Genomi expresszió és antibiotikum-rezisztencia evolúciója

Előnézet	Szöveg (Disszertáció) Download (3MB) | Előnézet
Előnézet	Szöveg (Tézisfüzet) Download (622kB) | Előnézet
Előnézet	Szöveg (Tézisfüzet) Download (642kB) | Előnézet

Magyar nyelvű absztrakt

Az antibiotikum-rezisztencia megjelenése és széleskörű elterjedése globális egészségügyi válsággá vált, melynek leküzdéséhez elengedhetetlen a rezisztencia kialakulásának és következményeinek mélyebb, rendszerszintű megértése. Jelen PhD-értekezés az antibiotikum-rezisztencia evolúciójának egy kevésbé kutatott, de alapvető aspektusát, a génexpressziós változások törvényszerűségeit vizsgálta Escherichia coli modellorganizmusban, adaptív laboratóriumi evolúciós kísérletek és teljes génexpressziós analízis segítségével. Eredményeink kimutatták, hogy az antibiotikumokhoz való adaptáció kiterjedt, globális génexpressziós átrendeződést okoz, amely a genom jelentős részét (átlagosan ~20%) érinti. Munkánk központi megállapítása, hogy ez a génexpressziós evolúció nagymértékben párhuzamos: az eltérő hatásmechanizmusú szerekhez adaptálódott vonalak is korlátozott számú, sztereotip transzkripciós állapot felé konvergálnak. Kimutattuk, hogy ezek a rögzült, konstitutív változások jelentősen eltérnek a kezdeti, antibiotikum által kiváltott plasztikus stresszválaszoktól, tehát nem azok egyszerű genetikai asszimilációjának tekinthetők. A párhuzamosság genetikai hátterében nem feltétlenül a közös mutációk, hanem inkább kulcsfontosságú szabályozó hálózatok – mint az oxidatív stresszre (SoxS) és membránintegritásra (pl. LPS bioszintézis) adott válaszok – átfedő aktivációja áll. Ezeknek a rendszerszintű változásoknak konkrét fenotípusos következményei vannak: a vonalak jelentős részében megnyúlt sejtmorfológiát figyeltünk meg, ami a konstitutívan aktivált stresszválaszra utal. Klinikai szempontból a legfontosabb eredményünk, hogy a nagymértékű génexpressziós átrendeződés egy jelentős fitnesz-kompromisszummal jár: a vonalak fokozottan érzékennyé válnak számos, eltérő hatásmechanizmusú antimikrobiális peptiddel (AMP) szemben. Ez a kollaterális érzékenység új terápiás lehetőségeket vetít előre. Eredményeink alapján az antibiotikum-rezisztencia nem csupán lokális genetikai változások egyszerű összegződése, hanem egy komplex, rendszerszintű adaptációs folyamat, amely új diagnosztikai és terápiás megközelítéseket igényel. A jövőbeni kutatásoknak javasolt az alábbi területekre összpontosítaniuk: • Klinikai izolátumokban megjelenő sztereotip génexpressziós mintázatok azonosítása annak érdekében, hogy felmérjük a laboratóriumi modellünk relevanciáját valós fertőzések esetén. • A feltárt kollaterális érzékenységi hálózatok terápiás kihasználása, különösen az antibiotikum-AMP kombinációk tervezésében a rezisztencia evolúciójának lassítására. • A génexpressziós mintázatok mint potenciális diagnosztikai biomarkerek vizsgálata, amelyek előre jelezhetik a rezisztencia kialakulását vagy a kollaterális érzékenységi profilokat. • A mechanizmusok validálása komplexebb, klinikailag relevánsabb modellekben, mint például a biofilm-formáció vagy in vivo fertőzési modellek.59 Összességében munkánk felhívja a figyelmet arra, hogy az antibiotikum-rezisztencia elleni küzdelemben a hagyományos mutációs profilok elemzése mellett a génexpressziós és fiziológiai változások rendszerszintű monitorozása és megértése elkerülhetetlen a tartós terápiás siker elérése érdekében. Jelen értekezés eredményei hozzájárulnak az antibiotikum-rezisztencia evolúciójának mélyebb megértéséhez, rávilágítva a génexpressziós változások központi szerepére és a konvergens evolúciós tendenciákra.

Absztrakt (kivonat) idegen nyelven

The emergence and widespread dissemination of antibiotic resistance have become a global public health crisis. This PhD thesis investigates a less-explored but fundamental aspect of antibiotic resistance evolution: the principles governing gene expression changes, using Escherichia coli as a model organism, adaptive laboratory evolution (ALE), and whole-transcriptome analysis. Our results demonstrate that adaptation to antibiotics causes extensive, global gene expression reprogramming, affecting a significant portion of the genome (on average, ~20%). The central finding of our work is that this transcriptional evolution is highly parallel: lineages adapted to drugs with different mechanisms of action also converge towards a limited number of stereotypic transcriptional states. We have shown that these fixed, constitutive changes differ significantly from the initial, plastic stress responses induced by antibiotics, and thus cannot be considered their simple genetic assimilation. The genetic basis of this parallelism is not necessarily shared mutations but rather the overlapping activation of key regulatory networks, such as those responding to oxidative stress (SoxS) and involved in membrane integrity (e.g., LPS biosynthesis). These systemic changes have tangible phenotypic consequences: we observed an elongated cell morphology in a significant portion of the lineages, which points to a constitutively activated stress response. From a clinical perspective, our most important result is that this large-scale gene expression reprogramming comes with a major fitness trade-off: the lineages become hypersensitive to a wide range of antimicrobial peptides (AMPs) with diverse mechanisms of action. This collateral sensitivity suggests new therapeutic possibilities. Our results suggest that antibiotic resistance is not a simple summation of local genetic changes, but a complex, systemic adaptation process that requires new diagnostic and therapeutic approaches. Future research is recommended to focus on the following areas: • Identifying stereotypic gene expression states in clinical isolates to assess the relevance of our laboratory model in real-world infections. • Therapeutically exploiting the discovered collateral sensitivity networks, especially in designing antibiotic-AMP combinations to slow the evolution of resistance. • Investigating gene expression patterns as potential diagnostic biomarkers that could predict the emergence of resistance or collateral sensitivity profiles.60 • Validating these mechanisms in more complex, clinically relevant models, such as biofilm formation or in vivo infection models. Overall, our work emphasises that in the fight against antibiotic resistance, in addition to the traditional analysis of mutational profiles, systematic monitoring and understanding of gene expression and physiological changes are inevitable for sustained therapeutic success. The results of this thesis contribute to a deeper understanding of the evolution of antibiotic resistance, highlighting the central role of gene expression changes and convergent evolutionary trends.

Tétel nézet