Patogenesis Mycobacterium tuberculosis dan Penentu Molekuler Virulensi
Tuberkulosis (TB), merupakan salah satu inveksi yang disebabkan oleh bakteri ini telah memberikan penderitaan terhadap manusia yang tercatat dan merupakan infeksi tertua, TB masih menjadi salah satu pembunuh terbesar di antara penyakit menular yang pernah ada, meskipun penggunaan vaksin hidup yang dilemahkan dan beberapa antibiotik di seluruh dunia telah digunakan. Vaksin dan obat baru diperlukan untuk membendung epidemi TB di seluruh dunia yang membunuh dua juta orang setiap tahun. Untuk mengembangkan agen antituberkular baru secara rasional, penting untuk mempelajari genetika dan fisiologi M. tuberculosis dan mikobakteri terkait. Pendekatan yang dijelaskan dalam tinjauan ini mengidentifikasi gen M. tuberculosis yang sedang atau berpotensi terlibat dalam virulensi. Di masa depan, beberapa gen dan protein yang dikodekannya, serta yang baru ditemukan, harus menyediakan target bakteri baru yang dapat digunakan untuk membuat vaksin dan obat-obatan serta reagen diagnostik yang lebih selektif.
SEJARAH MUNCULNYA TUBERKULOSIS
Tuberkulosis (TB) seperti yang dijelaskan di bagian selanjutnya, dapat muncul dalam berbagai bentuk, termasuk yang menyerang tulang dan menyebabkan kelainan bentuk tulang. Jaringan keras seperti tulang dapat bertahan selama ribuan tahun, memungkinkan identifikasi yang hampir pasti dari individu dengan TB tulang yang meninggal lebih dari 4.000 tahun yang lalu. Frekuensi kerangka yang digali dengan kelainan tuberkular yang tampak jelas di Mesir kuno menunjukkan bahwa penyakit itu umum di antara populasi itu. Penemuan tulang yang cacat serupa di berbagai situs Neolitik di Italia, Denmark, dan negara-negara di Timur Tengah juga menunjukkan bahwa TB ditemukan di seluruh dunia hingga 4.000 tahun yang lalu. Asal mula M. tuberculosis, agen penyebab TB, telah menjadi subyek banyak penelitian baru-baru ini, dan diperkirakan bahwa bakteri dalam genus Mycobacterium, seperti actimomycetes lainnya, pada awalnya ditemukan di tanah dan beberapa spesies berevolusi untuk hidup. pada mamalia. Domestikasi ternak, diperkirakan terjadi antara 10.000 dan 25.000 tahun yang lalu, akan memungkinkan masuknya patogen mikobakteri dari ternak peliharaan ke manusia, dan dalam adaptasi ini ke inang baru, bakteri akan berevolusi menjadi M. tuberkulosis. Secara khusus, telah dihipotesiskan bahwa M. bovis, yang menyebabkan penyakit mirip TB pada sapi, adalah prekursor evolusioner hipotetis M. tuberculosis. Hipotesis ini sekarang dianggap meragukan berdasarkan data baru, karena telah dirumuskan sebelum genom di kompleks M. tuberculosis, termasuk patogen manusia dan hewan M. africanum, M. microti, dan M. canetti, serta M. .tuberkulosis dan M. bovis, dicirikan oleh sekuensing DNA dan metode terkait. Studi-studi ini telah menunjukkan lebih dari 99,9% kesamaan urutan DNA di antara anggota kompleks M. tuberculosis, tetapi keberadaan polimorfisme nukleotida tunggal sinonim yang langka (sSNP) memungkinkan diskriminasi antara bakteri yang terkait erat ini. Analisis sSNP menunjukkan bahwa M. bovis berevolusi pada saat yang sama dengan M. tuberculosis, dan studi tentang distribusi delesi dan insersi dalam genom kompleks M. tuberculosis memberikan bukti kuat untuk evolusi independen kedua M. tuberculosis dan M. bovis dari spesies prekursor lain, kemungkinan berkerabat dengan M. canetti.
Dalam catatan sejarah, tablet tanah liat Assyiria menggambarkan pasien batuk darah pada abad ketujuh SM, dan Hippocrates (abad kelima SM) menulis tentang pasien dengan sakit paru-paru (istilah Yunani adalah phthisis), yaitu, kelelahan yang berhubungan dengan nyeri dada dan batuk, sering dengan darah pada dahak. Pada saat ini, frekuensi deskripsi pasien dengan gejala mirip TB menunjukkan bahwa penyakit itu sudah mengakar dengan baik. Diperkirakan bahwa TB mungkin telah masuk ke wilayah ini melalui migrasi penggembala sapi Indo-Eropa yang membawanya karena terpajan pada sapi yang terinfeksi tuberkel bacillus. Analisis berbagai sifat fenotipe manusia, seperti toleransi laktosa, yang terkait dengan pemeliharaan sapi dan seleksi kemampuan untuk memanfaatkan susu, serta paparan M. tuberculosis yang dihasilkan, juga menunjukkan bahwa orang Indo-Eropa menyebarkan penyakit ini ke Eropa dan Asia selama migrasi mereka ke wilayah ini.
Eropa, dengan ledakan populasinya pada milenium kedua Masehi dan pertumbuhan pusat kota besar, menjadi episentrum bagi banyak epidemi TB mulai abad ke-16 dan ke-17. Penyakit ini mencapai puncaknya di Eropa pada paruh pertama abad ke-19, dan diperkirakan seperempat orang Eropa meninggal karena TB. Dalam sebuah penelitian di sebuah rumah sakit Paris saat ini, 250 dari 696 mayat yang diperiksa menunjukkan bahwa individu tersebut telah meninggal karena penyakit ini. Pada paruh terakhir abad ke-19, kematian akibat TB menurun, sebagian besar karena perbaikan sanitasi dan perumahan, di mana contoh paling terkenal adalah pembaruan kota Paris pada tahun 1850-an, yang diprakarsai dan disutradarai oleh Baron Georges Haussmann. Tentu saja, motivasi untuk proyek besar-besaran ini bukan hanya masalah kesehatan masyarakat tetapi juga pertimbangan politik, karena jalan raya yang lurus dan lebar dari Right Bank yang dibangun kembali memungkinkan kontrol yang lebih baik atas kelas pekerja yang semakin radikal oleh pasukan Louis Bonaparte. Juga telah didalilkan bahwa seleksi alam manusia yang resisten terhadap TB mungkin memainkan peran utama dalam penurunan insiden penyakit ini pada abad ke-19, tetapi penurunan tersebut terlalu cepat untuk dijelaskan oleh perubahan ini.
Para imigran Eropa ke Dunia Baru membawa penyakit itu bersama mereka, dan sementara tingkat kematian tidak pernah mencapai tingkat yang ditemukan di Eropa, pusat kota besar seperti Boston dan New York memiliki tingkat kematian TB 6 sampai 7 per 1.000 pada tahun 1800, menurun menjadi 4 per 1.000 pada tahun 1860 hingga 1870. Langkah-langkah kesehatan masyarakat tampaknya juga berperan dalam penurunan angka kematian ini.
Angka kesakitan dan kematian TB akibat TB terus menurun selama abad ke-20 di negara maju, dibantu oleh praktik kesehatan masyarakat yang lebih baik dan meluasnya penggunaan vaksin BCG M. bovis, serta pengembangan antibiotik pada 1950-an. Tren penurunan ini berakhir dan jumlah kasus baru mulai meningkat pada pertengahan 1980-an. Penyebab utama dari hal ini adalah meningkatnya tunawisma dan kemiskinan di negara maju dan munculnya AIDS, dengan penghancuran respon imun yang diperantarai sel pada orang koinfeksi. Hanya dengan pengeluaran dana dan sumber daya manusia yang sangat besar, terutama dengan pemberian antibiotik yang dipantau secara langsung, “miniepidemi” kasus TB baru ini dapat dibalik di Eropa dan Amerika Serikat.
Namun, pada berbagai negara terbelakang masih menderita TB, seperti yang ditunjukkan oleh statistik berikut. Insiden TB berkisar dari kurang dari 10 per 100.000 di Amerika Utara hingga 100 hingga 300 per 100.000 di Asia dan Rusia Barat hingga lebih dari 300 per 100.000 di Afrika Selatan dan Tengah. Ada satu kematian akibat TB setiap 15 detik (lebih dari dua juta per tahun), dan delapan juta orang menyebarkan TB setiap tahun. Tanpa pengobatan, hingga 60% orang dengan penyakit ini akan meninggal. Pada dasarnya semua kasus ini berada di Dunia Ketiga (318a), yang mencerminkan kemiskinan dan kurangnya kondisi hidup yang sehat dan perawatan medis yang memadai. Krisis global ini diperparah dengan munculnya resistensi multiobat di negara-negara seperti bekas Uni Soviet, Afrika Selatan, dan India, di mana beberapa antibiotik tersedia tetapi kualitasnya lebih rendah atau tidak digunakan untuk waktu yang cukup untuk mengendalikan penyakit sesuai dengan yang direkomendasikan. rejimen
Selama berabad-abad, dokter dan ilmuwan telah menggambarkan TB dalam berbagai bentuknya dan berusaha memahami asal usul penyakit, untuk menggunakan informasi ini untuk diagnosis, pencegahan, dan penyembuhan yang lebih baik. Hippocrates mengira penyakit itu sebagian besar diturunkan, sementara Aristoteles (abad ke-4 SM) menekankan sifat menularnya, seperti yang dilakukan Galen, dokter Romawi terbesar, pada abad ke-2 M. Pandangan yang berlawanan tentang asal-usul TB muncul kembali di paruh kedua abad ke-17. , di mana para dokter Italia, yang melanjutkan gagasan Galen dan mempengaruhi negara-negara di lembah Mediterania, masih mempertahankan bahwa TB menular. Sebaliknya, para dokter dan sarjana di negara-negara Utara lebih menyukai penyebab penyakit ini secara konstitusional atau turun-temurun. Merefleksikan empirisme otoritas medis pada masa seperti Paracelsus dari Swiss, diyakini bahwa teori penularan Selatan tidak dibuktikan secara ilmiah dan tidak menjelaskan mengapa beberapa orang di lingkungan perkotaan tidak terkena TB bahkan di mana terdapat insiden penyakit yang tinggi. Perbedaan filosofis ini, yang dapat diparafrasekan sebagai teka-teki alam-versus-pemeliharaan yang terkenal, mencapai titik puncaknya pada abad ke-19. Pada tahun 1865, Jean-Antoine Villemin, seorang dokter militer Prancis, melaporkan bahwa ia mampu memberikan TB pada kelinci laboratorium dengan menginokulasi mereka dengan jaringan tuberkulosis dari mayat. Laporan ini segera diserang oleh lembaga medis Prancis, terutama Herman Pidoux, yang dengan tegas menyatakan bahwa harus ada solusi yang lebih “modern” dan lebih sosial untuk masalah TB, yang dia dan orang lain rasakan muncul di kelas (pekerja) yang lebih miskin. dari penyebab eksternal seperti malnutrisi, sanitasi yang buruk, dan kerja berlebihan. Laporan Robert Koch 17 tahun kemudianbnh, yang secara meyakinkan menunjukkan bahwa TB memang disebabkan oleh bakteri mendiskreditkan banyak argumen Pidoux. Namun, kepercayaan pada penyebab sosial TB masih berlanjut hingga awal abad ke-20 karena gerakan sindikalis revolusioner di Prancis, dalam perjuangan mereka selama 8 jam kerja, menggunakan TB sebagai contoh penyakit yang disebabkan oleh kerja berlebihan dan malnutrisi. . Eksponen kontemporer dari pandangan ini mencoba untuk mendiskreditkan eksperimen konklusif Koch, menggunakan argumen yang mirip dengan para dokter Eropa Utara abad ke-17 dan Pidoux dan rekan-rekannya.
Dimulai dengan karya Edward Trudeau pada akhir abad ke-19 dan awal abad ke-20, dikotomi yang jelas dalam menjelaskan etiologi tuberkulosis diselesaikan. Dalam percobaan klasik, yang menurut standar saat ini mungkin dianggap terbatas secara statistik, ia menunjukkan bahwa TB dapat diinduksi pada kelinci dengan biakan murni M. tuberculosis virulen tetapi kondisi lingkungan di mana hewan dipelihara sangat mempengaruhi perjalanan penyakit. Dalam penelitian ini, lima ekor kelinci terinfeksi M. tuberculosis dipelihara dalam kandang yang padat dan gelap dengan sedikit makanan. Dari jumlah tersebut, empat meninggal karena TB dalam waktu 3 bulan, dan satu menjadi sakit parah karena penyakit tersebut. Ketika lima hewan yang terinfeksi serupa dibiarkan hidup di luar ruangan di sebuah pulau kecil dengan makanan tambahan, satu kelinci mati dalam waktu satu bulan karena infeksi tetapi empat lainnya masih hidup setelah 6 bulan, tanpa tanda-tanda penyakit. Seri kontrol, yaitu lima kelinci yang tidak terinfeksi dikurung di kandang yang gelap dan penuh sesak dengan sedikit makanan, menjadi kurang gizi dan jelas tidak bahagia tetapi tidak terkena TB. Eksperimen sederhana ini memberikan validitas ilmiah untuk pengobatan TB (udara segar dan makanan yang cukup) yang menjadi dasar gerakan sanatorium TB yang dimulai oleh dokter Eropa pada pertengahan 1800-an dan yang juga digunakan oleh Trudeau di pusat pengobatan TB Saranac Lake miliknya. yang dibuka pada tahun 1884. Sejarah penelitian dan pengobatan TB di Trudeau Institute telah dijelaskan dalam ulasan yang menarik dan informatif.
GENETIKA M. TUBERKULOSIS
Sampai baru-baru ini, genetika M. tuberculosis adalah subjek yang diabaikan karena kesulitan dalam bekerja dengan organisme dan kurangnya alat yang sesuai. Sebuah tinjauan yang diterbitkan baru-baru ini pada tahun 1994 menyatakan bahwa bidang ini "... masih dalam tahap awal", tetapi studi tentang genetika mikobakteri telah berkembang dalam beberapa tahun terakhir, seperti yang ditunjukkan oleh publikasi seluruh buku yang didedikasikan untuk topik ini. Hal ini disebabkan oleh pengembangan banyak metode genetik, terutama oleh laboratorium Gicquel dan Jacobs, dan urutan DNA dan anotasi genom M. tuberculosis H37Rv dan mikobakteri terkait yang telah atau saat ini sedang diselesaikan oleh The Institute for Genomic Research dan oleh konsorsium Sanger Center-Pasteur Institute.
Deskripsi Genome M. tuberculosis
 |
| https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ |
Genom M. tuberculosis H37Rv terdiri dari 4,4 × 106 bp dan berisi sekitar 4.000 gen (Gbr. (Gbr.1)1) (53). Anotasi dari genom M. tuberculosis menunjukkan bahwa bakteri ini mempunyai beberapa ciri yang unik. Lebih dari 200 gen dijelaskan sebagai enzim pengkode untuk metabolisme asam lemak, yang terdiri dari 6% dari total (Tabel 1). Di antaranya adalah sekitar 100 yang diperkirakan berfungsi dalam -oksidasi asam lemak, sedangkan E. coli hanya memiliki 50 enzim yang terlibat dalam metabolisme asam lemak. Actinomycete Streptomyces coelicolor yang terkait jauh memiliki total 115, sesuai dengan sedikit lebih dari 1% dari protein, yang 59 dijelaskan sebagai terlibat dalam degradasi asam lemak. Sejumlah besar enzim M. tuberculosis yang diduga menggunakan asam lemak mungkin terkait dengan kemampuan patogen ini untuk tumbuh di jaringan inang yang terinfeksi, di mana asam lemak mungkin merupakan sumber karbon utama. Aspek penting dari fisiologi M. tuberculosis selama infeksi dijelaskan kemudian dalam tinjauan ini.
Ciri lain yang tidak biasa dari genom M. tuberculosis adalah adanya famili PE dan APD yang tidak terkait dari protein asam dan kaya glisin. Nama-nama tersebut berasal dari urutan Pro-Glu (PE) dan Pro-Pro-Glu (PPE) yang ditemukan di dua wilayah terminal-N yang dilestarikan di masing-masing keluarga protein ini yang masing-masing memiliki panjang sekitar 110 dan 180 asam amino. 172 gen, 104 dari kelas PE dan 68 dari varietas APD, terdiri lebih dari 4% gen pada M. tuberculosis, dan tingkat kelimpahan yang serupa ditemukan pada anggota lain dari kompleks M. tuberculosis yang data urutannya tersedia. Gen PE dan PPE tidak unik pada anggota kompleks M. tuberculosis, karena M. leprae memiliki 26 gen untuk kedua famili ini. Sembilan belas di antaranya adalah pseudogen, mencerminkan perampingan fisik dan genetik ekstensif genom M. leprae dengan penghapusan dan mutasi selama evolusi parasit obligat ini. M. marimum, mikobakteri patogen yang menginfeksi katak dan ikan dan menyebabkan penyakit mirip TB, memiliki beberapa gen PE yang terlibat dalam virulensi (231). Protein ini tidak terbatas pada mikobakteri patogen, karena M. smegmatis memiliki beberapa protein dari keluarga PE-PGRS. Pada M. tuberculosis, protein yang dikodekan oleh 104 gen PE dapat dibagi lagi menjadi tiga kelas, mengandung 29 protein dengan regio PE saja, 8 protein dimana regio PE diikuti oleh sekuens C-terminal yang tidak berhubungan, dan 67 protein yang membentuk regio PE. subfamili PE-PGRS. Kelompok protein ini memiliki domain PE yang dilestarikan diikuti oleh ekstensi terminal-C dengan beberapa pengulangan Gly-Gly-Ala atau Gly-Gly-Asn yang ada di domain PGRS (untuk "urutan berulang kaya GC polimorfik"). Fungsi dari keluarga besar protein terkait ini tidak diketahui, tetapi variasi ukuran telah diamati pada anggota keluarga subfamili PE-PGRS pada strain TB klinis, dan banyak dari protein ini telah terlokalisasi di dinding sel dan membran sel. Data ini dan antigenisitas protein ini telah menyebabkan hipotesis bahwa setidaknya beberapa protein ini mungkin terlibat dalam variasi antigenik M. tuberculosis selama infeksi. Secara signifikan, banyak gen PE yang mengkode protein yang hanya mengandung domain 110-asam amino diikuti oleh gen yang mengkode protein PPE. Dalam satu kasus, pasangan PE-PPE tandem, Rv2431c-Rv2430c, diekspresikan bersama dan dapat membentuk kompleks (M. Strong dan D. Eisenberg, komunikasi pribadi).
Jika tidak, M. tuberculosis tidak luar biasa dalam kandungan anotasi dari sebagian besar kelompok gen dan produknya yang ditemukan dalam mikroorganisme. Misalnya, di antara protein pengatur transkripsi, M. tuberculosis memiliki 13 faktor sigma (protein yang memberikan spesifisitas transkripsional pada RNA polimerase), sesuai dengan 0,3% dari total gen dan, 22 protein pengatur lainnya, termasuk 13 pengatur respons dua komponen (biasanya regulator transkripsi yang diaktifkan oleh dan berfungsi untuk mentransduksi sinyal lingkungan), sesuai dengan 0,6% dari total. Angka-angka ini sangat mirip dengan frekuensi gen yang mengkode regulator ini dalam genom C. diphtheriae, Bacillus subtilis, dan E. coli. Ini jauh lebih rendah daripada angka yang sesuai untuk S. coelicolor pembentuk spora yang tinggal di tanah, yang memiliki 55 gen faktor sigma, 0,7% dari total, dan 74 gen pengatur respons, lebih dari 2% dari total. Telah didalilkan bahwa lingkungan tanah tempat spesies Streptomyces ditemukan telah memilih kemampuan mikroorganisme ini untuk beradaptasi dengan kondisi yang berubah secara radikal. Ini akan terjadi dengan duplikasi gen dan evolusi divergen yang akan memunculkan banyak regulator transkripsi, memungkinkan respons bakteri yang tepat terhadap lingkungan yang berubah. Sesuai dengan ide seleksi lingkungan ini, jumlah protein transpor yang diprediksi yang dikodekan dalam genom S. coelicolor adalah 614, sesuai dengan 8% dari total gen. Jumlah ekuivalen pada M. tuberculosis adalah 125 gen beranotasi untuk fungsi transpor, setara dengan 3% dari total. Bukti tak terduga untuk gagasan duplikasi gen ini disediakan oleh fakta bahwa genom S. coelicolor lebih dari 8,5 × 106 bp, dua kali lebih besar dari M. tuberculosis dan mengkodekan protein dua kali lebih banyak (23). Pasti ada alasan tambahan untuk perbedaan dramatis dalam genom Streptomyces dibandingkan dengan eukariota lainnya. B. subtilis juga merupakan penghuni tanah pembentuk spora, tetapi genom 4 × 106-bp-nya memiliki tingkat protein pengatur dan pengangkut yang mirip dengan bakteri selain Streptomyces.
Metode Analisis Genetik pada Mycobacteria
Pada artikel selanjutnya dijelaskan bagaimana cara menganalisis genetika mycobakteri, terdapat beberapa macam analisis mikobakteri diantaranya aalah seabgai berikut :
Studi genetik awal. Studi awal tentang penciptaan mutasi pada mikobakteri terkonsentrasi pada spesies nonpatogen yang tumbuh lebih cepat karena relatif mudahnya bekerja dengan bakteri ini.
Metode genetik saat ini. Terlepas dari masalah yang disebutkan di bagian sebelumnya, beberapa teknik saat ini telah berhasil menonaktifkan gen M. tuberculosis. Teknik disrupsi gen pada mikobakteri, seperti dijelaskan pada artikel selanjutnya, dapat dibagi menjadi metode terarah dan global tetapi umumnya memerlukan fenotipe yang dapat dipilih, biasanya resistensi terhadap antibiotik.
(i) Gangguan gen terarah.
Inaktivasi gen terarah memerlukan penyisipan kaset resistensi antibiotik di tengah gen yang diinginkan dan kemudian transformasi DNA ini menjadi mikobakteri sebagai molekul linier atau melingkar, menggunakan elektroporasi.
(ii) Inaktivasi gen global.
Prinsip inaktivasi gen global adalah penyisipan DNA asing, biasanya elemen yang dapat ditransposisi, ke banyak situs dalam genom bakteri, idealnya secara acak sepenuhnya. Peristiwa ini membutuhkan fenotipe yang dapat dipilih, umumnya penanda resistensi antibiotik yang dibawa dalam elemen transposabel.
(iii) Komplemen.
Komplemen genetik juga telah digunakan untuk mengidentifikasi gen virulensi M. tuberculosis. Studi ini menggunakan strain M. tuberculosis yang diketahui avirulen atau nonpathogenic sebagai penerima gen yang dapat dipilih berdasarkan pengkodean fenotipe virulensi, menggunakan tes yang dijelaskan sebelumnya dalam ulasan ini.
(iv) Metode antisense.
RNA antisense digunakan untuk mengurangi ekspresi gen tertentu karena mencegah terjemahan mRNA yang menjadi pelengkap. Mereka sangat berguna dalam sistem di mana inaktivasi gen sulit dan juga ketika gen sangat penting karena penghambatan translasi antisense jarang, jika pernah, lengkap.
Metode lain (nongenetik).
Inaktivasi gen, baik diarahkan atau global, dan analisis selanjutnya dari fenotipe mutan adalah cara yang paling mudah untuk mengidentifikasi dan mengkarakterisasi gen dan protein yang terlibat dalam proses tertentu dan, untuk M. tuberculosis, adalah virulensi. Masalah utama dengan pendekatan ini adalah bahwa beberapa gen mungkin penting dan tidak dapat diganggu.
Tulisan ini dapat dibaca selengkapnya disini https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC164219/#:~:text=tuberculosis%2C%20the%20causative%20agent%20of,evolved%20to%20live%20in%20mammals.
PENTING : Terimakasih sudah berkunjung ke website Kami. Untuk yang mengambil artikel dari website Kami, dimohon untuk mencantumkan sumber pada tulisan / artikel yang Anda muat. Terimakasih atas kunjungannya. Kerjasama media pubhlikasi, karya tulis, dll. Email : laboratorium.medik@gmail.com.
Post a Comment