kajian molekuler mekanisme resistensi

KAJIAN MOLEKULER MEKANISME RESISTENSI
MYCOBACTERIUM TUBERCULOSIS
Tristia Rinanda
Abstrak. Program penanggulangan Tuberkulosis (TB) yang komprehensif seperti Directly
Observed Treatment Shortcourses (DOTS) telah dijalankan di seluruh dunia sejak tahun 1995.
Selama 2 dasawarsa, prevalensi TB menurun secara signifikan, namun tidak bia dipungkiri
bahwa penyakit infeksi ini masih tetap ada dan menjadi masalah kesehatan di dunia, terutama
di negara-negara berkembang. Saat ini dunia sedang menghadapi fenomena yang juga cukup
meresahkan, yaitu munculnya kasus TB resisten obat. Fenomena ini membuat semakin
kompleknya permasalahan terkait TB, seperti peningkatan morbiditas dan mortalitas serta
peningkatan beban biaya pengobatan. Resistensi ini sangat terkait dengan terjadinya sejumlah
perubahan dalam struktur genom Mycobacterium tuberculosis yang menurunkan bahkan
menghilangkan efikasi Obat Anti Tuberkulosis (OAT). Tulisan ini membahas mengenai
struktur genom Mycobacterium tuberculosis dan kaitannya dengan mekanisme resistensi
terhadap OAT. Pemahaman mengenai aspek molekuler ini banyak digunakan dalam
pengembangan berbagai teknik deteksi resistensi dalam kasus TB resisten obat.
(JKS 2015; 3: 162-167)
Kata kunci: Tuberkulosis, resistensi, genom, obat anti tuberkulosis
Abstract. Comprehensive Tuberculosis eradication programs such as Directly Observed
Treatment Short courses (DOTS) have been implemented worldwide since 1995. In the past
two decades, the prevalence of Tuberculosis has significantly declined. However, it is
undeniable that this infectious disease remains present as one of the health problems in the
world, particularly in developing countries. Also, the world is currently facing an alarming
phenomenon in the form of drugs-resistant Tuberculosis cases, which result in Tuberculosisrelated issues of greater complexity such as the rise in morbidity and mortality as well as in
medication costs. This resistance is closely related to a number of changes occurred in the
structure of Mycobacterium tuberculosis genome which reduce or even eliminate the efficacy
of Anti Tuberculosis Drugs. This article discusses the structure of Mycobacterium tuberculosis
genome and its relationship with the resistance mechanism of Anti Tuberculosis Drugs. The
understanding of this molecular aspect is used a great deal in the development of various
resistance detection techniques in drugs-resistance Tuberculosis cases. (JKS 2015; 3: 162-167)
Keywords: Tuberculosis, resistance, genome, tuberculosis drugs
Pendahuluan1
Secara global, sejak tahun 1990 hingga
2013, angka kematian akibat TB telah
mengalami penurunan sebanyak 45% dan
prevalensi kasus juga menurun hingga
41%.
Sejumlah
target
Millenium
Development Goals (MDGs) di tahun 2015
terkait dengan TB telah tercapai dengan
baik di sebagian besar negara dengan
beban TB yang tinggi, salah satunya adalah
Indonesia1. Namun berdasarkan laporan
World Health Organization, beban TB di
Indonesia sebenarnya lebih besar dari pada
Tristia Rinanda adalah Dosen Bagian Mikrobiologi
Fakultas Kedokteran Universitas Syiah Kuala
Banda Aceh
yang digambarkan sebelumnya, bahkan
Indonesia masuk dalam 3 besar negara
dengan prevalensi TB terbesar di dunia
setelah India dan China. Hal ini semakin
diperburuk
dengan lemahnya sistem
pendeteksian
kasus
serta
adanya
peningkatan jumlah kasus Tuberkulosis
resisten obat dan ko-infeksi HIV/AIDS2.
Indonesia
seperti
halnya
negara
berkembang lainnya mengalami penurunan
jumlah kasus TB namun terjadi
peningkatan kasus TB resisten obat3.
Indonesia saat ini menjadi salah satu
negara dengan beban TB resisten obat
yang cukup tinggi di dunia, terutama
162
JURNAL KEDOKTERAN SYIAH KUALA Volume 15 Nomor 3 Desember 2015
Multidrug Resistant Tuberculosis/MDRTB2. Tuberkulosis resisten obat terdiri dari
MDR-TB, yaitu resistensi terhadap
rifampisin dan isoniazid dengan atau tanpa
resistensi terhadap OAT lain, serta
Extensively Drug Resistant Tuberculosis
(XDR-TB) yaitu resistensi terhadap OAT
lini
kedua
seperti
golongan
4,5
fluorokuinolon .
Di
Indonesia
diperkirakan terdapat 2% MDR-TB dari
kasus baru (resistensi primer) dan 19% dari
kasus yang telah diobati (resistensi
sekunder)5.
Resistensi obat pada TB bukan hanya
disebabkan oleh pengobatan yang tidak
adekuat atau gagal, namun juga disebabkan
oleh munculnya strain resisten yang
ditransmisikan oleh penderita MDR-TB6.
Strain yang resisten muncul akibat adanya
perubahan atau mutasi pada gen-gen
tertentu dalam genom M. tuberculosis.
Gen-gen ini merupakan target dari
mekanisme kerja OAT7. Pada tulisan ini
dibahas mengenai kaitan struktur genom
M. tuberculosis dengan target kerja OAT
dan aspek molekuler mekanisme resistensi
terhadap OAT.
Struktur
Genome
Mycobacterium
tuberculosis
Mycobacterium tuberculosis memiliki
karakteristik pertumbuhan yang lambat,
dorman, memiliki komponen dinding sel
yang kompleks, merupakan organisme
intraseluler serta memiliki homogenitas
genetik8,9. Karakteristik pertumbuhan yang
lambat dan dorman sangat berkontribusi
dalam kronisitas infeksi yang ditimbulkan.
Hal ini juga berdampak pada lamanya
masa terapi selain juga menjadi kendala
terutama dalam hal menumbuhkan bakteri
basil Gram positif ini. Keadaan dormansi
merupakan akibat dari ditekannya jalur
metabolik bakteri akibat aktivasi sistem
imun seluler. Mekanisme ini merupakan
bentuk pertahanan terhadap infeksi namun
tidak dapat mengeradikasi infeksi. Apabila
terjadi penurunan sistem imun dan proses
penuaan, maka infeksi dapat teraktivasi9.
Genom M. tuberculosis berukuran sangat
besar, yaitu 4,4 Megabasa dan terdiri dari
3920 gen10. Stuktur genom ini diketahui
mengalami evolusi dan pengaturan ulang
yang bertujuan untuk mempertahankan
gen-gen
yang
bersifat
konstitutif
(dibutuhkan untuk kelangsungan hidup)
serta menghilangkan sejumlah gen yang
tidak diperlukan lagi11. Dengan kemajuan
teknologi abad ini, genom M. tuberculosis
beserta protein yang diekspresikanna telah
dapat dipetakan. Pengetahuan ini sangat
bermanfaat dalam studi terkait patogenesis
serta penemuan obat dan vaksin12.
Resistensi alamiah terhadap banyak
antibiotika merupakan salah satu keunikan
yang dimiliki oleh M. tuberculosis7.
Resistensi ini terjadi akibat adanya dinding
sel yang sangat hidrofobik dan berperan
sebagai barrier permeabilitas13. Selain itu
juga terdapat sejumlah determinan lain
pada genom yang juga menyebabkan
resistensi, antara lain adanya ekspresi dari
enzim hidrolitik dan drug modifying
enzymes,
seperti
β-laktamase
dan
aminoglycoside acetyl transferase. Adanya
sistem pompa efluks juga berperan dalam
mekanisme resistensi alamiah9.
Mekanisme
Molekuler
Resistensi
Mycobacterium tuberculosis
Mycobacterium tuberculosis memiliki
kemampuan
untuk
mengembangkan
resistensi secara alamiah terhadap berbagai
antibiotika. Resistensi tingkat rendah dapat
disebabkan oleh struktur dinding sel yang
yang sangat hidrofobik dan berperan dalam
mempertahankan permeabilitas dinding
dari mekanisme pengrusakan oleh obat14.
Resistensi ini umumnya disebut dengan
resistensi intrinsik15. Resistensi dapatan
(acquired) yang terjadi pada MDR-TB
umumnya disebabkan oleh karena adanya
sejumlah mutasi pada sejumlah gen yang
mengkode sensitivitas Mycobacterium
tuberculosis terhadap OAT13.
163
Tristia Rinanda, Kajian Molekuler Mekanisme Resistensi Mycobacterium Tuberculosis
Mycobacterium tuberculosis mengembangkan
mekanisme resistensi yang berbeda dengan
bakteri lain pada umumnya. Pada
prokariot, resistensi umumnya disebabkan
karena adanya transfer materi genetik, baik
melalui plasmid, transposon dan lain-lain.
Pada M. tuberculosis, resistensi dipicu oleh
adanya mutasi yang terjadi secara spontan
pada gen kromosomal. Resistensi hanya
akan menguntungkan bakteri pada saat
terpapar dengan obat target. Pada paparan
OAT yang tidak adekuat, bakteri yang
sensitif akan mati dan mutan akan
berkembang biak dengan pesat tanpa
adanya persaingan yang berarti dalam hal
nutrisi13,15. Tuberkulosis pada kasus MDR
cenderung akan berkembang menjadi
kasus kronik dan kondisi ini semakin
mempermudah penyebaran M. tuberculosis
galur MDR13. Mutasi terhadap OAT terjadi
10-9 kali per pembelahan sel. Oleh sebab
itu OAT diberikan secara kombinasi untuk
memperkecil kemungkinan terjadinya
mutasi hingga 10-18 per pembelahan sel15.
Sejumlah gen yang terlibat dalam
mekanisme resistensi M. tuberculosis
terhadap OAT dapat dilihat pada tabel 1.
Tabel 1. Lokus gen yang terlibat dalam resistensi pada Mycobacterium tuberculosis14,15
Obat
Gen
Rifampisin
rpoB
Isoniazid (INH)
katG
OxyR-ahpC
inhA
rpsL
rrs
gyrA
pncA
embB
INH-Etionamid
Streptomisin
Fluorokuinolon
Pirazinamid
Etambutol
Mekanisme Resistensi terhadap INH
Resistensi terhadap INH disebabkan oleh
adanya mutasi pada sejumlah gen, yaitu
katG, inhA dan ahpC. Gen katG berperan
dalam
mengkode
enzim
katalaseperoksidase yang dibutuhkan untuk
mengaktivasi Isoniazid (INH) yang masuk
ke dalam tubuh sebagai pro-drug15. Dalam
mekanisme kerjanya INH menghambat
biositesis mycolic acid sehingga bakteri
menjadi rentan terhadap paparan radikal
bebas dan faktor lingkungan lainnya13.
Dalam mekanisme kerja menghambat
sintesis mycolic acid, INH yang teraktivasi
menghambat enzim NADH- dependent
enoyl-ACP reductase yang dikode oleh gen
inhA16. Gen ahpC berperan dalam
mengkode enzim alkyl hydroperoxidase
reductase yang menyebabkan bakteri
resisten terhadap radikal bebas berupa
oksigen dan nitrogen bebas7,14.
Produk
Β-subunit RNA
polymerase
Katalase-peroksidase
Alkyl-reductase
Enoyl-ACP reductase
Ribosomal protein S12
16s RNA
DNA gyrase
Amidase
EmbB
Frekuensi dalam
strain resisten
> 95%
60-70%
~20%
<10%
60%
<10%
>90%
70-100%
69%
Mutasi yang paling sering dijumpai pada
katG adalah mutasi asam amino Serin
menjadi Threonin pada kodon 315
(Ser315Thr)14,13,15,16. Mutasi ini banyak
ditemukan
pada
kasus
MDR-TB
dibandingkan
monoresisten
INH.
Berdasarkan hal ini diduga bahwa mutan
ini merupakan hasil mutasi tahap kedua
setelah paparan INH dalam dosis
suboptimal15,16. Mutasi pada inhA pada
bagian
promotor
(posisi
-15C/T)
merupakan mutasi yang paling banyak
ditemukan pada resistensi INH dan mutasi
ini juga mengakibatkan resistensi silang
dengan etionamid karena memiliki target
kerja obat yang sama16. Peningkatan
ekspresi atau mutasi pada ahpC diketahui
merupakan bentuk kompensasi dari
hilangnya aktivitas catalase peroxidase dan
bukan mekanisme dasar resistensi terhadap
INH15.
164
JURNAL KEDOKTERAN SYIAH KUALA Volume 15 Nomor 3 Desember 2015
Mekanisme
Resistensi
terhadap
Rifampisin
Gen rpoB adalah gen yang mengkode sub
unit beta, salah satu struktur penyusun
enzim DNA polymerase. Gen ini
bertanggung jawab terhadap resistensi
Rifampisin. Rifampisin bekerja dengan
berikatan pada sub unit beta DNA
polymerase.
Karakteristik
rifampisin
adalah
kemampuan
untuk
bekerja
membunuh bakteri yang tumbuh dengan
aktif maupun tidak15. Mutasi yang terjadi
pada gen rpoB akan merubah struktur sub
unit beta sehingga Rifampisin kehilangan
site of action7. Mutasi umumnya terjadi
pada 81 pasang basa di daerah core yang
disebut Rifampicin Resistance determining
Region (RRDR) dan biasanya berupa
perubahan nukleotida tunggal yang akan
mengakibatkan perubahan susunan asam
amino15. Mutasi berupa delesi inframe
serta insersi juga dapat terjadi pada
frekuensi yang lebih rendah. Perubahan
asam amino serin pada kodon 531 serta
Histidin pada kodon 526 ditemukan pada
70% isolat resisten terhadap rifampisin14.
Mekanisme
Resistensi
terhadap
Pirazinamid
Pirazinamid adalah analog nikotinamid
yang bekerja selektif terhadap M.
tuberculosis13. Obat ini efektif dalam
menghambat pertumbuhan
bakteri
semidorman yang tidak dapat dibunuh oleh
obat lain serta bekerja sinergis dengan
Rifampisin dan INH14. Pirazinamid
memiliki aktivitas sterilisasi pada awal
terapi yang mampu membunuh bakteri
persisten dan mempersingkat masa terapi
dari 9 bulan menjadi 6 bulan17. Mutan
resisten Pirazinamid akan kehilangan
aktivitas amidase/pyrazinamidase yang
dibutuhkan untuk mengubah pirazinamid
menjadi Pyrazinoic acid di intraselular7.
Mutasi yang terjadi pada pncA dapat
berupa mutasi titik, insersi dan delesi
nukleotida serta mutasi terminasi18,19.
Mekanisme
Resistensi
terhadap
Etambutol
Etambutol adalah salah satu OAT lini
pertama yang bekerja secara sinergis
dengan OAT lain dalam menghambat
sintesis arabinogalaktan dinding sel M.
tuberculosis, terutama dalam menghambat
transfer arabinosil7,14,15. Mutasi yang
sangat mempengaruhi fenotip resistensi
terhadap etambutol terjadi pada gen
embB20. Gen embB memiliki asam amino
metionin pada posisi kodon 306. Susunan
ini bersifat lestari atau conserved pada M.
tuberculosis, M. smegmatis, M. avium dan
M.
leprae.
Mutasi
titik
yang
mengakibatkan subtitusi asam amino
Metionin pada posisi 306 ditemukan pada
sebagian besar kasus resistensi etambutol.
Hal inilah yang mendasari penggunaan
mutasi kodon 306 sebagai marker
resistensi20,21.
Mekanisme
Resistensi
terhadap
Streptomisin
Streptomicin
berkerja
menghambat
ribosom yang berperan dalam proses
translasi protein pada M. tuberculosis14.
Resistensi terhadap streptomisin ditemukan
pada gen rpsL dan rss, yang mengkode
protein ribosomal S12 dan 16S RNA22,23.
Mutasi umumnya terjadi di kodon 43 dan
88 pada gen rpsL serta di daerah spesifik
yaitu loop 530 serta daerah 912 pada gen
rrs22. Perubahan asam amino Lisin menjadi
Arginin atau Threonin pada kodon 4323
dan perubahan Lisin menjadi Arginin atau
Glutamin pada kodon 88, merupakan
bentuk mutasi yang sering ditemukan pada
isolat Mycobacterium tuberculosis yang
resisten terhadap Streptomisin13.
Mekanisme
Resistensi
terhadap
Fluorokuinolon
Saat
ini
golongan
Fluorokuinolon
digunakan untuk mengobati kasus TB
dengan resistensi terhadap rifampisin dan
INH24. Obat ini bekerja dengan
menghambat pembentukan supercoiling
dan aktivitas relaksasi dari DNA gyrase
(salah satu DNA topoisomerase tipe II)
165
Tristia Rinanda, Kajian Molekuler Mekanisme Resistensi Mycobacterium Tuberculosis
tanpa menghilangkan aktivitas ATPase.
Akibatnya enzim gyrase akan terus
memutuskan DNA14. Penelitian terhadap
M. tuberculosis dan M. Smegmatis
menunjukkan bahwa resistensi terhadap
fuorokuinolon disebabkan oleh adanya
perubahan asam amino pada area
pengikatan fluorokuinolon pada gen gyrA
dan gyrB, yang disebut quinolon resistance
determining region (QRDR)15. Mutasi
pada gyrA merupakan bentuk mutasi yang
paling banyak ditemukan pada kasus TB
resisten fluorokuinolon. Sejumlah mutasi
tersebut antara lain perubahan asam amino
Alanin menjadi Valin pada posisi kodon
90, Asam aspartat menjadi Alanin pada
kodon 94, Asam aspartate menjadi Glisin
pada posisi kodon 94 dan Asam aspartat
menjadi Asparagin pada kodon 9425.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Kesimpulan
Tuberkulosis resisten obat merupakan
permasalahan kesehatan global. Resistensi
tidak hanya disebabkan oleh pengobatan
yang tidak adekuat. Saat ini diketahui
bahwa struktur genetik atau susunan
genom M. tuberculosis mempengaruhi
mekanisme
resistensi.
Pada
M.
tuberculosis, resistensi dapat terjadi secara
instrinsik ataupun dapatan. Resistensi
instrinsik disebabkan oleh struktur dinding
sel
yang
sangat
hidrofobik
dan
impermeable serta adanya ekspresi protein
tertentu yang menrunkan kerja obat.
Resistensi dapatan cenderung disebabkan
oleh adanya mutasi pada gen-gen tertentu
yang berperan dalam kerja OAT.
Resistensi terhadap rifampisin terjadi
akibat mutasi pada gen rpoB, isoniazid
pada gen katG dan ahpC, pirazinamid pada
gen pncA, etambutol pada gen embB,
streptomisin pada rpsL dan rrs serta
fluorokuinolon pada gen gyrA dan gyrB.
Mutasi pada M. tuberculosis juga dapat
terjadi secara spontan.
Daftar Pustaka
1.
2.
Kementerian
Kesehatan
Republik
Indonesia.
Pedoman
Nasional
Pengendalian Tuberkulosis. Jakarta; 2014.
WHO|Global tuberculosis report 2015.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
2015;
Available
from:
http://www.who.int/tb/publications/global
_report/en/
Gandhi NRNNR, Nunn P, Dheda K,
Schaaf HS, Zignol M, van Soolingen D, et
al. Multidrug-resistant and extensively
drug-resistant tuberculosis: a threat to
global control of tuberculosis. Lancet;
2010;375(9728):1830–43.
Soepandi
PZ.
Jurnal
tuberkulosis
indonesia. J Tuberkulosis Indones.
2010;7:16-18.
Hanafi AW, Prasenohadi. Mekanisme dan
Diagnosa MDR TB. PPTI. 2010;7:14–23.
Dye C, Espinal MA, Watt CJ, Mbiaga C,
Williams BG. Worldwide Incidence of
Multidrug‐Resistant Tuberculosis. J Infect
Dis. 2002;185(8):1197–202.
Blanchard JS. Molecular Mechanisms of
Drug Resistance in Tuberculosis. Annu
Rev Biochem. 1996;65:215–39.
Misaki W, Byarugaba W. Emphasizing
the vitality of genomics related research in
the area of infectious diseases. Sci Res
Essay. 2008;3(4):125–31.
Dijl V, Haven N, Sweet RM, Mosimann
S, Medical BC. Deciperhing the biology
of Mycobacterium tuberculosis from the
complete genome sequence. Nature.
1998;396: 537-544
Pagel M, Pomiankowski A. Genomics and
Tuberculosis. Indian J Chest Dis Allied
Sci. 2002. p. 221–3.
Kato-Maeda M, Rhee JT, Gingeras TR,
Salamon H, Drenkow J, Smittipat N, et al.
Comparing genomes within the species
Mycobacterium tuberculosis. Genome
Res. 2001;11(4):547–54.
Ahmed N, Hasnain SE. Genomics of
Mycobacterium tuberculosis: Old threats
& new trends. Indian J Med Res.
2004;120(4):207–12.
Johnson R, Streicher EM, Louw GE,
Warren RM, van Helden PD, Victor TC.
Drug resistance in Mycobacterium
tuberculosis. CurrIssues Mol Biol.
2006;8:97–111.
Rattan
A.
Multidrug-Resistant
Mycobacterium tuberculosis: Molecular
Perspectives.
Emerg
Infect
Dis.
1998;4(2):195–209.
Almeida Da Silva PE, Palomino JC.
Molecular basis and mechanisms of drug
resistance in Mycobacterium tuberculosis:
classical and new drugs. J Antimicrob
166
JURNAL KEDOKTERAN SYIAH KUALA Volume 15 Nomor 3 Desember 2015
Chemother 2011;66(7):1417–30.
16. Palomino J, Martin A. Drug Resistance
Mechanisms
in
Mycobacterium
tuberculosis. Antibiotics. 2014;3(3):317–
40.
17. Zhang Y, Mitchison D. The curious
characteristics of pyrazinamide: A review.
Int J Tuberc Lung Dis. 2003;7(1):6–21.
18. Sreevatsan S, Pan X, Zhang Y, Kreiswirth
BN, Musser JM. Mutations associated
with pyrazinamide resistance in pncA of
Mycobacterium tuberculosis complex
organisms.
Antimicrob
Agents
Chemother. 1997;41(3):636–40.
19. Cheng SJ, Thibert L, Sanchez T, Heifets
L, Zhang Y. pncA mutations as a major
mechanism of pyrazinamide resistance in
Mycobacterium tuberculosis: Spread of a
monoresistant strain in Quebec, Canada.
Antimicrob
Agents
Chemother.
2000;44(3):528–32.
20. Sreevatsan S, Stockbauer KE, Pan X,
Kreiswirth BN, Moghazeh SL, Jacobs
WR, et al. Ethambutol resistance in
Mycobacterium tuberculosis: critical role
of embB mutations. Antimicrob Agents
Chemother. 1997;41(8):1677–81.
21. Park YK, Ryoo SW, Lee SH, Jnawali HN,
Kim C-K, Kim HJ, et al. Correlation of
the phenotypic ethambutol susceptibility
22.
23.
24.
25.
of Mycobacterium tuberculosis with
embB gene mutations in Korea. J Med
Microbiol. 2012;61:529–34.
Tudó G, Rey E, Borrell S, Alcaide F,
Codina G, Coll P, et al. Characterization
of mutations in streptomycin-resistant
Mycobacterium tuberculosis clinical
isolates in the area of Barcelona. J
Antimicrob
Chemother.
2010;65(11):2341–6.
Ozturk CE, Sanic a, Kaya D, Ceyhan I.
Molecular analysis of isoniazid, rifampin
and
streptomycin
resistance
in
Mycobacterium tuberculosis isolates from
patients with tuberculosis in Duzce,
Turkey. Jpn J Infect Dis. 2005;58(5):309–
12.
Huang T-S, Kunin CM, Shin-Jung Lee S,
Chen Y-S, Tu H-Z, Liu Y-C. Trends in
fluoroquinolone
resistance
of
Mycobacterium tuberculosis complex in a
Taiwanese medical centre: 1995-2003. J
Antimicrob Chemother. 2005;56:1058–
62.
Li J, Gao X, Luo T, Wu J, Sun G, Liu Q,
et al. Association of gyrA/B mutations
and resistance levels to fluoroquinolones
in clinical isolates of Mycobacterium
tuberculosis. Emerg Microbes Infect.
2014;3:e19.
167