Können wir die Fähigkeit von Bakterien, Infektionen zu verursachen, einfach „ausschalten“, anstatt sie abzutöten?

Jemandes genetische Programmierung zu ändern ist einfacher als Sie vielleicht denken. Während Techniken zur Veränderung der DNA auf molekularer Ebene immer weiter verbreitet sind, ist es auch möglich, Gene einfach ein- oder auszuschalten, ohne das zugrunde liegende genetische Material dauerhaft zu verändern. Das heißt, wir können die genetischen Anweisungen, die an den Körper eines Organismus gesendet werden, beeinflussen, indem wir seine Umgebung ändern oder Medikamente einnehmen.

Dieses Feld der „Epigenetik“ hilft Ärzten bereits zu verstehen, wie bestimmte Krankheiten funktionieren, warum Sport so nützlich sein kann und wie wir möglicherweise den Alterungsprozess verändern können. Aber meine Kollegen und ich versuchen, die Rolle der Epigenetik in Bakterien zu untersuchen.

Wir haben kürzlich eine Möglichkeit untersucht, die bakterielle Epigenetik zu beeinflussen, mit der Infektionen möglicherweise ohne den Einsatz von Antibiotika gestoppt werden können. Angesichts der Tatsache, dass viele Bakterien gegen vorhandene Antibiotika resistent werden, könnte dies eine wichtige neue Behandlungsmethode für Krankheiten eröffnen.

Unsere Studie untersuchte das Bakterium Acinetobacter baumannii, das eine der Hauptursachen für Infektionen ist, die in Krankenhäusern auftreten können und bei denen bis zu 70 Prozent der mit dem Bakterium infizierten Personen getötet werden. Bei einigen Stämmen von A. baumannii wirken Antibiotika nicht mehr - und die Weltgesundheitsorganisation hat sie kürzlich als die größte bakterielle Bedrohung für die menschliche Gesundheit eingestuft.

Wir haben bereits einige sogenannte Antivirulenzmittel, die Bakterien nicht abtöten, sondern unschädlich machen, damit das körpereigene Immunsystem sie beseitigen kann, ohne dass sie zurückbleiben und gegen das Medikament resistent werden. Wenn wir uns überlegen, wie wir die Epigenetik der Bakterien beeinflussen können, um die Insekten unschädlich zu machen, könnten wir neue Antivirulenzmittel entwickeln, die einen großen Beitrag zur Medizin leisten.

Um diesen Prozess zu starten, haben wir uns zuerst der menschlichen Epigenetik zugewandt. Die häufigste Art, unsere Epigenetik zu beeinflussen, besteht darin, unserem genetischen Material eine kleine molekulare Markierung hinzuzufügen, die ein verwandtes Gen ein- oder ausschaltet. Insbesondere können wir einem wichtigen Protein namens Histon eine als Acetylgruppe bekannte Markierung hinzufügen.

Histon organisiert unsere 2 m langen DNA-Moleküle so, dass sie gut in unsere 100 Mikrometer langen Zellen passen. Das Hinzufügen des Acetyl-Tags ist ein natürlicher Mechanismus, der von Zellen verwendet wird, um die Art und Weise zu ändern, in der Histon mit DNA interagiert. Das Hinzufügen der Acetyl-Tags aktiviert normalerweise bestimmte Gene, was bedeutet, dass sie das Verhalten der Zelle verändern. Misserfolge bei diesem Histonmodifikationsprozess sind mit Krebserkrankungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und vielen neurodegenerativen Erkrankungen verbunden.

Bakterienzellen haben ihre eigene Version des Histons HU, das ihre DNA organisiert und daran beteiligt ist, dass alle Funktionen funktionieren. Bakterien, die als „grampositiv“ bezeichnet werden, wie diejenigen in unserem Verdauungssystem, die uns helfen, Nahrung abzubauen, können ohne HU nicht überleben. Und „gramnegative Bakterien“, die uns normalerweise krank machen, wie Salmonella enterica, werden ohne HU viel weniger schädlich.

Neue Medikamente

In unserer Studie stellten wir fest, dass das Hinzufügen eines Acetyl-Tags zu HU die Art und Weise, wie es mit der DNA interagiert, signifikant beeinflusst. Das heißt, es ist sehr wahrscheinlich, dass eine solche Modifikation epigenetische Veränderungen hervorruft, die sich auf das Wachstum der Bakterien und die Infektion anderer Organismen auswirken. Wenn wir also Medikamente entwickeln können, die auf diese Weise diese Veränderungen an bakteriellen Proteinen bewirken, könnten wir einen neuen Weg finden, um Infektionen zu stoppen.

Dies ist derzeit eine wirklich wichtige Herausforderung in der Medizin, da antibiotikaresistente Bakterien weltweit jährlich 700.000 Menschen töten. Wenn wir keine neuen Therapien finden, könnte die jährliche Zahl der Todesopfer bis 2025 auf 10 Millionen steigen.

Sobald wir den Zusammenhang zwischen spezifischen epigenetischen Veränderungen und bakteriellen Infektionen überprüft haben, können wir nach Substanzen suchen, die die Epigenetik der Bakterien auf diese Weise verändern, um sie weniger schädlich zu machen. In der präklinischen Entwicklung oder in klinischen Studien gibt es bereits mehrere Moleküle, die auf ähnliche Weise auf die Epigenetik des Menschen abzielen. Ein Medikament, das die Fähigkeit von Bakterien, Infektionen auszulösen, „ausschaltet“, ist möglicherweise nicht zu weit entfernt.

Yu-Hsuan Tsai, Dozent für organische Chemie, Universität Cardiff