Zum ersten Mal wurde beobachtet, dass sich ein Virus an einen anderen Virus anheftet

Noch nie hatte jemand gesehen, wie sich ein Virus an einen anderen Virus anheftete, bis anomale Sequenzierungsergebnisse ein UMBC-Team in die Irre führten und zu einer einzigartigen Entdeckung führten.

Es ist bekannt, dass einige Viren, sogenannte Satelliten, nicht nur auf ihren Wirtsorganismus angewiesen sind, um ihren Lebenszyklus abzuschließen, sondern auch auf ein anderes Virus, das als „Helfer“ bekannt ist, erklärt Ivan Erill, Professor für Biowissenschaften. Das Satellitenvirus benötigt den Helfer entweder zum Aufbau seines Kapsids, einer Schutzhülle, die das genetische Material des Virus umschließt, oder um ihm bei der Replikation seiner DNA zu helfen.

Diese viralen Beziehungen erfordern, dass sich der Satellit und der Helfer zumindest vorübergehend in der Nähe zueinander befinden. Bisher sind jedoch keine Fälle bekannt, in denen sich ein Satellit tatsächlich an einen Helfer gebunden hat.

In einem Papier veröffentlicht In Das ISME Journalbeschreiben ein UMBC-Team und Kollegen von der Washington University in St. Louis (WashU) die erste Beobachtung eines Satellitenbakteriophagen (ein Virus, der Bakterienzellen infiziert), der sich an seinem „Hals“ – dort, wo das Kapsid mit dem Schwanz verbunden ist – konsequent an einen Helferbakteriophagen bindet vom Virus.

In detaillierten elektronenmikroskopischen Bildern, die von Tagide deCarvalho, stellvertretender Direktor der Core Facilities des College of Natural and Mathematical Sciences und Erstautor der neuen Arbeit, aufgenommen wurden, zeigte sich, dass 80 Prozent (40 von 50) Helfern einen Satelliten am Hals festgebunden hatten. Bei einigen Exemplaren, die keine Satellitenranken hatten, waren am Hals Reste vorhanden. Erill, leitender Autor des Artikels, beschreibt sie als „Bissspuren“.

„Als ich es sah, dachte ich, ich kann es nicht glauben“, sagt deCarvalho. „Niemand hat jemals gesehen, dass sich ein Bakteriophage – oder ein anderes Virus – an ein anderes Virus anheftet.“

Eine langfristige Virenbeziehung

Nach den ersten Beobachtungen analysierte Elia Mascolo, ein Doktorand in Erills Forschungsgruppe und Co-Erstautor der Arbeit, die Genome des Satelliten, des Helfers und des Wirts, was weitere Hinweise auf dieses noch nie zuvor gesehene Virus ergab Beziehung. Die meisten Satellitenviren enthalten ein Gen, das ihnen die Integration in das genetische Material der Wirtszelle ermöglicht, nachdem sie in die Zelle eingedrungen sind. Dadurch kann sich der Satellit immer dann reproduzieren, wenn ein Helfer die Zelle betritt. Die Wirtszelle kopiert bei der Teilung neben ihrer eigenen auch die DNA des Satelliten.

Eine Bakteriophagenprobe von WashU enthielt auch einen Helfer und einen Satelliten. Der WashU-Satellit verfügt über ein Integrationsgen und verbindet sich nicht direkt mit seinem Helfer, ähnlich wie zuvor beobachtete Satelliten-Helfersysteme.

Allerdings ist der Satellit in der UMBC-Probe, der von den Studenten, die ihn isoliert haben, MiniFlayer genannt wurde, der erste bekannte Fall eines Satelliten ohne Integrationsgen. Da es sich nicht in die DNA der Wirtszelle integrieren kann, muss es sich jedes Mal in der Nähe seines Helfers namens MindFlayer aufhalten, wenn es in eine Wirtszelle eindringt, wenn es überleben will. Angesichts der Tatsache, dass das Team diese Erklärung zwar nicht direkt bewiesen hat, „machte es jetzt absolut Sinn, sich anzuhängen“, sagt Erill, „denn wie soll man sonst garantieren, dass man gleichzeitig in die Zelle eindringt?“

Zusätzliche bioinformatische Analyse von Mascolo und Julia López-Pérez, einer weiteren Doktorandin. Ein Student, der mit Erill zusammenarbeitete, enthüllte, dass sich MindFlayer und MiniFlayer schon seit langem gemeinsam weiterentwickelt haben. „Dieser Satellit hat sich seit, ich würde sagen, mindestens 100 Millionen Jahren darauf eingestellt und sein Genom so optimiert, dass es mit dem Helfer assoziiert wird“, sagt Erill, was darauf hindeutet, dass es möglicherweise noch viele weitere Fälle dieser Art von Beziehung gibt, die darauf warten, entdeckt zu werden .

Kontamination oder Entdeckung?

Diese bahnbrechende Entdeckung hätte leicht übersehen werden können. Das Projekt begann wie ein typisches Semester im SEA-PHAGES-Programm – einem Forschungslehrplan, bei dem Studenten Bakteriophagen aus Umweltproben isolieren, sie zur Sequenzierung schicken und dann Bioinformatik-Tools verwenden, um die Ergebnisse zu analysieren. Als das Sequenzierungslabor der Universität Pittsburgh eine Kontamination in der Probe von UMBC meldete, von der erwartet wurde, dass sie den MindFlayer-Phagen enthielt, begann die Reise.

Die Probe enthielt eine große Sequenz: den erwarteten Phagen. „Aber anstatt nur das zu finden, haben wir auch eine kleine Sequenz gefunden, die nichts mit dem zu tun hatte, was wir wussten“, sagt Erill, der neben Steven auch einer der Leiter des SEA-PHAGES-Programms der UMBC mit dem Namen „Phage Hunters“ ist Caruso, Hauptdozent für Biowissenschaften. Caruso führte die Isolierung erneut durch, schickte sie zur Sequenzierung – und erhielt identische Ergebnisse.

Zu diesem Zeitpunkt zog das Team deCarvalho hinzu, um sich ein Bild davon zu machen, was mit dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) in der Keith R. Porter Imaging Facility (KPIF) der UMBC vor sich ging. Ohne die Bilder wäre die Entdeckung unmöglich gewesen.

„Nicht jeder verfügt über ein TEM“, bemerkt deCarvalho. Aber mit den Instrumenten am KPIF, sagt deCarvalho, „kann ich einige dieser Beobachtungen weiterverfolgen und sie mit Bildgebung validieren. Es gibt Entdeckungselemente, die wir nur mit dem TEM machen können.“

Die Entdeckung des Teams schafft die Grundlage für zukünftige Arbeiten, um herauszufinden, wie sich der Satellit verbindet, wie häufig dieses Phänomen vorkommt und vieles mehr. „Es ist möglich, dass viele der Bakteriophagen, von denen die Leute dachten, sie seien kontaminiert, tatsächlich diese Satelliten-Helfersysteme waren“, sagt deCarvalho, „so dass die Leute jetzt mit dieser Arbeit vielleicht in der Lage sein werden, mehr dieser Systeme zu erkennen.“