Studie beschreibt eine häufige bakterielle Abwehr gegen Virusinfektionen

Eines der vielen Erfolgsgeheimnisse von Bakterien ist ihre Fähigkeit, sich gegen Viren, sogenannte Phagen, zu verteidigen, die Bakterien infizieren und ihre Zellmaschinerie zur Fortpflanzung nutzen.

Technologische Fortschritte haben es in letzter Zeit ermöglicht, die an diesen Systemen beteiligten Proteine ​​zu identifizieren, doch Wissenschaftler vertiefen ihre Forschung zur Rolle dieser Proteine ​​weiterhin.

In einer neuen Studie berichtete ein Team der Ohio State University über den molekularen Aufbau eines der häufigsten Anti-Phagen-Systeme, einer Proteinfamilie namens Gabija, die vermutlich zu mindestens 8,5 % verwendet wird. bis zu 18 % aller Bakterienarten auf der Erde.

Forscher haben herausgefunden, dass ein Protein offenbar die Fähigkeit besitzt, einen Phagen abzuwehren, aber wenn es sich an ein Partnerprotein bindet, ist der resultierende Komplex sehr geschickt darin, das Genom eines eindringenden Phagen zu zerschneiden, um ihn unfähig zur Replikation zu machen.

„Wir glauben, dass die beiden Proteine ​​einen Komplex bilden müssen, um eine Rolle bei der Phagenprävention zu spielen, aber wir glauben auch, dass ein einzelnes Protein eine Anti-Phagen-Funktion hat“, sagte Zhangfei Shen, Co-Senior-Autor der Studie und Postdoktorand . in biologischer Chemie und Pharmakologie am College of Medicine der Ohio State. „Die volle Rolle des zweiten Proteins muss genauer untersucht werden.“

Die Erkenntnisse tragen zum wissenschaftlichen Verständnis der Evolutionsstrategien von Mikroorganismen bei und könnten eines Tages in biomedizinische Anwendungen umgesetzt werden, sagen die Forscher.

Shen und Co-Hauptautor Xiaoyuan Yang, ein Ph.D. Student, arbeitet im Labor der Hauptautorin Tianmin Fu, einer Assistenzprofessorin für biologische Chemie und Pharmakologie an der Ohio State.

Die Studie wurde am 16. April veröffentlicht Natur Struktur- und Molekularbiologie.

Die beiden Proteine, aus denen dieses Abwehrsystem besteht, heißen Gabija A und Gabija B oder werden mit GajA und GajB abgekürzt.

Die Forscher verwendeten Kryo-Elektronenmikroskopie, um die biochemischen Strukturen von GajA und GajB einzeln sowie eines sogenannten supramolekularen Komplexes, GajAB, zu bestimmen, der entsteht, wenn sich die beiden zu einer Gruppe bestehend aus vier Molekülen jedes Proteins verbinden.

In Experimenten am Modellbakterium Bacillus cereus beobachteten die Forscher die Aktivität des Komplexes in Gegenwart von Phagen, um die Funktionsweise des Abwehrsystems besser zu verstehen.

Obwohl GajA allein Anzeichen einer Aktivität zeigte, die die DNA eines Phagen inaktivieren konnte, war der Komplex, den es mit GajB bildete, viel wirksamer, um sicherzustellen, dass Phagen die Bakterienzelle nicht übernehmen konnten.

„Das ist der mysteriöse Teil“, sagte Yang. „GajA allein reicht aus, um den Phagenkern zu spalten, aber es bildet auch den Komplex mit GajB, wenn wir sie zusammen inkubieren. Unsere Hypothese ist, dass GajA die Genomsequenz des Phagen erkennt, aber GajB verstärkt diese Erkennung und hilft, die DNA des Phagen zu schneiden.“ Phagen.

Die große Größe und die längliche Konfiguration des Komplexes machten es schwierig, ein vollständiges Bild der funktionellen Beiträge von GajB bei Bindung an GajA zu erhalten, sagte Shen und überließ es dem Team, einige Hypothesen über die Rollen der Proteine ​​zu formulieren, die noch bestätigt werden müssen .

„Wir wissen nur, dass GajB dabei hilft, die Aktivität von GajA zu steigern, aber wir wissen noch nicht, wie es funktioniert, weil wir nur etwa 50 % davon im Komplex sehen“, sagte Shen.

Eine ihrer Hypothesen ist, dass GajB das Konzentrationsniveau einer Energiequelle, des Nukleotid-ATP (Adenosintriphosphat), in der zellulären Umgebung beeinflussen könnte, insbesondere indem es ATP reduziert, wenn es die Anwesenheit des Phagen erkennt. Dies hätte den doppelten Effekt, dass die DNA-Stummschaltungsaktivität von GajA durch den Phagen ausgeweitet und gleichzeitig die Energie gestohlen würde, die ein Phagen benötigen würde, um mit der Replikation zu beginnen, sagte Yang.

Über bakterielle Anti-Phagen-Abwehrsysteme gibt es noch viel zu lernen, aber dieses Team hat bereits gezeigt, dass die Blockierung der Virusreplikation nicht die einzige Waffe im bakteriellen Arsenal ist. In einer früheren Studie beschrieben Fu, Shen, Yang und ihre Kollegen eine andere Abwehrstrategie: Bakterien programmieren ihren eigenen Tod, anstatt zuzulassen, dass Phagen eine Gemeinschaft übernehmen.