Bakteerien evoluutiolle löytyi yllättävä lainalaisuus

Apugeenien yleisyys bakteeripopulaatiossa säätelee bakteerien kykyä lisääntyä ja levitä isäntäorganismilta toiseen; säätelyä eivät niinkään tee mutaatiot ydinperimässä.

Tutkijat ovat löytäneet uuden lainalaisuuden, joka on ensisijainen säätelytekijä bakteeripopulaatioiden evoluutiossa. Näyttäisi siltä, että löydös on yksi tämän vuosikymmen merkittävimmistä bakteerien evoluutioon liittyvistä tutkimustuloksista. Toisin kuin aiemmin uskottiin, bakteerien kykyä lisääntyä ja levitä isäntäorganismilta toiselle eivät säätelekään ensisijaisesti mutaatiot ydinperimässä vaan niin sanottujen apugeenien yleisyys koko populaatiossa.

Uuden havainnon julkistivat professori Jukka Corander ja Dr Nicholas Croucher Nature Ecology & Evolution Advance Online Publication (AOP) - julkaisussa 16.10.2017. He johtivat tutkimustyötä, jossa selvitettiin pneumokokkibakteerien evoluutiota useista maista kerättyjen kohorttiaineistojen avulla.

– Valintapainetta populaatioiden evoluutiossa kuvaavaa uutta simulaatiomalliamme voidaan käyttää hyväksi esimerkiksi bakteerirokotteita suunniteltaessa, näin niiden teho saadaan maksimoitua, Jukka Corander sanoo.

Ensin sekvensoitiin pneumokokin perimä

Pneumokokkibakteeri on yleinen keuhkokuumeen ja muiden infektioiden aiheuttaja erityisesti pikkulapsilla ja iäkkäillä ihmisillä. Pneumokokeista on löydetty hyvin paljon geneettistä vaihtelua, mutta aiemmin ei ole kyetty selittämään täsmällisesti, mikä evolutiivinen voima tätä monimuotoisuutta ylläpitää.

Selvittääkseen bakteerien evoluutiota tutkijat Jukka Corander ja Nicholas Croucher ryhmineen tarkastelivat pneumokokkibakteerien koko perimää lähes vuosikymmenen kattavista näytteistä useista eri maista.

Sitten kehitettiin ennustava evolutiivinen tietokonesimulaatiomalli

Corander ja Croucher kehittivät yhdessä evolutiivisen tietokonesimulaatiomallin, jonka avulla he saattoivat ennustaa täsmällisesti, miten pneumokokkipopulaatiot eri maissa reagoisivat, kun niissä otettiin käyttöön pneumokokkirokote.

Simulaatiomallin sisältämä lainalaisuus on perua aiemmista eläinpopulaatioiden tutkimuksista, joissa on todettu, että yksittäisen yksilön kyvykkyys suvunjatkamiseen on riippuvainen sen tietyn ominaisuuden yleisyydestä ympäröivässä populaatiossa.

– Esimerkkinä tästä toimivat vaikkapa harmittomat eläinlajit, joiden ulkoasu matkii toista, myrkyllistä lajia, Corander sanoo.

– Kun myrkyllinen laji on riittävän yleinen tietyllä alueella, saa sitä läheisesti muistuttava vaaraton laji hyvän suojan samalla alueella, koska saaliseläimet ovat oppineet välttelemään myrkyllistä ravintoa.

Pneumokokeilla tämä valintapaine toimii käänteisesti niin, että mitä harvinaisempi perimän tietty apugeeni on, sitä enemmän siitä hyötyy bakteeriyksilö, joka yrittää levitä populaatiossa.

Päättelyalgoritmilla kvantifioitiin apugeenien valintapaineen suuruus

Professori Coranderin tutkimusryhmän ja Suomen Akatemian COIN-huippuyksikön kehittämällä uuden sukupolven päättelyalgoritmilla tutkijat pystyivät kvantifioimaan apugeenien valintapaineen suuruuden. Tulos yllätti tutkijat.

Valintapaine oli lähes identtinen kaikissa populaatioissa, vaikka niissä esiintyvät bakteerikannat olivat hyvin erilaisia ydinperimänsä suhteen ja kohortit oli kerätty eri tavoin: osa terveiltä pikkulapsilta ja osa aivokalvontulehdusta sairastaneilta aikuisilta, joita ei oltu rokotettu.

– Hämmästyimme jo ensimmäisistä tuloksista. Aiempien tutkimusten perusteella emme osanneet aavistaa, että tämä lainalaisuus olisi läsnä ja että negatiivinen valintapaine dominoisi niin suuresti sitä, mitä populaatioissa tulee tapahtumaan.

Yleinen evoluutiomekanismi saa tukea aikaisemmasta E. coli -bakteerien aineistosta

Tutkijat ovat vakuuttuneita siitä, että kyseessä on yleinen evoluutiomekanismi, joka vaikuttaa moniin bakteerilajeihin, silloin kun niiden apugeenien määrä perimässä on suuri ja geenien horisontaalinen siirtymä tavallista.

Vahvaa epäsuoraa tukea tälle oletukselle antaa Jukka Coranderin äskettäin julkaisema tutkimus Ison-Britannian verenmyrkytystapauksista kerätystä valtavasta E. coli -bakteerien aineistosta.

Tutkimusviite

Corander et al. Frequency-dependent selection in vaccine-associated pneumococcal population dynamics. Nature Ecology & Evolution.

Lisätiedot

Jukka Corander työskentelee Oslon yliopiston lääketieteellisessä tiedekunnassa, Sangerin genomikeskuksessa Cambridgessa sekä Helsingin yliopiston ja Aalto-yliopiston yhteisessä Helsingin informaatioteknologian tutkimuskeskuksessa. Evoluutivinen epidemiologia on Coranderin keskeisiä teemoja uudessa ERC Advanced Grant EU-tutkimushankkeessa.

Yhteystiedot

Jukka Corander, 050 415 5294, jukka.corander@helsinki.fi

 

Lue lisää aiheesta: Elämäntieteet