Phagenviren, die zur Behandlung von Antibiotikaresistenzen eingesetzt werden, verschaffen sich einen Vorteil, indem sie die Fortpflanzungsfähigkeit ihrer Konkurrenten blockieren

Historisch gesehen wurden merkwürdige DNA-Fragmente, die in den Genomen aller Lebensreiche verborgen sind, ignoriert, weil sie im Wettbewerb ums Überleben offenbar keine Rolle zu spielen scheinen, so dachten Forscher.

Diese DNA-Fragmente wurden als „egoistische genetische Elemente“ bezeichnet, weil sie laut Wissenschaftlern nur dazu da sind, sich zu vermehren und zu verbreiten, ohne dass sie ihren Wirtsorganismen einen Nutzen bringen. Sie galten als genetische Anhalter, die folgenlos von einer Generation an die nächste weitergegeben wurden.

Untersuchungen von Wissenschaftlern der University of California in San Diego haben neue Beweise dafür geliefert, dass diese DNA-Elemente möglicherweise doch nicht so egoistisch sind. Im Gegenteil scheinen sie mittlerweile eine erhebliche Rolle in der Dynamik zwischen konkurrierenden Organismen zu spielen.

Veröffentlichung in der Zeitschrift WissenschaftForscher der Fakultät für Biowissenschaften haben die egoistischen genetischen Elemente von Bakteriophagen (Phagen) untersucht, Viren, die als die am häufigsten vorkommenden Organismen auf der Erde gelten. Zu ihrer Überraschung entdeckten die Forscher, dass selbstsüchtige genetische Elemente, sogenannte „mobile Introns“, ihren viralen Wirten einen klaren Vorteil im Wettbewerb mit anderen Viren verschaffen: Die Phagen veränderten die Waffen der Introns, um die Fortpflanzungsfähigkeit konkurrierender Phagenviren zu stören.

„Dies ist das erste Mal, dass ein egoistisches genetisches Element dem Wirtsorganismus, in den es eingedrungen ist, einen Wettbewerbsvorteil verschafft“, sagte Erica Birkholz, Co-Hauptautorin der Studie und 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 Entwicklung von Genomen in allen Lebensbereichen. »

Biologen hatten bereits vor Jahrzehnten die Existenz egoistischer genetischer Elemente bemerkt, waren jedoch nicht in der Lage, die Rolle zu charakterisieren, die sie dabei spielten, dem Wirtsorganismus beim Überleben und bei der Fortpflanzung zu helfen. In der neuen Studie, die sich auf die Untersuchung „riesiger“ Phagen konzentrierte, analysierten die Forscher die Dynamik zweier Phagen, die eine einzelne Bakterienzelle gemeinsam infizieren und gegeneinander konkurrieren.

Die Forscher untersuchten Endonuklease eingehend, ein Enzym, das zum Schneiden von DNA verwendet wird. Studien haben gezeigt, dass die mobile Intron-Endonuklease eines Phagen in das Genom des konkurrierenden Phagen eingreift. Daher gilt die Endonuklease mittlerweile als Kampfmittel, da sie nachweislich ein essentielles Gen im Genom des konkurrierenden Phagen schneidet. Dies sabotiert die Fähigkeit des Teilnehmers, seinen eigenen Nachwuchs ordnungsgemäß zusammenzubauen und zu reproduzieren.

„Diese waffenfähige intronische Endonuklease verschafft dem Phagen, der sie trägt, einen Wettbewerbsvorteil“, sagte Birkholz.

Die Forscher sagen, dass dieser Befund im evolutionären Wettrüsten zwischen Viren aufgrund der ständigen Koinfektionskonkurrenz besonders wichtig ist.

„Wir konnten den Mechanismus, der einen Vorteil verleiht, klar definieren und wie dieser auf molekularer Ebene geschieht“, sagte Chase Morgan, ein Doktorand der Biowissenschaften und Co-Erstautor der Studie. „Diese Inkompatibilität zwischen egoistischen genetischen Elementen wird zu einem molekularen Krieg. »

Die Ergebnisse dieser Studie sind wichtig, da Phagenviren das Potenzial haben, zu therapeutischen Werkzeugen im Kampf gegen antibiotikaresistente Bakterien zu werden. Da Ärzte inmitten dieser wachsenden Krise Phagen-„Cocktails“ zur Infektionsbekämpfung einsetzen, werden diese neuen Informationen wahrscheinlich zum Tragen kommen, wenn mehrere Phagen verwendet werden. Das Wissen, dass einige Phagen egoistische genetische Elemente als Waffen gegen andere Phagen einsetzen, könnte Forschern helfen zu verstehen, warum bestimmte Phagenkombinationen ihr volles therapeutisches Potenzial nicht entfalten können.

„Die untersuchten Phagen können zur Behandlung von Patienten mit bakteriellen Infektionen im Zusammenhang mit Mukoviszidose eingesetzt werden“, sagte Joe Pogliano, Professor für Biowissenschaften. „Wenn wir verstehen, wie sie miteinander konkurrieren, können wir bessere Cocktails für die Phagentherapie entwickeln. »

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.