Il ruolo dei fagi nella diffusione della resistenza ai farmaci / The role of phages in the spread of drug resistance

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Batteriofagi che aggrediscono un batterio. / Bacteriophages attacking a bacterium.

Quando i fagi - i virus che infettano i batteri - si riproducono all'interno di un batterio possono copiare anche parti del DNA batterico e gli eventuali geni che vi si trovano, che poi trasmettono ai batteri che infettano in seguito. Questo meccanismo, appena scoperto, consente di propagare con rapidità la resistenza ai farmaci da un batterio all'altro.

Un nuovo meccanismo con cui i batteriofagi, virus che infettano i batteri, possono contribuire a diffondere con elevata efficienza la resistenza ai farmaci fra i batteri è stato individuato da un gruppo di ricercatori della National University of Singapore e dell'Università di Glasgow, che lo illustrano in un articolo su "Science".

La capacità dei batteri di adattarsi a nuovi ambienti e sviluppare la resistenza agli antibiotici è legata alla facilità con cui può avvenire uno scambio di materiale genetico fra batteri anche di specie diverse. Uno dei modi in cui ciò può avvenire è attraverso un processo chiamato trasduzione, che è mediato dai batteriofagi, e la cui scoperta valse al suo scopritore, Joshua Lederberg, il premio Nobel per la medicina del 1958.

Finora però si riteneva che questa trasduzione genica avvenisse piuttosto raramente, attraverso due soli meccanismi, detti trasduzione generalizzata e trasduzione specializzata. Il nuovo meccanismo ora scoperto da John Chen e colleghi, detto trasduzione laterale, si verifica con una frequenza mille volte superiore e permette lo scambio fra batteri di porzioni significative dei cromosomi batterici.

Una volta penetrati in un batterio, i batteriofagi sfruttano il meccanismo di replicazione della cellula ospite per trascrivere il proprio DNA, produrre le proteine del loro involucro protettivo (capside) e assemblare il tutto in nuove particelle virali pronte a infettare altre cellule.

Questa replicazione può avvenire in due modi: nel primo, il batteriofago sfrutta immediatamente il macchinario cellulare per produrre quante più possibili copie di sé, tanto da riempire il batterio al limite, facendolo alla fine "scoppiare" e liberando così nell'ambiente i nuovi 

virus.

Oppure, il batteriofago integra il proprio DNA in quello del batterio e si replica insieme all'ospite. In questo caso la formazione di nuovi virus completi e la loro liberazione si verifica solo in seguito alla presenza di particolari stimoli che provocano l'uscita del DNA virale da quello batterico in cui si era inserito (processo detto escissione) e l'inizio di una fase di replicazione autonoma.

In entrambi i casi si pensava però che l'inserimento nei nuovi virus di frammenti di DNA batterico fosse un evento occasionale, legato a errori di copiatura del DNA da parte del macchinario cellulare.

Studiando il fenomeno della resistenza agli antibiotici in Staphylococcus aureus, i ricercatori hanno ora scoperto che spesso i fagi si riproducono secondo una terza modalità che porta appunto alla trasduzione laterale. In questo caso la replicazione del DNA virale integrato in quello batterico inizia prima e non dopo l'escissione. L'apparato cellulare di copiatura del DNA però spesso non si ferma al termine della sequenza virale di DNA, ma prosegue copiando anche parte del DNA batterico, fino ai limiti di capienza del capside. In questo modo i nuovi batteriofagi possono contenere anche parti significative del genoma batterico (anche diverse chilobasi), eventualmente con interi geni che verranno così trasferiti ad altri batteri.

Purtroppo, osservano gli autori, i geni per la virulenza e la resistenza agli antibiotici dei batteri sono situati vicino ai siti di inserimento e di escissione del virus, e questo può contribuire alla rapida trasmissione della resistenza ai farmaci.

ENGLISH

When the phages - the viruses that infect the bacteria - reproduce inside a bacterium they can also copy parts of the bacterial DNA and any genes that are found there, which they then transmit to the bacteria that infect afterwards. This mechanism, just discovered, allows to quickly propagate the resistance to drugs from one bacterium to another.

A new mechanism by which bacteriophages, viruses that infect bacteria, can contribute to spreading drug resistance among bacteria is identified by a group of researchers from the National University of Singapore and the University of Glasgow, who illustrate in an article in "Science".

The ability of bacteria to adapt to new environments and to develop resistance to antibiotics is linked to the ease with which an exchange of genetic material between bacteria of different species can occur. One of the ways in which this can happen is through a process called transduction, which is mediated by the bacteriophages, and whose discovery earned its discoverer, Joshua Lederberg, the 1958 Nobel Prize for Medicine.

So far, however, it was believed that this gene transduction took place rather rarely, through only two mechanisms, called generalized transduction and specialized transduction. The new mechanism now discovered by John Chen and colleagues, called lateral transduction, occurs with a frequency a thousand times higher and allows the exchange between bacteria of significant portions of the bacterial chromosomes.

Once penetrated into a bacterium, bacteriophages exploit the replication mechanism of the host cell to transcribe their DNA, produce the proteins of their protective shell (capsid) and assemble the whole into new viral particles ready to infect other cells.

This replication can occur in two ways: in the first, the bacteriophage immediately exploits the cellular machinery to produce as many copies of itself as possible, so as to fill the bacterium to the limit, making it eventually "burst" and thus release new viruses into the environment .

Or, the bacteriophage integrates its own DNA into that of the bacterium and replicates with the host. In this case the formation of new complete viruses and their release occurs only after the presence of particular stimuli that cause the viral DNA to escape from the bacterial one in which it was inserted (process called excision) and the beginning of a autonomous replication phase.

In both cases, however, it was thought that the insertion into the new virus of bacterial DNA fragments was an occasional event, linked to errors in copying DNA by the cellular machinery.

By studying the phenomenon of antibiotic resistance in Staphylococcus aureus, researchers have now discovered that phages often reproduce according to a third modality that leads to the lateral transduction. In this case the replication of the viral DNA integrated into the bacterial DNA begins before and not after excision. However, the cellular DNA copying system often does not stop at the end of the viral DNA sequence, but it also copies part of the bacterial DNA, up to the capsid capacity limits. In this way the new bacteriophages can also contain significant parts of the bacterial genome (even several kilobases), possibly with whole genes that will be transferred to other bacteria.

Unfortunately, the authors note, the virulence genes and antibiotic resistance of the bacteria are located near the sites of insertion and excision of the virus, and this can contribute to the rapid transmission of drug resistance.

Da:

http://www.lescienze.it/news/2018/10/15/news/batteriofagi_trasduzione_trasferimento_resistenza_batteri_antibiotici-4153527/?ref=nl-Le-Scienze_19-10-2018