Genomics afslører, hvordan konkurrence mellem bakterier påvirker vaccinationens indvirkning

En storstilet genetisk og modellerende undersøgelse af Streptococcus pneumoniae har givet ny indsigt i, hvordan nyligt introducerede vacciner har elimineret mange stammer fra arten, og de forskellige måder, hvorpå de resterende bakterier konkurrerer om chancen for at erstatte dem.

S. pneumoniae findes normalt på bagsiden af ​​næsehulen, hvor det normalt er ufarligt. Imidlertid, det kan flytte til andre kropslige steder, hvilket resulterer i, at det hvert år forårsager tusinder af tilfælde af alvorlig pneumokoksygdom i Storbritannien, og en langt større sygdomsbyrde i mange lav- eller mellemindkomstlande. Disse infektioner resulterer i lungebetændelse, blodbanen infektioner eller meningitis, og er mest almindelige hos unge spædbørn og ældre. Som svar, to forskellige vacciner er blevet introduceret til bekæmpelse af S. pneumoniae i Storbritannien:den 7-valente vaccine i 2006, erstattet af den 13-valente vaccine i 2010. Siden børn begyndte at modtage vaccinen, der har været et fald i forekomsten af ​​pneumokoksygdom.

Efter et par års rutinemæssig vaccination mange stammer af S. pneumoniae, herunder de mest udbredte sygdomsfremkaldende var elimineret. Endnu, bakterierne er ikke blevet mindre almindelige i deres harmløse habitat bagerst i næsehulen. I stedet var de vaccinemålrettede stammer blevet erstattet af andre, der sjældnere forårsager sygdom hos børn. Den nyeste forskning, udgivet i Naturøkologi og evolution , giver en ny forklaring på, hvordan dette kan ske.

Denne undersøgelse brugte tre store samlinger af genomer, sekvenseret på Wellcome Trust Sanger Institute, at følge virkningerne af vaccination i Storbritannien, USA, og Holland. I stedet for at se på ændringen i forekomsten af ​​de enkelte stammer selv, forskerne kiggede på frekvenserne af gener inden for den meget forskelligartede S. pneumoniae -befolkning.

Mens forskellige S. pneumoniae -stammer dominerer forskellige steder, de detaljerede oplysninger, der er tilgængelige fra helgenomsekventering, afslørede, at hver S. pneumoniae-population var ens med hensyn til genfrekvenser. Dette var også tilfældet, når man sammenlignede bakteriepopulationer ved starten af ​​vaccinationsprogrammerne med de samme steder et par år senere. Forskernes beregningsmodeller viste, at det var meget usandsynligt, at det var tilfældigt.

For nøjagtigt at undersøge dynamikken i genfrekvenser, forskerne opfordrede til den rigdom af genetiske data, der er blevet indsamlet for nylig, og nye matematiske metoder til at sammenligne computersimuleringer med faktiske data. Den nye algoritme udviklet af Jukka Corander fra Infection Genomics -teamet på Sanger Institute muliggjorde mere præcis modellering og fremskyndede hastighedsresultaterne kan estimeres ved hjælp af sådanne modeller med op til 10, 000 gange.

Resultaterne antyder vigtigheden af ​​en bestemt type naturligt udvalg, hvor gener er mere fordelagtige for de bakterier, de findes i, når de er sjældnere - deraf navnet, 'negativt frekvensafhængigt valg'. Dette kan skyldes konkurrence mellem bakteriestammer, og detaljeret analyse af genomets sekvenser antyder de mange måder, hvorpå dette kan ske. For eksempel, S. pneumoniae celler udskiller kemikalier for at forhindre vækst af andre stammer, er modtagelige for infektion af forskellige vira, vedtage forskellige strategier for at erhverve næringsstoffer, og varierer i, hvordan de genkendes af det menneskelige immunsystem. Den relative betydning af disse forskellige processer er stadig ikke godt forstået.

Denne model lover at kaste nyt lys over, hvorfor nogle bakterier har så komplekse befolkningsstrukturer, som gør det svært at fjerne dem fuldstændigt gennem vaccination. Forfatterne formoder, at den negative frekvensafhængige selektion, der sker på generiveau, er en fælles mekanisme blandt forskellige bakteriearter. Efterhånden som brugen af ​​helgenomsekvensering til epidemiologisk overvågning bliver mere rutinemæssig, sådanne undersøgelser vil give et værdifuldt grundlag for både at designe bedre kontrolstrategier, og for en mere grundig forståelse af deres eftervirkninger.