Erregergenome in Echtzeit: Forscher rekonstruieren Entstehung von EHEC

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Forscher aus Münster haben den molekularen Stammbaum des gefährlichen EHEC-Erregers rekonstruiert. Mit Hilfe neuester Sequenziertechniken war es erstmals möglich, noch während der Seuchenwelle das komplette Genom zu entziffern. Quelle: Manfred Rohde/HZI

21.07.2011  - 

Noch im Juni war es der Kampf um Leben und Tod der EHEC-Patienten, der die Mediziner in Deutschland in Atem hielt. Inzwischen ist der verheerende E.coli-Ausbruch unter Kontrolle, es werden keine Neuinfektionen mehr gemeldet. Deutsche Biomediziner hatten für die Erforschung des lebensbedrohlichen Bakteriums nahezu rund um die Uhr gearbeitet. Gleich mehreren Labors war es gelungen, das Erbgut des Erregers in Rekordzeit zu entziffern. Nun haben die EHEC-Experten des Universitätsklinikums in Münster die erste eingehende Genomanalyse veröffentlicht. Im Fachjournal PLoS One (20. Juli 2011, Online-Veröffentlichung) berichten sie, wie das Bakterium im Verlauf seiner Entstehungsgeschichte seine aggressiven Eigenschaften entwickelt hat. Nach Ansicht des Münsteraner Forschers Dag Harmsen markiert die Studie den Beginn einer Ära in der Diagnostik, die noch während einer akuten Epidemie Erbgut-Daten über den Erreger liefert.

Die Sequenzierung des EHEC-Erreger-Genoms geriet zum Wettlauf verschiedener Forschergruppen in Deutschland, China und Großbritannien (mehr...). Dank ultraschneller Sequenziermethoden der neuesten Generation war es ihnen gelungen, die vollständige Erbinformation des Ausbruchstamms 0104:H4 in nur drei Tagen zu entziffern. Nun drücken die Forscher auch aufs Tempo, was die Veröffentlichung ihrer Analyse-Ergebnisse in wissenschaftlichen Fachjournalen angeht.

Neue genetische Elemente angehäuft

Die EHEC-Experten vom Konsiliarlabor des Robert Koch-Instituts am Universitätsklinikum in Münster (UKM) haben dazu auch das Genom von nah verwandten Erregertypen ausgelesen und sie mit dem grassierenden EHEC-Ausbruchsstamm verglichen. Die Forscher um Helge Karch, Dag Harmsen und Alexander Mellmann legen damit eine erste umfassende Erbgutanalyse vor, in der sie auch die molekulare Entstehungsgeschichte des gefährlichen Darmkeims rekonstruieren. Ergebnis: Im Vergleich zu einem 2001 in Köln isolierten EHEC-Erreger, der ebenfalls die Serotypeigenschaften 0104:H4 zeigte, hat der E.coli-Stamm aus dem Jahr 2011 einige neue genetische Elemente angehäuft. So etwa für Erbanlagen, die bei der Bildung von haarähnlichen Fortsätzen, den sogenannten Fimbrien, eine Rolle spielen. Bakterien nutzen die Fimbrien, um sich an Oberflächen anzuheften. Desweiteren besitzt der 2011er Stamm eine andere Ausstattung an Antibiotika-Resistenzgenen, die auf mobilen Erbgut-Ringen, den Plasmiden, liegen. Bekannt war bisher, dass der Ausbruchskeim eine Art Hybrid aus zwei verschiedenen Bakterientypen darstellt.

Es gab vermutlich einen noch unbekannten Vorläuferstamm

Nach Ansicht von Alexander Mellmann lassen die neuen Daten den Schluss zu, dass sich der 2011er-Stamm aus einem Bakterium vom Typ Enteroaggregatives E.coli (EAEC) entwickelt hat. „Der Ausbruchsstamm stammt allerdings nicht -wie ursprünglich vermutet- direkt von dem EAEC 55989-Stamm ab, sondern von einem  noch unbekannten Vorläuferstamm, der Shiga-Toxin produziert“, so der UKM-Forscher. Shiga-Toxin ist der Giftstoff, der unter anderem für die heftigen Gesundheitsstörungen durch die EHEC-Infektion verantwortlich ist. Für EHEC-Koryphäe Helge Karch ist die vorgelegte Stammbaum-Analyse des Erregers auch Ausdruck dafür, wie wertvoll Erreger-Archive sind. In Münster etwa betreiben die Hygieniker die sogenannte HUSEC-Sammlung, in der sämtliche seit 1996 aufgetauchten EHEC-Keime archiviert sind: „Diese Arbeit unterstreicht die große Bedeutung von Referenzsammlungen, um die Evolution von pathogenen Bakterien verstehen zu können.“

Erregergenom quasi in Echtzeit

Wie die Münsteraner Forscher betonen, markiert ihre nun veröffentlichte Studie einen echten Meilenstein in der Epidemiologie: Erstmals sei es gelungen, noch während einer akuten Seuchenwelle das komplette Erbgut des verantwortlichen Erregers zu dekodieren. Möglich wurde das durch den Einsatz von Sequenziermaschinen der neuesten Generation (next generation sequencing). Die Münsteraner Forscher verwendeten dazu eine Plattform namens „Ion Torrent PGM“, die der US-Konzern Life Technologies erst kürzlich auf den Markt gebracht hat. Innerhalb von 62 Stunden hatte das Gerät die 5,2 Millionen Basenpaare des Erregers ausgelesen. Für Dag Harmsen, der die Turbo-Entschlüsselung der Isolate in Münster koordiniert hat, bricht damit eine neue Ära an: „Dies ist quasi die Geburt einer neuen Disziplin, nämlich der prospektiven genomischen Infektionsüberwachung“, so der Molekularmediziner. Damit meint Harmsen eine Erregerdiagnostik, die es Medizinern erlaubt, „quasi in Echtzeit“ auf eine grassierende Infektionskrankheit angemessen zu reagieren.