DE19916227A1 - Verfahren zur genotypischen Klassifizierung - Google Patents

Verfahren zur genotypischen Klassifizierung

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Abstract

Das Verfahren zur genotypischen Klassifizierung von Bakterien, dadurch gekennzeichnet, daß DOLLAR A Sequenzen von Teilbereichen mindestens eines Gens ausgewählt aus der Gruppe gyrA, gyrB, parC und parE bestimmt werden und DOLLAR A die Klassifizierung durch Vergleich mit den bekannten Sequenzen der jeweiligen Gene von Bakterien erfolgt, wobei DOLLAR A - im Falle des gyrA-Gens die Codons für die Aminosäure Gly-81, Ser-83, Ala-84, Asp-87 gemäß der Numerierung des E.coli-gyrA-Gens für den Vergleich unberücksichtigt bleiben; DOLLAR A - im Falle des parC-Gens die Codons für die Aminosäuren Gly-78, Ser-80, Ala-81, Glu-84 gemäß der Numerierung des E.coli-parC-Gens für den Vergleich unberücksichtigt bleiben; DOLLAR A - im Falle des gyrB-Gens die Codons für die Aminosäuren Asp-426 und Lys-447 gemäß der Numerierung des E.coli-gyrB-Gens für den Vergleich unberücksichtigt bleiben und DOLLAR A - im Falle des parE-Gens die Codons für die Aminosäuren Asp-420 und Lys-441 gemäß der Numerierung des E.coli-parE-Gens für den Vergleich unberücksichtigt bleiben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur genotypischen Klassifizierung von Bakterien.
Das üblicherweise eingesetzte Verfahren zur Klassifizierung von Bakterien, insbeson­ dere in der klinischen Diagnostik, basiert auf phänotypischen Unterschieden der Or­ ganismen. Die Klassifizierung erfolgt über Aktivitätsmuster verschiedener metaboli­ scher Enzyme, wie dies zum Beispiel in Holt, J. G. (Hrsg.): Bergey's Manual of Systematic Bacteriology, Vol. 1-4, Williams & Wilkins, Baltimore, 1984, 1986, 1989 beschrieben ist.
Die sich hieraus ergebene Klassifizierung der Bakterien ist jedoch willkürlich und künstlich. Die Standardisierung ist durch die Notwendigkeit einer Quantifizierung und hohe Anforderung an die Spezifität der enzymatischen Reaktionen erschwert.
Die ersten Ansätze zu einer genotypischen Klassifizierung beruhten auf 16S-rRNA Sequenzhomologien, die hierbei als repräsentativ für das Gesamtgenom angesehen wurden. Andere universell verbreitete Gene, die zur Klassifizierung eingesetzt wur­ den, sind die Gene für den Elongation Factor G (EF-G) und protontransportierende ATPasen (Olsen & Woese, FASEB J. 7 (1993) 113-223). Die genotypische Klassifi­ zierung auf Basis von 165-rmA Sequenzhomologien stellt dabei eine natürliche, phylogenetische, systematische Bakteriologie zur Verfügung (Woese et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87 (1990) 4567-4579). Zur Überwindung der Schwierigkeiten, die durch die Vielfalt der Proben und die Schwierigkeiten der Kultivierung unbekannter Organismen entstehen, wurden von verschiedenen Forschungsgruppen eine Vielzahl von Hybridisierungstechniken (in situ Hybridisierung, Gesamtzell-Hybridisierung, quantitativer Dot Blot, Southern Blot unter Verwendung von isolierter, komplementä­ rer rDNA) eingesetzt. In Abhängigkeit von der Spezifität der jeweiligen Oligonukleo­ tid-Sonde konnten Klassifizierungen auf dem Niveau der Domäne, der Abteilung, des Genus oder sogar auf Speziesniveau erreicht werden (Amann et al. Microbiol. Rev. 59 (1995) 143-169). Der Ansatz wurde erfolgreich zur Klassifizierung von neuen patho­ genen Bakterien eingesetzt, die nicht kultiviert werden konnten und mit spezifischen Erkrankungen in Verbindung gebracht wurden (Fredericks & Relman, Clin. Micro­ biol. Rev. 9 (1996) 18-33). Trotzdem ist dieses Verfahren nicht zur routinemäßigen Charakterisierung von beispielsweise Enterobakterien geeignet, da diese auf Spezies­ niveau keine speziesspezifischen Variationen in der 16S-rRNA enthalten.
Ein Gen zur schnellen und fehlerfreien Identifikation von Bakterien auf Speziesniveau sollte die folgenden Kriterien erfüllen:
  • 1. Das Gen ist universell in allen Bakterien vorhanden;
  • 2. Die Variationen der Sequenz des Gens sind stabil;
  • 3. Es liegen in einem Stamm nur identische Kopien des Gens vor;
  • 4. Variationen in der Sequenz des Gens sind klein zwischen einzelnen Stämmen einer Spezies im Vergleich zu den Variationen zwischen verschiedenen Spezies;
  • 5. Das Gen enthält speziesspezifische Variationen;
  • 6. Das Gen ist konserviert, so daß die Detektion in verschiedenen Spezies möglich ist.
Aus den erhältlichen Daten läßt sich annehmen, daß die Klassifizierung über 16S-rRNA die Kriterien 1, 2, 4 und 6 erfüllt, wobei jedoch in einigen Spezies unterschied­ liche Kopien der ribosomalen Gene beobachtet wurden (Kriterium 3) (E.coli: Cilia et al., Mol. Biol. Evol. 13 (1995) 451-461; Mycobacterium celatum: Reischl et al., J. Clin. Microbiol. 36 (1998) 1761-1764; Mycobacterium fortuitum: Kirschner et al., J. Clin. Microbiol. 30 (1992) 2772-2775; Mycobacterium ulcerans: Portaels et al., J. Clin. Microbiol. 34 (1996) 962-965, Mycobacterium terrae: Ninet et al., J. Clin. Microbiol. 34 (1996) 2531-2536).
Darüber hinaus ist die Sensitivität der 16S-rRNA Methode für die Familie der Entero­ bakteriaceae gering, da es keine speziesspezifischen Variationen der Gene gibt (Kriterium 5) (Fox et al., Int. J. Syst. Bacteriol. 42 (1992) 166-170; Stackebrandt and Goebel, Int. J. Syst. Bacteriol. 44 (1994) 846-849).
Als ein alternativer Ansatz zur Klassifizierung auf der Basis der 165-rmA-Gene wurden kürzlich Teilsequenzen des rpoB-Gens vorgeschlagen, mit denen Enterobak­ terienspezies unterschieden werden können (Mollet et al., Mol. Microbiol. 26 (1997) 1005-1011). Abgesehen von der nur begrenzten Verfügbarkeit von Sequenz- Informationen über das rpoB-Gen ist dieses trotzdem erfolgreich zur Klassifizierung von Archaea und Bacteria eingesetzt worden (Pühler et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 86 (1989) 4569-4573; Klenk & Zillig, J. Mol. Evol. 38 (1994) 420-432; Rowland et al., Biochem. Soc. Trans. 21 (1992) 40S).
Daher ist anzunehmen, daß das rpoB-Gen auch die Kriterien 1, 2, 4 und 6 der oben genannten Aufstellung erfüllt. Bisher gibt es keine Berichte, daß mehr als eine Kopie des rpoB-Gens in einem Stamm vorliegt, daher wird auch das Kriterium 3 erfüllt.
Im Gegensatz zu den 16S-rRNA-Genen, die kein Protein kodieren, ist das Alignment von einem unbekannten rpoB-Gen durch die Existenz eines Leserahmens für das konservierte Protein erleichtert. Bei der Untersuchung von klinisch relevanten Bakte­ rien, die häufig Mutationen im Zusammenhang mit der Rifampin-Resistenz tragen, treten jedoch nicht nur Punktmutationen, sondern auch Deletionen und Insertionen (Musser, Clin. Microbiol. Rev. 8 (1995) 496-514) auf, die die Anwendung konventio­ neller Hybridisierungstechniken zur Identifizierung erschweren. Die automatische Bestimmung und der Vergleich von DNA-Sequenzen aus einer Vielzahl von Isolaten ist nicht einfach und erschwert die Anwendung des Verfahrens in der Routinediagno­ stik.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur genotypischen Klassifizierung bereitzustellen, daß die oben genannten Nachteile der bekannten Ver­ fahren überwindet.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur genotypischen Klassifizierung von Bakterien ist dadurch gekennzeichnet, daß
Sequenzen von Teilbereichen mindestens eines Gens ausgewählt aus der Gruppe gyrA, gyrB, parC und parE bestimmt werden und
die Klassifizierung durch Vergleich mit den bekannten Sequenzen der jeweiligen Gene von Bakterien erfolgt, wobei
  • - im Falle des gyrA-Gens die Codons für die Aminosäuren Gly-81, Ser-83, Ala-84, Asp-87 gemäß der Numerierung des E.coli-gyrA-Gens für den Vergleich unberücksichtigt bleiben;
  • - im Falle des parC-Gens die Codons für die Aminosäuren Gly-78, Ser-80, Ala-81, Glu-84 gemäß der Numerierung des E.coli-parC-Gens für den Vergleich unberücksichtigt bleiben;
  • - im Falle des gyrB-Gens die Codons für die Aminosäuren Asp-426 und Lys- 447 gemäß der Numerierung des E.coli-gyrB-Gens für den Vergleich unbe­ rücksichtigt bleiben und
  • - im Falle des parE-Gens die Codons für die Aminosäuren Asp-420 und Lys-44 l gemäß der Numerierung des E.coli-parE-Gens für den Vergleich unberück­ sichtigt bleiben.
Das neue Verfahren beruht auf der Analyse von spezies- und subspeziesspezifischen DNA-Sequenzvariationen in konservierten Bereichen der Gene gyrA, gyrB, parC und parE, die für Untereinheiten der bakteriellen Topoisomerase II (Gyrase) und Topoi­ somerase IV codieren. Die beobachteten Reaktionen betreffen im wesentlichen die dritte "wobble" Position verschiedener Codons in diesen Regionen, die daher in den meisten Fällen nicht die Aminosequenz des exprimierten Proteins ändern.
Innerhalb der Gene befinden sich auch die Abschnitte (quinolone resistance­ determining regions, QRDR), in denen alle bislang mit Chinolonresistenz assoziierten Mutationen enthalten sind. Die entsprechenden Resistenz-Mutationen sind häufig Punkt-Mutationen, die nur einzelne Aminosäuren betreffen. Im Falle des gyrA-Gens sind dies insbesondere Glycin-81, Serin-83, Alanin-84 und Aspartat-87 bezogen auf die Numerierung des E.coli-gyrA-Gens. Für das parC-Gen sind im wesentlichen die Aminosäuren Glycin-78, Serin-80, Alanin-81 und Glutamat-84 an der Chinolon-Re­ sistenz beteiligt. Die entsprechenden Aminosäuren sind im Falle des gyrB-Gens Aspartat-426 und Lysin-447 bzw. im Falle des parE-Gens Aspartat-420 und Lysin-441. Da diese Mutationen nicht speziesspezifisch sind, bleiben sie erfindungsgemäß bei der Klassifizierung der Bakterien unberücksichtigt. Soweit bekannt ist, sind die Gene gyrA und gyrB in allen bislang untersuchten Bakterien (parC, ParE - noch - nicht in Mycobakterien) vorhanden, liegen nur als einfache Kopie vor und sind auf Proteinebene in den angegebenen Bereichen hochkonserviert. Es wird bevorzugt, daß zumindest zwei Gene gleichzeitig zur Klassifizierung eingesetzt werden.
Die Bestimmung der Sequenzen erfolgt vorzugsweise zunächst über einen Amplifizie­ rungsschritt für Teilbereiche der Gene. Dazu werden beispielsweise mit Hilfe der Polymerase-Chain-Reaction unter Verwendung von Primerpaaren, die an hochkon­ servierte, flankierende Bereiche der Teilbereiche des Gens binden, die für die Klassi­ fizierung relevanten Bereiche amplifiziert. Die Bestimmung kann entweder durch Sequenzierung der amplifizierten Bereiche oder durch Hybridisierung der amplifi­ zierten Bereiche mit speziesspezifischen Oligonukleotiden, gefolgt von beispielsweise spektroskopischer Analyse der Hybridisierung, erfolgen. Die speziesspezifischen Oligonukleotid-Sonden weisen dabei bevorzugt eine Länge von 8 bis 14 Nukleotiden auf. Vorzugsweise kann für das erfindungsgemäße Verfahren die Array-Technologie eingesetzt werden, bei der die komplementären Oligonukleotide an einer Oberfläche fixiert sind, wobei die Analyse durch Markierung der Oligonukleotide mit verschie­ denen Fluoreszenzfarbstoffen erleichtert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt nicht nur die genotypische Klassifizierung von Bakterien, sondern darüber hinaus eine weitere Unterteilung auf Subspeziesni­ veau, wobei auch epidemiologische Beziehungen zwischen verschiedenen Isolaten aufgezeigt werden können. Darüber hinaus kann gleichzeitig das Vorliegen von Chinolon-Resistenz-Mutationen der isolierten Bakterien nachgewiesen werden.
Beansprucht werden daher auch Nukleinsäuren mit der Seq ID-Nr. 1 bis 13 sowie Fragmente der Nukleinsäuren mit einer Länge von mindestens acht Nukleotiden. Diese Nukleinsäuren und ihre Fragmente können als Sonden zur Klassifizierung von Bakterien verwendet werden.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Zusammensetzung, die mindestens zwei Nukleinsäuren, die spezifisch für Sequenzen von Teilbereichen von Genen, ausge­ wählt aus der Gruppe gyrA, gyrB, parC und parE von Bakterien-Spezies sind sowie eine Analysevorrichtung zur Klassifizierung von Bakterien, wobei die Analysevor­ richtung Nukleinsäuren enthält, die spezifisch für Sequenzen von Teilbereichen von Genen, ausgewählt aus der Gruppe gyrA, gyrB, parC und parE von Bakterien-Spezies sind. Auch die Verwendung dieser Analysevorrichtung oder der oben genannten Zu­ sammensetzung zur analytischen oder diagnostischen Klassifizierung von Bakterien ist Gegenstand der Erfindung.
Die Fig. 1 bis 4 zeigen den Vergleich der Sequenzen gyrA, gyrB, parC und parE der verschiedenen Bakterienspezies mit der E.coli K12-Sequenz. Abweichung in den Sequenzen gegenüber der E.coli K12-Sequenz sind jeweils Fett gedruckt. Unterstrei­ chungen kennzeichnen Aminosäureveränderungen (Fig. 2 bis 4).
Das erfindungsgemäße Verfahren soll durch folgendes Beispiel erläutert werden:
Ausgangspunkt für die Untersuchung ist eine repräsentative Einzelkolonie, die aus dem Untersuchungsmaterial (Infektionsherd) eines Patienten isoliert wurde. Diese Kolonie wird in sterilem Wasser (50 bis 100 gl) resuspendiert. Durch Aufkochen (15 min) wird Vorlagen-DNA für eine anschließende Amplifikationsreaktion gewonnen. Zu dieser Vorlagen-DNA werden spezifische Oligonukleotide als Primerpaare zuge­ setzt sowie Desoxynukleotidtriphosphate, geeigneter Puffer (z. B. für Taq-DNA-Po­ lymerase für den Fall, daß eine PCR durchgeführt wird) und eine Enzym (z. B. Taq-DNA-Po­ lymerase). Im Falle von Enterobakterien hat sich folgende Kombination von Primern für die Gene gyrA bzw. parC bewährt:
Die durch Amplifikation (30 Zyklen mit folgendem Temperaturprofil 30 s 95°C, 30 s 50°C; 45 s 72°C) erhaltenen DNA-Fragmente werden durch Abtrennung von Primer, Enzym und Vorlagen-DNA gereinigt.
Das gereinigte Fragment wird für eine DNA-Sequenzanalyse der QRDR-Bereiche eingesetzt (z. B. mittels Hybridisierung mit einem Array aus Octamer-Oligo­ nukleotiden, SBH). Ziel ist die Identifizierung von spezifischen Sequenzvaria­ tionen, wie sie in den Fig. 1 bis 4 als charakteristisch für einzelne Species oder Subspecies gekennzeichnet sind.
Aufgrund der Übereinstimmung dieser ermittelten Sequenzvariationen im Vergleich mit bekannten Variationen (in einer Datenbank) wird dann das untersuchte Isolat einer Species zugeordnet.
SEQUENZPROTOKOLL

Claims (9)

1. Verfahren zur genotypischen Klassifizierung von Bakterien, dadurch gekennzeichnet, daß
Sequenzen von Teilbereichen mindestens eines Gens ausgewählt aus der Gruppe gyrA, gyrB, parC und par E bestimmt werden und
die Klassifizierung durch Vergleich mit bekannten Sequenzen der je­ weiligen Gene von Bakterien erfolgt, wobei
  • - im Falle des gyrA-Gens die Codons für die Aminosäuren Gly-81, Ser-83, Ala-84, Asp-87 gemäß der Numerierung des E.coli-gyrA-Gens für den Ver­ gleich unberücksichtigt bleiben;
  • - im Falle des parC-Gens die Codons für die Aminosäuren Gly-78, Ser-80, Ala-81, Glu-84 gemäß der Numerierung des E.coli-parC-Gens für den Ver­ gleich unberücksichtigt bleiben;
  • - im Falle des gyrB-Gens die Codons für die Aminosäuren Asp-426 und Lys-447 gemäß der Numerierung des E.coli-gyrB-Gens für den Vergleich unbe­ rücksichtigt bleiben und
  • - im Falle des parE-Gens die Codons für die Aminosäuren Asp-420 und Lys-441 gemäß der Numerierung des E.coli-parE-Gens für den Vergleich unbe­ rücksichtigt bleiben.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestim­ mung der Sequenzen einen Amplifizierungsschrift für Teilbereiche der Gene umfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Sequenzen eine Sequenzierungsreaktion umfaßt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Hybridisierung der Sequenzen mit spezies­ spezifischen Oligonukleotidsonden und spektroskopischer Analyse der Hybridisierung umfaßt.
5. Nukleinsäure mit der Seq.ID-Nr. 1 bis 13 und Fragmente mit einer Län­ ge von mindestes 8, bevorzugt 12 Nukleotiden.
6. Verwendung der Nukleinsäure mit der Seq.ID-Nr. 1 bis 13 und Frag­ mente mit einer Länge von mindestens 8 Nukleotiden als Sonden zur Klassifizierung von Bakterien.
7. Analysevorrichtung zur Klassifizierung von Bakterien, dadurch gekennzeich­ net, daß die Analysevorrichtung Nukleinsäuren enthält, die spezifisch für Se­ quenzen von Teilbereichen von Genen, ausgewählt aus der Gruppe gyrA, gyrB, parC und parE von Bakterien-Spezies sind.
8. Zusammensetzung enthaltend mindestens zwei Nukleinsäuren, die spezifisch für Sequenzen von Teilbereichen von Genen, ausgewählt aus der Gruppe gyrA, gyrB, parC und parE von Bakterien-Spezies sind.
9. Verwendung der Analysevorrichtung gemäß Anspruch 7 oder der Zu­ sammensetzung gemäß Anspruch 8 zur analytischen oder diagnosti­ schen Klassifizierung von Bakterien.
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