Phagenviren, die zur Behandlung von Antibiotikaresistenzen eingesetzt werden, verschaffen sich einen Vorteil, indem sie die Reproduktionsfähigkeit der Konkurrenz unterbinden

Kuriose DNA-Fragmente, die in Genomen aller Reiche des Lebens versteckt sind, wurden bisher kaum beachtet, da sie – so dachten die Forscher zumindest – im Kampf ums Überleben keine Rolle zu spielen schienen.

Diese DNA-Stücke wurden als „egoistische genetische Elemente“ bekannt, weil sie, soweit Wissenschaftler es beurteilen konnten, nur existieren, um sich selbst zu reproduzieren und zu vermehren, ohne dass ihr Wirtsorganismus davon profitiert. Sie wurden als genetische Anhalter angesehen, die ohne Konsequenzen von einer Generation an die nächste weitergegeben wurden.

Eine Studie der University of California in San Diego hat neue Beweise dafür geliefert, dass solche DNA-Elemente vielleicht doch nicht so egoistisch sind. Vielmehr scheinen sie nun einen erheblichen Einfluss auf die Dynamik zwischen konkurrierenden Organismen zu haben.

Veröffentlichen im Journal Wissenschaftuntersuchten Forscher der School of Biological Sciences egoistische genetische Elemente in Bakteriophagen (Phagen), Viren, die als die am häufigsten vorkommenden Organismen auf der Erde gelten. Zu ihrer Überraschung stellten die Forscher fest, dass egoistische genetische Elemente, sogenannte „mobile Introns“, ihren Viruswirten einen klaren Vorteil im Wettbewerb mit anderen Viren verschaffen: Phagen verfügen über als Waffe eingesetzte mobile Introns, mit denen sie die Reproduktionsfähigkeit konkurrierender Phagenviren unterbinden können.

„Dies ist das erste Mal, dass nachgewiesen wurde, dass ein egoistisches genetisches Element dem Wirtsorganismus, in den es eingedrungen ist, einen Wettbewerbsvorteil verschafft“, sagte die Co-Erstautorin der Studie, Erica Birkholz, eine Postdoktorandin in der Abteilung für Molekularbiologie. „Das Verständnis, dass egoistische genetische Elemente nicht immer rein ‚egoistisch‘ sind, hat weitreichende Auswirkungen auf ein besseres Verständnis der Evolution von Genomen in allen Reichen des Lebens.“

Schon vor Jahrzehnten erkannten Biologen die Existenz egoistischer genetischer Elemente, konnten jedoch ihre Rolle bei der Überlebens- und Reproduktionsunterstützung des Wirtsorganismus nicht beschreiben. In der neuen Studie, die sich auf die Untersuchung von „Jumbo-Phagen“ konzentrierte, analysierten die Forscher die Dynamik, als zwei Phagen eine einzelne Bakterienzelle gemeinsam infizierten und gegeneinander konkurrierten.

Sie haben sich die Endonuklease genauer angesehen, ein Enzym, das als DNA-Schneidwerkzeug dient. Die Endonuklease aus dem mobilen Intron eines Phagen, so zeigten die Studien, stört das Genom des konkurrierenden Phagen. Daher wird die Endonuklease nun als Kampfwerkzeug angesehen, da nachgewiesen wurde, dass sie ein wesentliches Gen im Genom des konkurrierenden Phagen zerschneidet. Dies sabotiert die Fähigkeit des Konkurrenten, seine eigene Nachkommenschaft angemessen zusammenzusetzen und sich zu reproduzieren.

„Diese als Waffe eingesetzte Intronendonuklease verschafft dem Phagen, der sie trägt, einen Wettbewerbsvorteil“, sagte Birkholz.

Den Forschern zufolge ist dieser Befund im evolutionären Wettrüsten zwischen Viren aufgrund der ständigen Konkurrenz bei Koinfektionen von besonderer Bedeutung.

„Wir konnten den Mechanismus, der einen Vorteil verschafft, klar umreißen und wie das auf molekularer Ebene passiert“, sagte Chase Morgan, Doktorand der Biowissenschaften und Co-Erstautor der Studie. „Diese Inkompatibilität zwischen egoistischen genetischen Elementen wird zu einem molekularen Krieg.“

Die Ergebnisse der Studie sind wichtig, da sich Phagenviren als therapeutische Werkzeuge im Kampf gegen antibiotikaresistente Bakterien herauskristallisieren. Da Ärzte in dieser wachsenden Krise „Cocktails“ aus Phagen einsetzen, um Infektionen zu bekämpfen, werden die neuen Informationen wahrscheinlich zum Tragen kommen, wenn mehrere Phagen eingesetzt werden. Das Wissen, dass bestimmte Phagen egoistische genetische Elemente als Waffen gegen andere Phagen einsetzen, könnte Forschern helfen zu verstehen, warum bestimmte Phagenkombinationen möglicherweise nicht ihr volles therapeutisches Potenzial erreichen.

„Die Phagen in dieser Studie können zur Behandlung von Patienten mit bakteriellen Infektionen eingesetzt werden, die mit Mukoviszidose in Zusammenhang stehen“, sagte Joe Pogliano, Professor für Biowissenschaften. „Wenn wir verstehen, wie sie miteinander konkurrieren, können wir bessere Cocktails für die Phagentherapie herstellen.“

Die Autoren des Artikels sind: Erica Birkholz, Chase Morgan, Thomas Laughlin, Rebecca Lau, Amy Prichard, Sahana Rangarajan, Gabrielle Meza, Jina Lee, Emily Armbruster, Sergey Suslov, Kit Pogliano, Justin Meyer, Elizabeth Villa, Kevin Corbett und Joe Pogliano.