Onderzoek uit de Amerikaanse staat Ohio onthult een bacterieel afweermechanisme tegen fagen

Onderzoek uit de Amerikaanse staat Ohio onthult een bacterieel afweermechanisme tegen fagen

Een van de vele geheimen van het succes van bacteriën is hun vermogen om zichzelf te verdedigen tegen virussen, fagen genaamd, die bacteriën infecteren en hun cellulaire machinerie gebruiken om kopieën van zichzelf te maken.

Technologische vooruitgang heeft het onlangs mogelijk gemaakt om de eiwitten te identificeren die bij deze systemen betrokken zijn, maar wetenschappers verdiepen zich nog steeds dieper in de werking van deze eiwitten.

In een nieuwe studie heeft een team van de Ohio State University de moleculaire samenstelling gerapporteerd van een van de meest voorkomende antifaagsystemen – uit de familie van eiwitten genaamd Gabija – die naar schatting wordt gebruikt door minstens 8,5% en tot 18% van alle bacteriesoorten op aarde.

Onderzoekers ontdekten dat een eiwit het vermogen lijkt te hebben om een ​​faag te bestrijden. Wanneer het echter aan een partnereiwit bindt, is het resulterende complex uiterst bedreven in het doorknippen van het genoom van een binnendringende faag, waardoor het niet meer kan repliceren.

We veronderstellen dat de twee eiwitten een complex moeten vormen om een ​​rol te spelen bij faagpreventie. Maar we geloven ook dat een eiwit alleen al een bepaalde antifaagfunctie heeft. De volledige rol van het tweede eiwit vereist verder onderzoek.”

Zhangfei Shen, co-hoofdauteur van de studie en postdoctoraal fellow in biologische chemie en farmacologie aan het Ohio State's College of Medicine

De resultaten dragen bij aan het wetenschappelijk begrip van de evolutionaire strategieën van micro-organismen en zouden op een dag vertaald kunnen worden in biomedische toepassingen, zeggen onderzoekers.

Shen en co-hoofdauteur Xiaoyuan Yang, een afgestudeerde student, werken in het laboratorium van hoofdauteur Tianmin Fu, assistent-professor biologische chemie en farmacologie aan de staat Ohio.

Het onderzoek werd op 16 april gepubliceerdStructurele en moleculaire biologie van de natuur.

De twee eiwitten waaruit dit afweersysteem bestaat, worden Gabija A en Gabija B genoemd, of kortweg GajA en GajB.

Onderzoekers gebruikten cryo-elektronenmicroscopie om de biochemische structuren van GajA en GajB afzonderlijk te bepalen, evenals een zogenaamd supramoleculair complex, GajAB, dat ontstaat wanneer de twee samenkomen in een cluster dat bestaat uit vier moleculen van elk eiwit.

Bij experimenten metBacillus cereusMet bacteriën als voorbeeld observeerden de onderzoekers de activiteit van het complex in de aanwezigheid van fagen om inzicht te krijgen in de werking van het afweersysteem.

Hoewel GajA alleen tekenen van activiteit vertoonde die het DNA van een faag konden deactiveren, was het complex dat het met GajB vormde veel effectiever in het garanderen dat fagen de bacteriële cel niet konden overnemen.

‘Dat is het mysterieuze gedeelte,’ zei Yang. "GajA alleen is voldoende om de faagkern te splitsen, maar het vormt ook het complex met GajB als we ze samen incuberen. Onze hypothese is dat GajA de genoomsequentie van de faag herkent, maar GajB verbetert deze herkenning en helpt het faag-DNA te knippen." “

De grote omvang en de langwerpige configuratie van het complex maakten het moeilijk om een ​​volledig beeld te krijgen van de functionele bijdragen van GajB wanneer gebonden aan GajA, zei Shen, dus het team moest enkele aannames doen over de eiwitrollen die nog moeten worden bevestigd.

"Het enige wat we weten is dat GajB de GajA-activiteit helpt verhogen, maar we weten nog niet hoe het werkt, omdat we er slechts ongeveer 50% van in het complex zien," zei Shen.

Een van hun hypothesen is dat GajB de concentratie van een energiebron, het nucleotide ATP (adenosinetrifosfaat), in de cellulaire omgeving zou kunnen beïnvloeden - specifiek door ATP te verlagen na detectie van de aanwezigheid van de faag. Dit zou het dubbele effect hebben van het uitbreiden van de faag-DNA-deactiverende activiteit van GajA en het stelen van energie die een faag nodig zou hebben om te repliceren, zei Yang.

Er valt nog meer te leren over bacteriële anti-faagverdedigingssystemen, maar dit team heeft al aangetoond dat het blokkeren van virusreplicatie niet het enige wapen in het bacteriële arsenaal is. In een eerdere studie beschreven Fu, Shen, Yang en collega's een andere verdedigingsstrategie: bacteriën programmeren hun eigen dood in plaats van fagen toe te staan ​​een gemeenschap over te nemen.

Dit werk werd ondersteund door het Nationaal Instituut voor Algemene Medische Wetenschappen.

Andere co-auteurs zijn onder meer Jiale Xie, Jacelyn Greenwald, Ila Marathe, Qingpeng Lin en Vicki Wysocki van de staat Ohio en Wenjun Xie van de Universiteit van Florida.

Bronnen: