Universidade de Lisboa Repositório da Universidade de Lisboa

Repositório da Universidade de Lisboa >
Faculdade de Ciências (FC) >
FC - Dissertações de Mestrado >

Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10451/2970

Título: Study of the biological cost of antibiotic resistance
Autor: Silva, Rui Francisco Ribeiro de Almeida e, 1980-
Orientador: Dionísio, Francisco, 1971-
Reis, Ana Maria Gonçalves, 1958-
Palavras-chave: Microbiologia
Plasmídeos
Transferência genética
Resistência aos antibióticos
Teses de mestrado - 2010
Issue Date: 2010
Resumo: Multi-drug resistance is caused by the accumulation of chromosomal mutations, by the acquisition of mobile genetic elements (mostly conjugative plasmids), or both. With few exceptions, the acquisition of drug-resistance mutations or of conjugative plasmids is costly to the bacterial cell in the absence of drugs. Recently, it has been found that, in Escherichia coli bacterial cells, a mutation conferring resistance to an antibiotic can be advantageous to the bacterial cell if another antibiotic-resistance mutation is already present, a phenomenon called sign epistasis. Here we show that sign epistasis is even more common in the interaction between antibiotic-resistance chromosomal mutations and conjugative plasmids, as well as an overall antagonistic interaction between mutations and plasmids. This implies that the acquisition of an additional resistance plasmid or of a resistance mutation often increases the fitness of a bacterial strain already resistant to antibiotics. These results further complicate expectations of resistance reversal by interdiction of antibiotic use.
Os antibióticos são essenciais na medicina moderna (Martinez et al., 2009). A sua utilização permite a prevenção e tratamento de infecções bacterianas. Desde o inicio da era dos antibióticos que se observa a emergência e disseminação de estirpes bacterianas resistentes (Levy & Marshall, 2004). Actualmente, o ritmo de descoberta de novas drogas com actividade antimicrobiana é muito lento, logo, a sociedade moderna enfrenta novamente um desafio no combate contra as doenças infecciosas de origem bacteriana. A resistência a antibióticos pode resultar de dois processos distintos: i) mutação espontânea de genes cromossomais (Martinez et al., 2009) ou ii) aquisição de genes de resistência localizados em elementos genéticos móveis (Martinez et al., 2009). Este estudo foca-se em mutações em três genes de housekeeping: rpsL, gyrA e rpoB. Mutações no gene rpsL podem modificar a proteína S12, um dos constituintes da subunidade ribossomal 30S, conferindo resistência à estreptomicina (Schrag et al., 1997). O gene gyrA codifica a enzima ADN girase, envolvida na síntese de ADN e mutações neste gene resultam em resistência a quinolonas como o ácido nalidíxico (Emmerson & Jones, 2003). A resistência à rifampicina pode resultar de mutações no gene rpoB que modificam a subunidade  da polimerase de ARN, envolvida na transcrição de ADN (Trinh et al., 2006). Sistemas celulares de detecção e correcção de erros no ADN permitem manter a taxa de mutação em níveis baixos. No entanto, ambientes com uma forte pressão selectiva (como uma infecção crónica sujeita a tratamento com antibióticos), contribuem para a selecção de fenótipos com uma elevada taxa de mutação (LeClerc et al., 1996; Oliver et al., 2000; Vulic et al., 1997). As mutações de resistência afectam genes “essenciais” (normalmente denominados de housekeeping, termo utilizado doravante) que codificam alvos de antibióticos (Andersson & Levin, 1999; Higgins et al., 2003). Logo, a resistência está frequentemente associada a um desvio da fisiologia óptima da célula. Devido a isso, estirpes resistentes a antibióticos frequentemente exibem uma taxa de crescimento menor que as estirpes ancestrais susceptíveis (Andersson & Levin, 1999; Andersson, 2006; Lenski, 1998; Nilsson et al., 2003). Esta diferença corresponde ao custo biológico (normalmente denominado de custo de fitness, termo utilizado doravante) da resistência a antibióticos. A grandeza do custo de fitness varia entre estirpes e mutações e, em alguns casos, a mutação de resistência pode não criar qualquer custo mensurável. O custo de fitness afecta a frequência de uma determinada estirpe bacteriana na população, observando-se que estirpes com menor custo de fitness exibem uma maior frequência que estirpes resistentes com um elevado custo de fitness (O'Neill et al., 2006; O'Sullivan et al., 2005). Num ambiente não sujeito à pressão selectiva de um determinado antibiótico, é espectável que as estirpes susceptíveis exibam uma taxa de crescimento superior à das estirpes resistentes, conduzindo à eliminação do fenótipo resistente. Logo, uma possível estratégia para eliminar a resistência a antibióticos consiste em banir a utilização de um determinado antibiótico. Infelizmente, vários fenómenos podem minar a eficácia deste tipo de estratégia. A evolução de estirpes resistentes conduz frequentemente à redução ou eliminação do custo biológico associado com a mutação de resistência (Andersson & Levin, 1999; Bjorkman et al., 2000; Emmerson & Jones, 2003; Gagneux et al., 2006; Maisnier-Patin et al., 2002; Schrag et al., 1997). Este processo é o resultado da ocorrência de mutações espontâneas compensatórias, que podem ocorrer noutros locais do cromossoma. A ocorrência de mutações compensatórias é muito mais frequente que a ocorrência de mutações de reversão para a susceptibilidade devido ao muito maior alvo para mutações compensatórias (todo o cromossoma). A resistência produzida pela aquisição de genes de resistência está relacionada com a troca horizontal de elementos genéticos como integrões, transposões e plasmídeos (Martinez et al., 2009). Os integrões exibem um arranjo modular que permite a introdução e expressão de genes. Integrões são recrutados por transposões, que por sua vez são recrutados por plasmídeos (Carattoli, 2001). Os plasmídeos conjugativos são capazes de mobilizar o seu ADN (e a de outros plasmídeos - plasmídeos mobilizáveis) de uma célula dadora para uma célula recipiente através do processo da conjugação bacteriana (Amabile-Cuevas & Chicurel, 1992). A conjugação permite a troca de genes de resistência entre estirpes bacterianas diversas contribuindo para a disseminação do fenótipo resistente no ambiente. A manutenção, replicação e expressão do plasmídeo de resistência também pode produzir um custo biólogico, expresso numa menor taxa de crescimento da estirpe contendo o plasmídeo em relação à mesma estirpe sem o plasmídeo. Logo, também na resistência a antibióticos produzida pela disseminação de plasmídeos de resistência, é possível conceber como estratégia para a eliminação da resistência, a suspensão da utilização de um determinado antibiótico. Este cenário é, no entanto, tornado mais complexo devido a vários fenómenos. A evolução conjunta de um plasmídeo e da sua estirpe hospedeira conduz frequentemente à redução ou eliminação do custo de fitness (Bouma & Lenski, 1988; Dionisio et al., 2005). Por outro lado, a presença no plasmídeo de outros genes seleccionados pelo ambiente (por exemplo, resistência a metais pesados) impede a eliminação do plasmídeo da população (Martinez & Baquero, 2002). Adicionalmente, a existência de estirpes bacterianas com uma capacidade dadora mais elevada permite que estas estirpes tenham um efeito amplificador, conduzindo a uma rápida disseminação do plasmídeo (Dionisio et al., 2002). Finalmente, a presença de sistemas estabilizadores de plasmídeos, como por exemplo o sistema de morte pós-segregacional, também dificulta a sua eliminação de uma população (Engelberg-Kulka & Glaser, 1999). Recentemente, um estudo revelou um fenómeno adicional que complica a reversão para a susceptibilidade em estirpes multi-resistentes: a ocorrência de uma interacção antagonística entre alelos de resistência conduzindo a um custo de fitness menor que a soma independente do custo de fitness associado com cada um dos alelos de resistência, quando isolados (Trindade et al., 2009). A observação deste fenómeno de epistasia positiva entre mutações deletérias sugere que a interacção entre alelos de resistência pode ser um dos fenómenos contribuindo para a manutenção da resistência a antibióticos em populações bacterianas. O presente estudo pretende averiguar se ocorrem interacções entre mutações cromossomais de resistência e plasmídeos conjugativos e entre plasmídeos conjugativos co-existindo na mesma célula. Nesse sentido, o custo de fitness associado a seis plasmídeos conjugativos de resistência foi determinado utilizando o mesmo ensaio de fitness utilizado no estudo de Trindade e tal (Trindade et al., 2009). De seguida, através de conjugação, foram produzidas todas as combinações possíveis entre 10 mutações e 5 plasmídeos e todas as combinações possíveis entre 6 plasmídeos. O fitness de cada estirpe resultante foi medido e utilizado para detectar e medir possíveis interacções epistásticas. Os resultados mostram que 52% (26/50) das combinações entre mutação e plasmídeo exibem epistasia positiva. Adicionalmente, 16 destas 26 estirpes exibindo epistasia positiva (62%), também exibem epistasia de sinal. Tal significa que o custo de fitness associado aos 2 determinantes de resistência em conjunto é menor que o custo de fitness associado a um dos determinantes isolados. Do mesmo modo, observou-se a ocorrência de epistasia positiva em 6 das 14 combinações entre plasmídeos co-existindo na mesma célula. Os resultados revelam também que mutações mais deletérias tendem a ser mais epistáticas que mutações com menor custo de fitness. Por outro lado, a comparação entre o efeito das mutações e dos plasmídeos no nível de epistasia, sugere que as mutações são mais determinantes do nível de epistasia que os plasmídeos. O presente trabalho mostra que as interacções epistáticas não se limitam a mutações mas também envolvem plasmídeos. A ocorrência de epistasia de sinal entre mutações e plasmídeos sugere que em determinados casos, a aquisição de um determinante de resistência adicional pode conduzir a um aumento da taxa de crescimento da estirpe (aumento de fitness). Dado o papel fundamental desempenhado pelos plasmídeos como vectores na disseminação da resistência a antibióticos, os resultados aqui descritos mostram a necessidade de implementar estratégias para a reversão para a susceptibilidade que tenham em conta a complexidade da ecologia evolutiva das estirpes resistentes. Sugerimos a implementação de medidas para a reversão que estejam direccionadas contra as vulnerabilidades dos plasmídeos conjugativos. Três estratégias foram já identificadas (Williams & Hergenrother, 2008): i) inibição da conjugação bacteriana; ii) inibição da replicação do plasmídeo e iii) exploração dos sistemas toxina-antitoxina codificados pelo plasmídeo.
Descrição: Tese de mestrado. Biologia (Microbiologia Aplicada). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2010
URI: http://hdl.handle.net/10451/2970
Appears in Collections:FC - Dissertações de Mestrado

Files in This Item:

File Description SizeFormat
ulfc090582_tm_Rui_Silva.pdf846,86 kBAdobe PDFView/Open

Please give feedback about this item
Statistics
FacebookTwitterDeliciousLinkedInDiggGoogle BookmarksMySpaceOrkut
Formato BibTex mendeley Endnote Logotipo do DeGóis 

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.

 

  © Universidade de Lisboa / SIBUL
Alameda da Universidade | Cidade Universitária | 1649-004 Lisboa | Portugal
Tel. +351 217967624 | Fax +351 217933624 | repositorio@reitoria.ul.pt - Feedback - Statistics
DeGóis
Promotores do RCAAP   Financiadores do RCAAP

Fundação para a Ciência e a Tecnologia Universidade do Minho   Governo Português Ministério da Educação e Ciência PO Sociedade do Conhecimento (POSC) Portal oficial da União Europeia