De enorme complexiteit in prokaryotische genomen verklaart de vele verschillende manieren waarop bacteriën zich kunnen aanpassen en resistentie tegen een faaginfectie kunnen ontwikkelen (figuur 1). Bacteriën kunnen zich in een zeer snel tempo delen en zijn aan een constante selectiedruk onderhevig. Zo kunnen mutaties zich in hoog tempo in een bacteriepopulatie verspreiden. Dat fagen een mutageen effect kunnen hebben op bacteriën is al sinds 1963 bekend.[1]

Profagen en plasmiden
Veranderingen in het bacterieel genoom vinden vaak niet willekeurig verspreid plaats. Veel van de in deel twee beschreven resistentiemechanismen worden gecodeerd door genen die geclusterd zijn in zogenoemde ‘defence islands’.[2] In deze geclusterde regio’s is sprake van geprogrammeerde genetische variatie, die de diversiteit van het genoom sneller en efficiënter kan verhogen dan willekeurig voorkomende puntmutaties.
Deze defence islands kunnen worden gereguleerd door mobiele of flexibele genetische elementen. Deze elementen worden wel beschreven als bacterieel mobiloom. De belangrijkste bron voor verrijking van het mobiloom zijn gematigde fagen.[3] Deze elementen kunnen worden overgenomen door volgende generaties of, in het geval van plasmiden, horizontaal worden overgedragen door middel van conjugatie. Deze geïntegreerde elementen kunnen gunstige eigenschappen bevatten die oorspronkelijk ontwikkeld zijn voor faag-faaginteractie.
Homotypische competitie, oftewel competitie tussen fagen van dezelfde of een nauw verwante soort, is een veelvoorkomend fenomeen. Veel profagen coderen voor repressorgenen, Sie-systemen of restrictie-modificatiemechanismen die zich richten op hun eigen of een nauw verwante soort.[4] Op deze manier wordt het aantal vrije fagen, dat andere bacteriën kan koloniseren, vergroot. Competitie tussen verschillende faagsoorten komt veel voor.[5]
Ook plasmiden kunnen verantwoordelijk zijn voor faagresistentie hoewel ze met name uitgebreid beschreven zijn in relatie tot antibioticumresistentie. Vooral in de voedingsmiddelenindustrie is onderzoek gedaan naar plasmide-gemedieerde faagresistentie voor de bescherming van bacteriestammen die gebruikt worden voor de productie van onder andere zuivelproducten. Dit soort plasmiden zijn beschreven in Lactococcus lactis.[6-9]
Plasmiden kunnen daarnaast genetische variaties aanbrengen in het bacteriële genoom door te coderen voor geclusterde inversiegebieden oftewel ‘shufflons’.[10] Deze systemen worden maar in enkele bacteriën beschreven. Ze werden voor het eerst gevonden in het plasmide R64 van de Salmonella spp. Ze bestaan uit verschillende recombinatiesequenties en een recombinase, Rci, die een inversie of deletie van het tussenliggende DNA teweeg kan brengen. Zo kan geschakeld worden tussen de aan- of afwezigheid van oppervlaktestructuren, zoals pili, die door fagen herkend kunnen worden.[11-12]

Bacteriële fasevariatie
Zoals boven beschreven kan door fasevariatie faaginfectie vermeden worden. Er zijn drie mechanismen die hieraan ten grondslag liggen: locatiespecifieke recombinatie, slipped-strand mispairing en epigenetische modificatie.[13] Locatiespecifieke recombinatie vindt plaats op een specifieke plek binnen een korte recombinatiereeks en wordt gemedieerd door een specifiek recombinase.[14] Door inversie van een DNA-segment in het regulatiegebied kan de expressie van een gen worden in- of uitgeschakeld. In sommige gevallen zijn recombinasen in staat om deze inversie de andere kant op te katalyseren, in andere gevallen is hier een ander enzym voor nodig. De aan- of afwezigheid van oppervlaktestructuren van een bacterie is een van de eigenschappen die kunnen worden gereguleerd door dit mechanisme. Dit gebeurt bijvoorbeeld bij de ontwikkeling van flagellen in Salmonella spp en fimbriae in E. coli.[15-17]
Ook slipped strand mispairing vindt plaats in specifieke regio’s, maar deze regio’s bestaan juist uit korte herhalende DNA-segmenten.[18] Slipped strand mispairing is een mutatieproces dat optreedt in specifieke regio’s tijdens DNA-recombinatie, waarbij de verkeerde complementaire basen tegenover elkaar komen te liggen. De regio’s waarin dit optreedt bestaan uit korte herhalingen van een bepaalde sequentie.[18] Deze mutaties kunnen stroomopwaarts van het gen of binnen de coderende sequentie optreden.[19] Slipped strand mispairing kan leiden tot veranderde expressie van een gen of ook tot verandering in het genproduct zelf.[20] Als gevolg daarvan kan slipped-strand mispairing aanleiding zijn voor faagresistentie door onder meer de non-expressie van receptoren [21-22] of R-M-systemen.[23]
Epigenetische modificaties zijn voornamelijk gebaseerd op veranderingen in methyleringspatronen op DNA-sequenties.[24] In bacteriën is methylering van adenine het meest voorkomend en dit wordt gekatalyseerd door het enzym Dam (DNA-adenine-methylase). Methylering door Dam kan een rol spelen bij de onderdrukking van bepaalde promotors.[25] Zo reguleert methylering door Dam het verkorten van O-antigeenketens in de lipopolysacharide van Salmonella enterica.[26] Dit maakt de bacterie resistent tegen fagen maar het gaat ten koste van de eigenschap zich te kunnen prolifereren binnen macrofagen, wat de bacterie minder virulent maakt.

Transponeerbare elementen
Ook transponeerbare elementen dragen bij aan de genetische variabiliteit, oftewel transposons. Transposons zijn DNA-fragmenten die hun positie binnen het genoom willekeurig kunnen veranderen. Dit creëert mutaties en in sommige gevallen veranderingen in de grootte van het genoom. Transposons kunnen tussen bacteriesoorten worden overgedragen door middel van fagen.[27] Transpositie van DNA-sequenties stimuleert mutagenese hetgeen de kans op de ontwikkeling van een faagresistent fenotype vergroot.
Een bijzonder voorbeeld van transpositie van bacteriën wordt gezien bij de bacteriofaag Mu. Het genoom van deze faag kan fungeren als een transposon en op willekeurige posities van het bacteriële genoom worden geplaatst. Op deze manier kunnen genen of operons worden verstoord en stimuleert het de mutatiefrequentie.[28] Het genoom kan zijn DNA inbrengen in elke willekeurige fase van de levenscyclus van de bacterie waarbij het meer dan één keer kan worden getransposeerd.[29]
Anderzijds kunnen transposons ook een technisch hulpmiddel zijn om genen die betrokken zijn bij faagresistentie te identificeren. Hierbij worden aselect gekozen transposons in vitro gebruikt om bacteriële mutanten te selecteren. In deze faagresistente mutanten wordt de insertieplek geïdentificeerd door sequensen om zo het mechanisme van faagresistentie op te helderen.[30]

Faag-induceerbare chromosomale eilanden
Sommige grampositieve bacteriën hebben een nog slimmere manier waarmee ze hun genoom gebruiken als bescherming tegen faaginfectie. Ze coderen voor zogeheten faag-induceerbare chromosomale eilanden (PICI’s). Dit zijn als het ware genetische parasieten die kunnen concurreren met binnengevallen fagen tijdens hun lytische cyclus. De meest bekende zijn de PICI’s die gevonden zijn in Staphylococcus aureus, de SaPI’s.[31] SaPI’s worden tot expressie gebracht als reactie op een faaginfectie. Ze kunnen zich repliceren en verpakken zich binnenin de capside van de infecterende faag, waarmee het genoom van de faag zelf wordt verdreven. De nieuw gevormde SaPI-dragende virions barsten vervolgens uit de cel bij de lysis en verspreiden zich naar nabijgelegen bacteriën waar ze concurreren met faaginfectie.

In deel vier gaan we verder in op de mechanismen waarop bacteriofagen de tegenaanval inzetten.