Bakterielle Persistenz. Wachstum, Persistenz und Resistenz

Wachstum, Persistenz und Resistenz

Bakterienzellen können ihre Wachstumszyklen an sich ändernde Umweltbedingungen anpassen. Daran sind mehrere Mechanismen beteiligt: der lebensfähige, aber nicht kultivierbare Zustand (VBNC, viable but not culturable), die Persistenz, also eine über Toxin-Antitoxin-Systeme vermittelte Antibiotikatoleranz (phänotypische Varianten, nicht vererbbar), und die kontaktabhängige Wachstumshemmung. Diese Mechanismen werden im Folgenden beschrieben.

Bakterielle Persistenz

In der Regel gibt die DNA phänotypische Merkmale (das äußere Erscheinungsbild des Organismus) über die Zeit weiter. Phänotypische Merkmale gehen auf die Gene zurück, die in diesem Organismus exprimiert werden. Viele Gene sind vorhanden, werden aber nicht exprimiert. 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. Diese Variation ist also nicht in der DNA kodiert; der Mikroorganismus „erinnert“ sich vielmehr an frühere Umweltbedingungen. Auf diese Weise können Bakterien künftige Generationen beeinflussen. Genetisch identische Bakterienpopulationen können deshalb unterschiedlich auf eine Behandlung reagieren, etwa mit Antibiotika. Die Persistenz ist noch immer wenig verstanden; beteiligt sind mehrere Mechanismen, die erst teilweise aufgeklärt sind.

In jüngerer Zeit konnte in Studien ein Signalweg der Persistenz aufgeklärt werden. Persistente Bakterien bilden eine Subpopulation innerhalb einer Bakterienart und sind gegenüber verschiedenen Antibiotika tolerant. Sie haben dasselbe Genom wie die nicht persistenten Zellen derselben Population, sind aber in einen Ruhezustand übergegangen, der sie gegen bestimmte Antibiotika resistent macht.

In E. coli wurde ein Persistenz-Locus identifiziert. Er enthält eine Region, die ein Toxin-Antitoxin-System (TA) kodiert. Die TA-Sequenzen kodieren für eine mRNA-Endonuklease (Enzym, das RNA spaltet) als Toxin und für das zugehörige Antitoxin. Die Antitoxine hemmen die mRNasen und werden ihrerseits von der Lon-Protease (Enzym, das Proteine spaltet) abgebaut. Fehlt Lon, nimmt die Persistenz ab; wird Lon überproduziert, steigt der Anteil persistenter Bakterien. Fehlen dagegen die mRNasen, tritt dieser Effekt nicht auf. 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. Pathogene Bakterien, die bekanntermaßen in einen Ruhezustand übergehen können, besitzen häufig viele TA-Gene.

Es wird angenommen, dass Toxin-Antitoxin-Gene (TA-Gene) das Zellwachstum bei Umweltstress regulieren. Die Gene dieser Region werden bei Nährstoffmangel und unter anderen Bedingungen aktiviert, 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 bringen das Bakterienwachstum rasch zum Stillstand. Es konnte gezeigt werden, dass sie einen bakteriostatischen Zustand herbeiführen, der sich durch die Expression der ebenfalls von den TA-Genen kodierten Antitoxine leicht wieder aufheben lässt. Umweltstress verursacht also eine Toxinaktivierung, die die Proteinsynthese rasch zum Stillstand bringt, bis wieder bessere Bedingungen herrschen. Da der Abbau des Antitoxins die Repression der TA-Gene aufhebt, muss das Bakterium, sobald es sich an den Stress angepasst hat, mehr Antitoxin bilden, um der Toxinaktivität entgegenzuwirken. Die Erholung nach der Aktivierung der mRNA-Interferasen wird zudem durch das tmRNA-Qualitätskontrollsystem erleichtert: Es setzt Ribosomen wieder frei, die bei der Translation toxingespaltener mRNAs stecken geblieben sind.

Persistenz ist ein Mechanismus zur Wachstumskontrolle durch phänotypische Variation in Bakterien. Persistenz ist, wie erwähnt, kein genetisch vererbbares Merkmal. Die Antibiotikatoleranz persistenter Zellen beruht auf einem völlig anderen Mechanismus als die genetisch vererbte Resistenz. Persistenzmechanismen ließen sich bisher schwer untersuchen, weil sie nicht vererbbar sind und selten auftreten. Untersucht wurde eine Klasse persistenter Zellen, die als Typ I bezeichnet wird. Ihre Entstehung hängt mit dem TA-System und der Expression der Gene hipA und hipB zusammen. Die Mutation hipA7 erhöht die Häufigkeit von Persisterzellen um das Tausendfache. Diese Persisterzellen sind sich nicht teilende, ruhende Zellen, die spontan in einer Bakterienpopulation auftreten. Beobachtet wurde außerdem ein zweiter Typ von Persisterzellen, Typ II, der sich anders verhält: Im Gegensatz zu Typ I wachsen Typ-II-Zellen in Gegenwart von Ampicillin noch einige Generationen lang langsam weiter. Vermutlich ist ihr Zustand schwach vererbbar. Trifft das zu, könnte er durch DNA-Methylierung vermittelt werden, die zwar vererbbar ist, aber innerhalb weniger Bakteriengenerationen verloren gehen kann.

Diese Mechanismen sind derzeit noch wenig verstanden, und es ist nicht bekannt, ob die TA-Aktivierung Folge oder Ursache der Persistenz ist. Einige Forscher vermuten, dass Persistenz eine Folge der Zellalterung ist. Andere vermuten, dass Persisterzellen durch einen doppelt negativen bistabilen Schalter gesteuert werden: Wird in einer Zelle zufällig mehr Antitoxin abgebaut, steigt das Verhältnis von Toxin zu Antitoxin, und die Translation in dieser Zelle nimmt ab. Weil das Toxin stabiler ist als das Antitoxin, würde die Translation dann weiter abnehmen.

Es wurden epigenetische Phänomene identifiziert, darunter der VBNC- und der Persistenzzustand, durch die Bakterien phänotypische Vielfalt erzeugen. Als nicht vererbbare Mechanismen der Wachstumsregulation sind sie derzeit nur unzureichend verstanden. Fest steht dennoch, dass Bakterien ihr Wachstum an veränderte Umweltbedingungen anpassen können. Die Epigenetik befasst sich mit chemischen Veränderungen an bestimmten Genen oder genassoziierten Proteinen, die beeinflussen, wie ein Gen von der Zelle exprimiert und genutzt wird. Häufig geht es dabei um Wechselwirkungen zwischen Genen und Genprodukten, aus denen der Phänotyp eines Organismus hervorgeht.