Die Welt ist voller winziger Kreaturen, die uns köstlich finden. Bakterien und Viren sind die offensichtlichen Bösewichte, Treiber tödlicher globaler Pandemien und lästiger Infektionen. Aber mit den Krankheitserregern, mit denen wir – noch – nicht so sehr rechnen mussten, sind die Pilze.
Pathogene Pilze (Candida, Aspergillus, Cryptococcus und andere) sind berüchtigte Killer von immungeschwächten Menschen. Aber zum größten Teil mussten sich gesunde Menschen keine Sorgen um sie machen, und die überwiegende Mehrheit der potenziell pathogenen Pilze des Planeten verträgt die Hitze unseres Körpers nicht.
Aber all das könnte sich ändern.
Eine neue Studie der Duke University School of Medicine stellt fest, dass erhöhte Temperaturen dazu führen, dass ein pathogener Pilz namens Cryptococcus deneoformans seine Anpassungsreaktionen übersteuert. Dadurch erhöht sich die Anzahl genetischer Veränderungen, von denen einige vermutlich zu einer höheren Hitzeresistenz führen könnten, andere möglicherweise zu einem größeren krankheitsverursachenden Potenzial.
Insbesondere eine höhere Hitze lässt mehr transponierbare Elemente oder springende Gene des Pilzes aufstehen und sich innerhalb der Pilz-DNA bewegen, was zu Veränderungen in der Art und Weise führt, wie seine Gene verwendet und reguliert werden. Die Ergebnisse erschienen am 20. Januar in der Proceedings of the National Academy of Sciences.
„Diese mobilen Elemente tragen wahrscheinlich zur Anpassung in der Umwelt und während einer Infektion bei“, sagte die Postdoktorandin Asiya Gusa Ph.D. für Molekulargenetik und Mikrobiologie an der Duke School of Medicine. „Das könnte sogar noch schneller passieren, weil Hitzestress die Anzahl der auftretenden Mutationen beschleunigt.“
Das mag bei den Zuschauern der neuen HBO-Serie „The Last of Us“ eine Glocke läuten, in der eine dystopische Höllenlandschaft durch einen hitzeangepassten Pilz ausgelöst wird, der Menschen übernimmt und sie in Zombies verwandelt. „Das ist genau das, worüber ich spreche – abzüglich des Zombie-Teils“, sagte Gusa, der gerade die erste Folge gesehen hat und später in diesem Jahr als Assistenzprofessor an die Duke-Fakultät kommen wird.
„Das sind keine Infektionskrankheiten im übertragbaren Sinne, wir übertragen keine Pilze aufeinander“, sagte Gusa. „Aber die Sporen sind in der Luft. Wir atmen ständig Pilzsporen ein und unser Immunsystem ist gerüstet, sie zu bekämpfen.“
Pilzsporen sind im Allgemeinen größer als Viren, sodass Ihr vorhandener Bestand an Gesichtsmasken gegen COVID wahrscheinlich ausreichen würde, um sie zu stoppen. Das und vorerst deine Körperwärme.
„Pilzkrankheiten nehmen zu, vor allem aufgrund der steigenden Zahl von Menschen mit geschwächtem Immunsystem oder zugrunde liegenden Gesundheitszuständen“, sagte Gusa. Aber gleichzeitig können sich auch pathogene Pilze an wärmere Temperaturen anpassen.
Gusa arbeitete im Labor von Professor Sue Jinks-Robertson und leitete die Forschung, die sich auf drei transponierbare Elemente konzentrierte, die in C. deneoformans unter Hitzestress besonders aktiv waren. Aber es gibt leicht weitere 25 oder mehr transponierbare Elemente in dieser Spezies, die mobilisiert werden könnten, sagte sie.
Das Team verwendete „Long-Read“-DNA-Sequenzierung, um Veränderungen zu erkennen, die andernfalls möglicherweise übersehen worden wären, sagte Gusa. Mithilfe von Computeranalysen konnten sie Transposons kartieren und dann sehen, wie sie sich bewegt hatten. „Wir haben jetzt verbesserte Tools, um diese Bewegungen zu sehen, die sich zuvor in unseren blinden Flecken versteckten.“
Hitzestress beschleunigte die Mutationen. Nach 800 Wachstumsgenerationen in Labormedium war die Rate der Transposon-Mutationen bei Pilzen, die bei Körpertemperatur (37 °C) gezüchtet wurden, fünfmal höher als bei Pilzen, die bei 30 °C gezüchtet wurden.
Eines der transponierbaren Elemente namens T1 hatte die Tendenz, sich zwischen codierende Gene einzufügen, was zu Veränderungen in der Art und Weise führen könnte, wie Gene kontrolliert werden. Ein Element namens Tcn12 landete oft in der Sequenz eines Gens und störte möglicherweise die Funktion dieses Gens und führte möglicherweise zu einer Arzneimittelresistenz. Und eine dritte Art, Cnl1, neigte dazu, in der Nähe oder in den Telomersequenzen an den Enden der Chromosomen zu landen, ein Effekt, von dem Gusa sagte, dass er nicht vollständig verstanden wird.
Auch die Mobilisierung transponierbarer Elemente schien bei in Mäusen lebenden Pilzen stärker zuzunehmen als in Laborkulturen. „Wir haben innerhalb von nur zehn Tagen nach der Infektion der Maus Beweise dafür gesehen, dass alle drei transponierbaren Elemente im Pilzgenom mobilisiert wurden“, sagte Gusa. Die Forscher vermuten, dass die zusätzlichen Herausforderungen des Überlebens in einem Tier mit Immunantworten und anderen Stressoren die Transposons dazu bringen könnten, noch aktiver zu werden.
„Dies ist eine faszinierende Studie, die zeigt, wie die zunehmende globale Temperatur die Pilzentwicklung in unvorhersehbare Richtungen beeinflussen kann“, sagte Arturo Casadevall MD, Ph.D., Inhaber des Lehrstuhls für molekulare Mikrobiologie und Immunologie an der Johns Hopkins University. „Während sich die Welt erwärmt, könnten Transposons in Bodenpilzen wie Cryptococcus neoformans mobiler werden und genomische Veränderungen auf eine Weise verstärken, die die Virulenz und Arzneimittelresistenz erhöhen könnte. Eine weitere Sache, über die man sich angesichts der globalen Erwärmung Sorgen machen muss!“
Gusas Arbeit wurde durch die Zusammenarbeit mit Duke Labs unterstützt, die ebenfalls Pilze untersuchen, dem Joseph Heitman-Labor in der medizinischen Fakultät und dem Paul Magwene-Labor in Trinity Arts & Sciences.
In der nächsten Phase dieser Forschung werden Krankheitserreger von menschlichen Patienten untersucht, die eine rezidivierende Pilzinfektion hatten. „Wir wissen, dass diese Infektionen bestehen bleiben und dann mit potenziellen genetischen Veränderungen zurückkommen können.“
Es ist an der Zeit, sich ernsthaft mit pathogenen Pilzen zu befassen, sagte Gusa. „Diese Art von stressstimulierten Veränderungen kann zur Entwicklung pathogener Merkmale bei Pilzen sowohl in der Umwelt als auch während einer Infektion beitragen. Sie entwickeln sich möglicherweise schneller als wir erwartet haben.“
Mehr Informationen:
Asiya Gusa et al, Genomweite Analyse der durch Hitzestress stimulierten Transposonmobilität im humanen Pilzpathogen Cryptococcus deneoformans, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2209831120