Neu beschriebenes antivirales Abwehrsystem in Bakterien bricht Infektionen durch chemische Veränderung der mRNA ab

Wie Menschen und andere komplexe mehrzellige Organismen können einzellige Bakterien erkranken und Virusinfektionen bekämpfen. Ein bakterieller Virus wird durch einen Bakteriophagen oder einfacher Phagen verursacht, der eine der am weitesten verbreiteten Lebensformen auf der Erde ist. Phagen und Bakterien befinden sich in einem ständigen Kampf. Das Virus versucht, die Abwehrkräfte der Bakterien zu umgehen, und die Bakterien versuchen, neue Wege zu finden, sich selbst zu schützen.

Diese Anti-Phagen-Abwehrsysteme werden sorgfältig kontrolliert und umsichtig verwaltet – sie ruhen, sind aber immer zum Angriff bereit.

Aktuelle Open-Access-Forschung veröffentlicht In Natur vom Laub Lab in der Abteilung Biologie am MIT hat ein Anti-Phagen-Abwehrsystem in Bakterien, CmdTAC, charakterisiert. CmdTAC verhindert eine Virusinfektion, indem es den einzelsträngigen genetischen Code verändert, der zur Produktion von Proteinen, der Boten-RNA, verwendet wird.

Dieses Abwehrsystem erkennt eine Phageninfektion in einem Stadium, in dem der virale Phagen die Maschinerie des Wirts bereits für seine eigenen Zwecke übernommen hat. Angesichts der Vernichtung aktiviert das unglückliche Bakterium ein Abwehrsystem, das die Translation stoppt, die Bildung neuer Proteine ​​verhindert und die Infektion abbricht – sich dabei aber selbst zum Scheitern verurteilt.

„Wenn Bakterien in einer Gruppe sind, ähneln sie einem mehrzelligen Organismus, der nicht miteinander verbunden ist. Es ist eine evolutionär vorteilhafte Strategie für eine Zelle, sich selbst zu töten, um eine andere identische Zelle zu retten“, sagt Christopher Vassallo, Postdoktorand und Wissenschaftler Co-Autor der Studie. „Man könnte sagen, es ist wie Selbstaufopferung: Eine Zelle stirbt, um die anderen Zellen zu schützen.“

Das für die Veränderung der mRNA verantwortliche Enzym wird ADP-Ribosyltransferase genannt. Forscher haben Hunderte dieser Enzyme charakterisiert – obwohl einige davon bekannt sind, dass sie auf DNA oder RNA abzielen, alle bis auf eine Handvoll auf Proteine. Dies ist das erste Mal, dass diese Enzyme auf mRNA innerhalb von Zellen abzielen.

Erweiterung des Verständnisses der Anti-Phagen-Abwehr

Co-Erstautor und Doktorand Christopher Doering stellt fest, dass Forscher erst im letzten Jahrzehnt begonnen haben, die Breite der Vielfalt und Komplexität von Anti-Phagen-Abwehrsystemen zu schätzen. Beispielsweise basiert die CRISPR-Genbearbeitung, eine Technik, die in allen Bereichen von der Medizin bis zur Landwirtschaft eingesetzt wird, auf der Forschung zum bakteriellen Anti-Phagen-Abwehrsystem CRISPR-Cas9.

CmdTAC ist eine Teilmenge eines weit verbreiteten Anti-Phagen-Abwehrmechanismus, der als Toxin-Antitoxin-System bezeichnet wird. Ein TA-System ist genau das: ein Toxin, das in der Lage ist, die Prozesse der Zelle abzutöten oder zu verändern, das durch ein assoziiertes Antitoxin inert gemacht wird.

Obwohl diese TA-Systeme identifiziert werden können – wenn das Toxin allein exprimiert wird, tötet es die Zelle ab oder hemmt ihr Wachstum; Wenn das Toxin und das Antitoxin gemeinsam exprimiert werden, wird das Toxin neutralisiert – die Charakterisierung der Kaskade von Umständen, die diese Systeme aktiviert, erfordert umfangreiche Anstrengungen. In den letzten Jahren wurde jedoch gezeigt, dass viele TA-Systeme als Anti-Phagen-Abwehr dienen.

Um ein virales Abwehrsystem zu verstehen, müssen zwei allgemeine Fragen beantwortet werden: Wie erkennen Bakterien eine Infektion und wie reagieren sie?

Infektion erkennen

CmdTAC ist ein TA-System mit einem zusätzlichen Element, und die drei Komponenten liegen im Allgemeinen in einem stabilen Komplex vor: das toxische CmdT, das Antitoxin CmdA und eine zusätzliche Komponente namens Chaperon, CmdC.

Wenn das schützende Kapsidprotein des Phagen vorhanden ist, dissoziiert CmdC von CmdT und CmdA und interagiert stattdessen mit dem Phagenkapsidprotein. In dem in der Arbeit skizzierten Modell ist das Chaperon CmdC daher der Sensor des Systems, der dafür verantwortlich ist, zu erkennen, wann eine Infektion auftritt. Strukturproteine ​​wie das Kapsid, das das Phagengenom schützt, sind ein häufiger Auslöser, da sie reichlich vorhanden und für den Phagen essentiell sind.

Durch die Entkopplung von CmdC wird das neutralisierende Antitoxin CmdA abgebaut, wodurch das Toxin CmdT freigesetzt wird, das seine tödliche Wirkung entfalten kann.

Toxizität auf freiem Fuß

Die Forscher ließen sich von Computertools leiten und wussten daher, dass es sich bei CmdT aufgrund seiner Ähnlichkeit mit anderen Enzymen wahrscheinlich um eine ADP-Ribosyltransferase handelte. Wie der Name schon sagt, überträgt das Enzym eine ADP-Ribose auf sein Ziel.

Um festzustellen, ob CmdT mit bestimmten Sequenzen oder Positionen interagierte, testeten sie eine Mischung aus kurzen Sequenzen einzelsträngiger RNA. RNA hat vier Basen: A, U, G und C, und es gibt Hinweise darauf, dass das Enzym GA-Sequenzen erkennt.

Die CmdT-Modifikation von GA-Sequenzen in mRNA blockiert deren Translation. Die Einstellung der Bildung neuer Proteine ​​bricht die Infektion ab und verhindert, dass sich der Phagen über den Wirt hinaus ausbreitet und andere Bakterien infiziert.

„Es handelt sich nicht nur um eine neue Art von bakteriellem Immunsystem, sondern das beteiligte Enzym bewirkt auch etwas, was noch nie zuvor gesehen wurde: die ADP-Ribsolierung von mRNA“, sagt Vassallo.

Obwohl das Papier die Grundzüge des Anti-Phagen-Abwehrsystems beschreibt, ist unklar, wie CmdC mit dem Kapsidprotein interagiert und wie die chemische Modifikation von GA-Sequenzen die Translation verhindert.

Jenseits von Bakterien

Im weiteren Sinne steht die Erforschung der Anti-Phagen-Abwehr im Einklang mit dem übergeordneten Ziel des Laub-Labors, zu verstehen, wie Bakterien funktionieren und sich entwickeln, aber diese Ergebnisse könnten weitreichendere Auswirkungen über die Bakterien hinaus haben.

Der leitende Autor Michael Laub, Salvador E. Luria-Professor und Forscher am Howard Hughes Medical Institute, sagt, dass die ADP-Ribosyltransferase Homologe in Eukaryoten, einschließlich menschlichen Zellen, aufweist. Sie sind nicht gut untersucht und gehören nicht zu den Forschungsthemen des Laub-Labors, aber es ist bekannt, dass sie als Reaktion auf eine Virusinfektion hochreguliert werden.

„Es gibt so viele verschiedene – und coole – Mechanismen, mit denen Organismen sich gegen Virusinfektionen wehren“, sagt Laub. „Die Vorstellung, dass es eine gewisse Gemeinsamkeit zwischen der Art und Weise geben könnte, wie sich Bakterien und Menschen verteidigen, ist eine verlockende Möglichkeit.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.