Forscher entdecken Schlüsselfunktionen therapeutisch vielversprechender Jumboviren

Antibiotika-Medikamente wurden zu Beginn des 20. Jahrhunderts zu einer beliebten Behandlung bakterieller Infektionen und erwiesen sich als transformatives Instrument für die menschliche Gesundheit. Mitte des Jahrhunderts wurden im goldenen Zeitalter der Medikamente regelmäßig neuartige Antibiotika entwickelt.

Doch dann entwickelten sich Bakterien. Sie fanden neue Wege, Antibiotika-Behandlungen zu umgehen, wodurch viele davon unbrauchbar wurden. Als neue Antibiotikaquellen versiegten, eskalierten bakterielle Infektionen zur heutigen globalen Gesundheitskrise der Antibiotikaresistenz.

Wissenschaftler suchen nun nach einem ungewöhnlichen Verbündeten, den Viren, um dieser wachsenden Bedrohung entgegenzuwirken. In jüngster Zeit haben sich Forscher auf als Bakteriophagen bekannte Viren als neues Instrument zur Behandlung und Entwaffnung antibiotikaresistenter Bakterien konzentriert. Besonderes Augenmerk wurde auf „Jumbo“-Phagen gelegt – Viren, bei denen kürzlich entdeckt wurde, dass sie über extrem große Genome verfügen –, die als spezielle Wirkstoffe eingesetzt werden könnten, die nicht nur Bakterien abtöten, sondern auch so manipuliert werden könnten, dass sie Antibiotika direkt an die Infektionsquelle abgeben.

Doch um mithilfe von Phagen neuartige Therapeutika bereitzustellen, müssen Wissenschaftler zunächst den außergewöhnlichen biologischen Aufbau und die Mechanismen innerhalb dieser mysteriösen Viren verstehen.

Forscher der University of California San Diego School of Biological Sciences und ihre Kollegen am Innovative Genomics Institute der UC Berkeley und der Chulalongkorn University in Bangkok haben bei der Entschlüsselung mehrerer Schlüsselfunktionen in Jumbophagen einen wesentlichen Schritt vorwärts gemacht.

„Diese Jumbo-Phagen haben große Genome, die theoretisch manipuliert werden könnten, um Nutzlasten zu transportieren, die Bakterien effektiver abtöten“, sagte Joe Pogliano, Professor an der School of Biological Sciences der UC San Diego und leitender Autor von ein neues Papier veröffentlicht in der Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften. „Das Problem besteht darin, dass ihr Genom eingeschlossen ist und daher nicht leicht zugänglich ist. Aber jetzt haben wir einige seiner Schlüsselelemente entdeckt.“

Wie in der Arbeit beschrieben, konzentrierte sich die von Chase Morgan, Absolvent der School of Biological Sciences, geleitete Forschung auf Jumbo-Chimalliviridae-Phagen, bei denen festgestellt wurde, dass sie sich in Bakterien replizieren, indem sie ein Kompartiment bilden, das dem Zellkern in den Zellen von Menschen und anderen lebenden Organismen ähnelt. Das kernartige Kompartiment der Chimalliviridae trennt und importiert bestimmte Proteine ​​selektiv, die es ihnen ermöglichen, sich im Wirtsbakterium zu replizieren. Aber wie dieser Prozess abläuft, war ein rätselhafter Teil des Prozesses.

Mithilfe neuer genetischer und zellbiologischer Werkzeuge identifizierten Morgan und seine Kollegen ein Schlüsselprotein, das sie „Proteinimporteur von Chimalliviren A“ oder PicA nannten und das als eine Art Nachtclub-Türsteher fungiert und selektiv Proteine ​​transportiert, indem es ihnen den Zutritt in den Zellkern ermöglicht Einige verweigern anderen jedoch den Zugang. Sie fanden heraus, dass PicA den Transport von Frachtproteinen durch die Schutzhülle des Phagenkerns koordiniert.

„Allein die Tatsache, dass dieses Virus in der Lage ist, diese unglaublich komplexe Struktur und dieses Transportsystem aufzubauen, ist wirklich erstaunlich und etwas, das wir noch nie zuvor gesehen haben“, sagte Morgan. „Was wir als komplexe Biologie betrachten, ist normalerweise höheren Lebensformen beim Menschen und unseren Zehntausenden von Genen vorbehalten, aber hier sehen wir funktionsanaloge Prozesse in einem vergleichsweise winzigen viralen Genom von nur etwa 300 Genen. Es ist wahrscheinlich die einfachste selektive.“ Transportsystem, das wir kennen.“

Mithilfe von CRISPRi-ART, einem programmierbaren RNA-Tool zur Untersuchung von Genomen, konnten die Forscher zeigen, dass PicA ein wesentlicher Bestandteil des Kernentwicklungs- und Replikationsprozesses von Chimalliviridae ist.

„Ohne die Einfachheit und Vielseitigkeit der RNA-Targeting-CRISPR-Technologien wäre es nahezu unmöglich, diese Fragen direkt zu stellen und zu beantworten. Wir sind wirklich gespannt, wie diese Tools die von Phagengenomen kodierten Geheimnisse lüften“, sagte Co-Autor Ben Adler, a Postdoktorandin, die unter der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten CRISPR-Pionierin Jennifer Doudna arbeitet.

Bakterien und Viren liefern sich seit Milliarden von Jahren eine Art Wettrüsten, bei dem sich beide weiterentwickelten, um den Anpassungen des anderen entgegenzuwirken. Die Forscher sagen, dass das hochentwickelte PicA-Transportsystem ein Ergebnis dieses intensiven, anhaltenden evolutionären Wettbewerbs ist. Das System hat sich zu einem äußerst flexiblen und äußerst selektiven System entwickelt, das nur die wichtigsten nützlichen Elemente in den Zellkern zulässt. Ohne das PicA-System würden die Abwehrproteine ​​der Bakterien in das Innere eindringen und den Replikationsprozess des Virus sabotieren.

Solche Informationen sind von entscheidender Bedeutung, da Wissenschaftler der Emerging Pathogens Initiative und des Center for Innovative Phage Applications and Therapeutics der UC San Diego danach streben, den Grundstein für die genetische Programmierung von Phagen zur Behandlung verschiedener tödlicher Krankheiten zu legen.

„Wir hatten wirklich kein Verständnis dafür, wie das Proteinimportsystem funktionierte oder welche Proteine ​​zuvor beteiligt waren, daher ist diese Forschung der erste Schritt zum Verständnis eines Schlüsselprozesses, der für die erfolgreiche Replikation dieser Phagen entscheidend ist“, sagte School of Biological Sciences Doktorandin Emily Armbruster, Mitautorin des Artikels. „Je besser wir diese wesentlichen Systeme verstehen, desto besser können wir Phagen für therapeutische Zwecke entwickeln.“

Zu den künftigen Angriffszielen für solche genetisch programmierten Viren zählen Pseudomonas aeruginosa-Bakterien, von denen bekannt ist, dass sie potenziell tödliche Infektionen verursachen und ein Risiko für Patienten in Krankenhäusern darstellen. Weitere vielversprechende Angriffspunkte sind E. coli und Klebsiella, die chronische und wiederkehrende Infektionen verursachen und in manchen Fällen in den Blutkreislauf gelangen können, was lebensbedrohlich sein kann.