter Kristinsson.
Denne artikel er oprindeligt publiceret hos ScienceNordic.
Oversat af Stephanie Lammers-Clark
\ Kilder
- "A molecular trigger for intercontinental epidemics of group A Streptococcus", The Journal of Clinical Investigation (2015), DOI: 10.1172/JCI82478
- "Evolutionary pathway to increased virulence and epidemic group A Streptococcus disease derived from 3,615 genome sequences" (2014), DOI: 10.1073/pnas.1403138111.
