Mutations compensatoires, ou comment l évolution met

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Mutations compensatoires,
ou comment l’évolution met des bâtons
dans les roues des médecins
! V. Perrot*
RÉSUMÉ. Nous traitons ici de l’évolution de la résistance aux agents antimicrobiens, en particulier de ce qui se passe une fois que la résistance est apparue dans une souche. Dans certains cas, le gène de résistance handicape le microbe quand l’antibiotique n’est plus présent dans
l’environnement (c’est le “coût de la résistance”). C’est ce qu’espèrent les utilisateurs d’antibiotiques, mais cela n’arrive pas toujours.
De plus, quand la résistance a effectivement un coût, un microbe résistant peut trouver le moyen de réduire ce “coût de la résistance”. Le
microbe a trois possibilités : il peut redevenir sensible (ce qui n’est pas nécessairement aussi simple qu’il y paraît), le gène de résistance avec
le moindre coût peut être sélectionné, ou des mutations secondaires qui réduisent le coût de la mutation initiale peuvent être sélectionnées. L’évolution
de ces mutations secondaires, faciles à observer au laboratoire, permet l’apparition de microbes plus virulents, et parfois plus résistants. C’est
le résultat le plus souvent observé au laboratoire, ce qui donne une indication de la capacité des bactéries à évoluer, même dans des conditions qui nous semblent difficiles. Ces résultats soulignent une fois de plus l’importance de l’utilisation raisonnable et prudente des antibiotiques.
Mots-clés : Résistance aux antibiotiques - Évolution - Escherichia coli - Salmonella Typhimurium.
L
de microbes résistants aux agents utilisés
’ apparition
pour les traiter est un problème connu de longue date
par les médecins. Dès le début du traitement de la
tuberculose par la streptomycine, l’apparition de bacilles tuberculeux résistants, autrement dit la sélection de mutants résistants chez des patients traités, a été la cause d’échecs thérapeutiques (1).
Du point de vue de la biologie évolutive, l’apparition de
microbes résistants n’a rien de surprenant. En effet, dès que la
pression de sélection est suffisamment forte, des microbes résistants apparaissent tôt ou tard. Que deviennent les gènes de résistance une fois qu’ils sont apparus ? En simplifiant un peu les
choses, il y a deux cas de figure. Dans le cas le plus favorable,
on observe que le gène de résistance ne se maintient pas dans
la population bactérienne : chaque fois qu’il apparaît (par mutation ou par transfert de gène ou de plasmide) dans la souche
responsable d’infections ou de colonisations chez un patient
sous antibiotiques, ce gène est rarement transmis à un autre
patient. De plus, s’il est transmis, le gène de résistance est
rarement sélectionné à nouveau par un traitement antibiotique.
* Department of biology, Emory University, 1510 Clifton Road, Atlanta,
GA 30322, États-Unis. [email protected]
NB. Les travaux cités dans cet article ont fait l’objet d’une bourse n° AI40662
des National Institutes of Health, États-Unis, accordée à B.R. Levin.
La Lettre de l’Infectiologue - Tome XV - n° 7 - septembre 2000
Dans l’autre cas de figure, on observe qu’une fois apparu, le
gène de résistance augmente en fréquence dans la population
générale des bactéries : il est transmis de patient à patient, et il
est souvent sélectionné par un antibiotique.
Quelles sont les caractéristiques du système qui déterminent le
comportement de la souche résistante ? Il y a deux caractéristiques principales, qui concernent les deux protagonistes, le
microbe résistant et les utilisateurs d’antibiotiques.
Du côté du microbe, le coût biologique de la résistance détermine les chances de transmission de patient à patient (directement ou via l’environnement). Plus le coût de la résistance est
fort (plus le microbe résistant est handicapé par le gène de résistance), plus il est difficile pour la souche résistante de se maintenir. Du côté des utilisateurs des antibiotiques, la fréquence
des traitements aux antibiotiques détermine la fréquence avec
laquelle le gène de résistance est sélectionné. De toute évidence,
il y a interaction entre ces deux caractéristiques. Par exemple,
un gène de résistance particulièrement coûteux du point de vue
de la bactérie nécessitera des traitements antibiotiques plus fréquents pour augmenter en fréquence. D’un autre côté, un gène
de résistance n’ayant pas de coût de résistance n’aura pas de
difficulté à s’établir, même s’il ne se trouve en présence d’antibiotiques que très rarement. Dans ce qui suit, nous nous intéressons au coût biologique de la résistance, et à son évolution.
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COÛT BIOLOGIQUE DE LA RÉSISTANCE
On pense en général que les microbes résistants sont désavantagés par rapport aux microbes sensibles quand l’antibiotique n’est pas présent dans l’environnement. En effet,
les microbes doivent changer quelque chose dans leur physiologie (pompe pour excréter l’antibiotique, enzymes pour le
dégrader) ou dans leur composition (modification de diverses
cibles telles que l’ADN-gyrase, les protéines ribosomiques,
les polysaccharides de l’enveloppe, etc.). Dans certains cas, le
changement est optionnel et ne se manifeste qu’en présence
de l’antibiotique (cas du changement de polysaccharides
engendrant la résistance à la vancomycine) ; dans d’autres cas,
il est constitutif (mutations de la cible des fluoroquinolones et
des aminoglycosides, par exemple). De plus, les cibles des
molécules antibiotiques sont suffisamment importantes pour
causer la mort de l’organisme si elles sont attaquées. On s’attend donc à ce que toute modification de ces cibles soit néfaste
pour l’organisme. La réalité des choses n’est pas toujours aussi
simple.
Le désavantage des bactéries résistantes par rapport aux bactéries sensibles en l’absence d’antibiotiques, ou “coût de la
résistance”, peut se manifester de façon variée : les bactéries
résistantes peuvent pousser moins vite, survivre moins longtemps en phase stationnaire ou dans l’environnement, ou être
moins capables d’envahir un nouvel hôte, etc. Il est facile de
mesurer certains aspects du coût de la résistance au laboratoire,
pour deux raisons. D’une part, il est possible de contrôler les
conditions de culture (in vitro et in vivo) ; d’autre part, il est
possible de comparer une souche résistante isolée au laboratoire avec son ancêtre sensible immédiat, permettant de mesurer ainsi l’effet du seul gène de résistance. Une des façons de
mesurer le coût de la résistance est de mettre en compétition la
souche résistante et la souche sensible. De cette façon, si l’on
cultive les bactéries en flacon, cette mesure du coût de la résistance prend en compte, entre autres, le temps que les bactéries
mettent à sortir de la phase de latence, la vitesse à laquelle elles
se multiplient (taux de croissance) et leur survie en phase stationnaire. De ces différents aspects du coût de la résistance, seul
le taux de croissance est facile à mesurer isolément. De plus,
par compétition, il est possible de mesurer de faibles coûts de
résistance, parce que les deux souches sont soumises à des
conditions de croissance identiques, réduisant ainsi les erreurs
de mesure.
De ces mesures au laboratoire, il ressort que les mutations de
résistance ont souvent un coût, mais pas toujours. Chez Escherichia coli, certaines mutations de résistance chromosomique
comme celle à la streptomycine (mutations ponctuelles dans le
gène de la protéine ribosomique S12, rpsL) produisent un coût
de résistance de 10 à 15 % par génération, alors que la résistance à l’acide nalidixique (mutations dans le gène de l’ADN
gyrase) ne semble pas causer de coût dans les différents milieux
de culture testés (2). Chez Salmonella Typhimurium injectée
dans une souris, certaines résistances chromosomiques à la
streptomycine produisent un coût, et d’autres non. Il en est de
même pour la résistance à la rifampicine (mutations dans le
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gène d’une sous-unité de l’ARN polymérase, rpoB) : certaines
mutations ont un coût dans la souris mais pas in vitro, et d’autres
ont un coût in vitro mais pas dans la souris (3). Ce dernier résultat montre deux aspects importants du coût de la résistance :
pour la résistance à un antibiotique donné, le coût est en général différent pour certaines mutations, et pour une mutation donnée, le coût peut être différent dans divers environnements.
Ce qui est décrit ici est une mesure très partielle du coût de la
résistance, et ne prend pas en compte des aspects capitaux du
mode de vie des bactéries pathogènes, comme la capacité à
infecter un hôte ou à survivre dans l’environnement. Néanmoins, ces résultats montrent que le coût de la résistance n’est
pas nécessairement présent chez les microbes résistants.
ÉVOLUTION DU COÛT DE LA RÉSISTANCE
Les microbes ont évolué face à leurs nouvelles conditions de
vie (présence d’antibiotiques dans le milieu) en devenant résistants. Vont-ils s’en tenir à cela ? Il y a trois issues possibles pour
les microbes une fois qu’ils ne sont plus en présence de l’antibiotique : se débarrasser du gène de résistance désormais coûteux (redevenir sensibles), chercher la solution la moins coûteuse (sélection de l’allèle le moins handicapant), ou améliorer
la solution présente (sélection de mutations supplémentaires
qui réduisent les effets néfastes du gène de résistance, ou mutations compensatoires). Ce dernier mécanisme sera développé
en détail dans la suite de cet article.
Le retour à la sensibilité des microbes résistants est la solution
la plus favorable en ce qui nous concerne, mais ce n’est pas
nécessairement la solution la plus probable. Dans le cas des
mutations ponctuelles, la réversion nécessite un changement
de paires de bases exact pour rétablir le codon d’origine (si ce
n’est la séquence d’origine). D’autres mutations sont souvent
plus probables (voir plus loin). Dans le cas de gènes de résistance portés par des éléments génétiques accessoires (plasmides, transposons), on s’attendrait à ce que la bactérie s’en
débarrasse dès qu’ils ne sont plus utiles, mais il semble que ces
éléments aient eux-mêmes développé des mécanismes qui les
rendent difficiles à évincer (4, 5).
S’il y a suffisamment d’échanges entre populations microbiennes, c’est-à-dire si les différents gènes de résistance à un
antibiotique donné ont souvent l’occasion d’être en compétition les uns avec les autres, on s’attend à ce que le gène de résistance avec le coût le plus faible soit gagnant (sélectionné). En
admettant que les souches de Mycobacterium tuberculosis aient
en effet un taux de migration suffisant, ce peut être une façon
d’interpréter les résultats de Heym et al. (6), qui montrent que
la majorité des isolats de M. tuberculosis résistant à la streptomycine porte la mutation associée avec le plus faible coût
(du moins quand le coût est mesuré au laboratoire chez E. coli
et S. Typhimurium). Cette interprétation suppose aussi que les
taux de mutation qui engendrent chacune des mutations soient
similaires.
La Lettre de l’Infectiologue - Tome XV - n° 7 - septembre 2000
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MUTATIONS COMPENSATOIRES
De la même façon que les microbes sont capables d’évoluer en
devenant résistants, ils sont capables d’évoluer pour devenir
plus efficacement résistants. Les mutations compensatoires peuvent évoluer pour réduire le coût de la résistance ; elles peuvent aussi augmenter la capacité à résister (concentration minimale d’inhibition) [cf l’article de F. Clavel, page 279].
Au cours du maintien en culture des microbes, des mutations
apparaissent au hasard. La sélection naturelle ne garde que les
mutations qui ont un avantage, et, dans le contexte des bactéries résistantes, ce sont des mutations qui réduisent le coût de
la résistance.
Il est facile d’observer l’apparition de mutations compensatoires au laboratoire. Le dispositif expérimental de base est le
suivant : des microbes (résistants) sont maintenus en culture
pendant de nombreuses générations par passage en série. Après
un certain temps, une souche est isolée et son coût de résistance
est mesuré. Ce stratagème peut être utilisé pour toutes sortes
de systèmes de résistance : mutations chromosomiques, plasmides, transposons, etc., et dans différents milieux de culture :
souris, culture de tissu, culture en milieu liquide, etc.
L’article de F. Clavel traite en détail du cas du VIH, où des mutations compensatoires pour la résistance aux inhibiteurs de protéinases ont été observées dans des souches isolées au cours
d’expériences de laboratoire et à partir de patients.
MUTATIONS COMPENSATOIRES CHEZ LES BACTÉRIES
Quand on utilise ce dispositif dans sa forme la plus simple,
c’est-à-dire un milieu de culture liquide in vitro et E. coli portant une résistance chromosomique à la streptomycine avec un
coût important (voir plus haut), après 250 générations de culture, on obtient des bactéries aussi résistantes qu’au début, mais
avec un coût de résistance nettement réduit, quoique non nul
(2). La plupart des mutations compensatoires apparaissent dans
les protéines ribosomiques S4 et S5 (gènes rpsD et rpsE).
Comme les souches portant une mutation compensatoire ont
toujours un coût de résistance, on se demande pourquoi on n’observe pas de retour à la sensibilité pendant l’expérience, et pourquoi des souches résistantes à la streptomycine maintenues en
culture pendant dix mille générations sont toujours résistantes
[souches de E. coli B de R. Lenski (7)].
En ce qui concerne l’évolution à court terme (250 générations),
l’apparition de mutations compensatoires, de préférence à des
mutations de réversion, est probablement due à la combinaison
de deux facteurs. D’une part, une mutation compensatoire est
plus probable qu’une mutation de réversion : seul un changement de paires de bases spécifique peut rétablir la séquence
sensible, alors qu’au moins dix mutations différentes peuvent
produire une compensation. D’autre part, il existe un goulot
d’étranglement entre les passages qui permet la transmission
de la souche la plus commune, mais pas nécessairement de celle
avec le coût le plus faible (8).
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Une fois qu’une souche résistante porte une ou plusieurs mutations compensatoires, est-il possible qu’elle redevienne sensible ? Nous avons mesuré la valeur sélective de souches compensées rendues sensibles par transduction. Ces souches ont
une valeur sélective nettement plus faible que celle des souches
résistantes d’origine : une mutation de réversion à la sensibilité apparaissant dans une souche compensée est nettement
désavantagée, et il lui serait quasiment impossible d’envahir la
population (9). En d’autres termes, une fois une mutation de
compensation fixée dans la population, cette population ne peut
redevenir sensible que si elle est envahie par une souche sensible arrivant par migration. La souche utilisée par R. Lenski
comme ancêtre de ses expériences d’évolution à long terme
porte en effet une mutation compensatoire.
Une autre série d’expériences compare l’évolution de souches
résistantes de S. Typhimurium cultivées in vitro ou dans des
souris. Dans le cas de la résistance à la streptomycine, l’évolution in vitro permet la sélection de mutations compensatoires
dans rpsD et rpsE, de façon similaire à ce que l’on observe chez
E. coli. Après évolution dans la souris, ce sont surtout des
mutations dans le gène de résistance lui-même qui apparaissent, mutations qui changent le codon 42 du gène rpsL de ACA
ou AAC (résistance à la streptomycine avec coût) en AGA
(résistance à la streptomycine sans coût). Dans ce cas, le spectre
des mutations compensatoires est différent dans la souris et
in vitro (3).
L’apparition de mutations compensatoires est également observée quand la résistance est portée par un plasmide. De plus,
dans ce système, il est relativement facile de savoir si la compensation est portée par le plasmide, par le chromosome ou par
les deux. Après évolution, le plasmide peut être transféré dans
la souche hôte de départ (précieusement gardée au congélateur
avant d’être infectée avec le plasmide au début de l’expérience).
Si la compensation est en partie portée par le plasmide, le coût
de résistance causé par le plasmide ayant évolué sera plus faible
que le coût causé par le plasmide de départ. Après évolution,
on peut aussi remplacer le plasmide par le plasmide de départ.
Si la compensation est en partie portée par le chromosome, le
coût causé par le plasmide de départ dans un hôte ayant évolué sera plus faible que le coût de résistance de départ.
Dans le cas d’un gène de résistance à la tétracycline porté par
un plasmide de clonage, les mutations de compensation se trouvent dans le chromosome (10). Une série d’expériences dans
notre laboratoire montre que, dans le cas de plasmides de résistance comme RK2 ou R1 maintenus en culture dans E. coli in
vitro, la compensation se trouve parfois dans le plasmide luimême (8).
CONCLUSION
Cet article ne contribue en rien à éclaircir le sombre tableau de
la résistance aux antibiotiques. Au contraire, c’est un appel de
plus à considérer très sérieusement la vaste capacité des
microbes à évoluer et à surmonter les obstacles que nous pla275
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çons sur leur chemin. L’apparition de résistances à de nouveaux
agents antimicrobiens est quasiment inévitable. Nous pouvons
essayer de la retarder par différents moyens : utilisation minimale et judicieuse des antibiotiques, élaboration de nouveaux
antibiotiques en prenant en compte les mécanismes possibles
de résistance, par exemple. Même si nous arrivons à développer une nouvelle famille de molécules posant un problème particulièrement compliqué aux microbes, nous ne devons surtout
pas nous reposer sur nos lauriers. Les bactéries sont capables
d’inventer (ou de trouver) des mécanismes compliqués, si on
leur en laisse le temps (voir la résistance à la vancomycine). Et
ça n’est qu’un début. Une fois les bases de la résistance établies, tous les raffinements sont possibles, avec ou sans antibiotiques. De toute évidence, il faut limiter l’utilisation des antibiotiques, mais il ne faut pas s’attendre à ce que les bactéries
résistantes disparaissent. Même si elles deviennent rares, un
coup d’antibiotique peut les faire resurgir, plus résistantes
que jamais.
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É F É R E N C E S
B I B L I O G R A P H I Q U E S
3. Björkman
J, Hughes D, Andersson DI. Virulence of antibiotic-resistant
Salmonella typhimurium. Proc Natl Acad Sci USA 1998 ; 95 : 3949-53.
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1988 ; 335 : 351-2.
F ormation M édicale C ontinue
M
C
?
I. Les bactéries résistantes sont-elles toujours
désavantagées par rapport aux bactéries
sensibles en l’absence d’antibiotique ?
?
II. Les microbes résistants sont-ils capables
d’évoluer en redevenant sensibles ?
?
III. Les bactéries résistantes sont-elles capables
d’évoluer en restant résistantes
et en devenant plus efficaces (virulentes) ?
a. toujours
b. ça dépend des cas
c. jamais
a. oui, c’est ce qu’on observe le plus souvent au laboratoire
b. oui, c’est ce qu’on observe souvent chez les patients
c. oui, mais ce n’est pas le résultat le plus fréquent
a. oui, c’est ce qu’on observe le plus souvent au laboratoire
b. oui, mais ce n’est pas le résultat le plus fréquent
c. c’est ce que disent les expériences de laboratoire, mais
Voir réponses page 310
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