Stato dell’arte
Il batterio Gram-positivo Cutibacterium acnes è il commensale cutaneo più abbondante del microbioma cutaneo umano, ma è stato associato anche a acne vulgaris. Tuttavia, poiché C. acnes è la componente principale di una pelle sana, il suo coinvolgimento concreto nella malattia non è del tutto chiaro, come non lo sono i meccanismi che lo proteggono da variazioni che lo rendono patogeno.

Cosa aggiunge questa ricerca
Grazie alle moderne tecniche di sequenziamento del genoma è stato possibile identificare geni codificanti per potenziali metiltransferasi nel materiale genetico di diversi ceppi di C. acnes, alcune delle quali potrebbero appartenere al sistema di restrizione e modifica (Restriction and Modification system, R-M), in grado di proteggere il genoma dell’ospite dalla sua modifica o distruzione ad opera di batteriofagi.

Conclusioni
Da approfondite analisi eseguite con la tecnologia di sequenziamento Oxford Nanopore Technology (ONT), su differenti ceppi di C. acnes è emerso che il ceppo KPA171202 è in grado di introdurre modificazioni di tipo epigenetico nel proprio genoma attraverso uno specifico enzima metiltransferasi che rendono questo ceppo di C. acnes più resistente agli attacchi dei batteriofagi rispetto ai ceppi non in grado di modificare il proprio DNA, e pertanto più stabile.

C. acnes è un batterio gram-positivo e rappresenta la specie commensale più abbondante nel microbioma cutaneo ma, in alcuni casi, è stato anche associato all’acne vulgaris e rappresenta la specie più abbondante nelle ferite post-operatorie. 

Tra i vari taxa di C. acnes sono state identificate poche differenze genetiche. Questa stabilità genetica potrebbe essere in relazione all’adattamento di C. acnes a una specifica nicchia ecologica, dove ha la meglio su altri batteri, o all’utilizzo di strategie di difesa altre rispetto alla genetica. Ciononostante, in alcuni ceppi di C. acnes sono stati identificati meccanismi di modificazione genetica. 

Alcuni ricercatori spagnoli, insieme con colleghi svedesi e belga, hanno pertanto voluto valutare il ruolo della metilazione di specifiche sequenze di DNA nel genoma di C. acnes come meccanismo di protezione dall’infezione da parte di batteriofagi. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista PLOS Pathogens.

Trasferimento orizzontale di informazioni genetiche

In natura, gli organismi procarioti modificano il loro DNA attraverso il trasferimento orizzontale di geni o HGT (Horizontal Gene Transfer), meccanismo regolato a sua volta da sistemi come il sistema di restrizione e modifica (R-M system) e il CRISPR, utili per proteggere l’ospite da attacchi di fagi o DNA esogeno. 

Alcuni ceppi del batterio cutaneo C. acnes sono stati analizzati per la loro capacità di introdurre modifiche al proprio genoma, proteggendolo, attraverso metiltransferasi del sistema R-M (Restriction and Modification system). 

Tale sistema di protezione, che comprende due componenti enzimatiche: enzimi metiltransferasi (MTasi) ed endonucleasi di restrizione (REasi), è presente in circa il 90% dei genomi batterici a oggi sequenziati.

Una migliore comprensione del funzionamento del sistema R-M potrebbe essere la chiave per ingegnerizzare il genoma di alcuni ceppi batterici rendendoli resistenti all’attacco dei fagi, in modo che questi ultimi prendano di mira solo ceppi senza la capacità di modificare il proprio DNA, modulando così la composizione microbica nel tempo riducendo, per esempio, i ceppi inclini all’acne.

I fagi e il microbiota della pelle

Anche i fagi presenti sulla cute umana contribuiscono alla regolazione degli equilibri fisiologici di composizione e funzionalità del microbioma, infettando o un ampio range di target oppure dei target più mirati. 

In questo studio gli autori hanno utilizzato le moderne tecniche di sequenziamento di Oxford Nanopore Technologies (ONT) per studiare il metiloma di sei diversi ceppi rappresentativi di C. acnes e caratterizzare meglio l’attività dei presunti RM e la loro rilevanza nei meccanismi di protezione dell’ospite. 

Inoltre, l’efficacia del sistema RM è stata valutata nel contesto della difesa di C. acnes rispetto all’inserimento di  DNA esogeno di plasmidi e all’infezione da parte di fagi.

Questi, in sintesi, i risultati:

• è stata rilevata la presenza di una modifica della 6-metiladenina in una sequenza di consenso definita del DNA nel ceppo KPA171202 e l’espressione ricombinante di questo sistema RM ha confermato la sua attività di metilazione
• in un mutante knockout RM è stata verificata la perdita delle proprietà di metilazione del ceppo 
• è stato studiato il potenziale di un batteriofago di C. acnes (il PAD20) nell’uccidere vari ceppi di questo Cutibactrium ed è stato collegato un aumento della sua specificità alla metilazione del DNA fagico acquisito dopo l’infezione di un ceppo competente per la metilazione.

Conclusioni

Grazie a questo studio è stato possibile identificare come il sistema RM giochi un ruolo fondamentale nei meccanismi di difesa batterici contro i batteriofagi in alcuni ceppi specifici di C. acnes, sebbene per altri ceppi  rimanga ancora da chiarire quali siano gli esatti meccanismi molecolari implicati.

Nonostante ciò, l’identificazione del sistema RM in C. acnes potrebbe migliorare gli sforzi dell’ingegneria genetica nell’eludere i siti di restrizione, nel modificare i profili di metilazione e nell’eliminare le sequenze bersaglio nei vettori, ma è importantissima anche per indirizzare selettivamente la morte di specifici ceppi di C. acnes attraverso l’imprinting genetico. In questo modo lo studio apre le porte a possibili applicazioni terapeutiche di questo meccanismo in cui i fagi propagati in ceppi carenti di RM uccidono selettivamente i taxa inclini all’acne, carenti di RM, mentre quelli probiotici rimangono resistenti all’infezione fagica.