Vibrio cholerae erlangt antivirale Abwehrkräfte durch horizontalen Gentransfer

Wie die meisten Bakterien Vibrio cholerae lebt unter ständigem Angriff von Viren. Um zu überleben, rüsten sich Bakterien mit einem antiviralen Immunsystem aus. Das haben frühere Arbeiten gezeigt V. cholerae trägt ein großes genetisches Element, das als sesshaftes chromosomales Integron (SCI) bezeichnet wird. Diese Struktur enthält Hunderte kleiner mobiler DNA-Einheiten, sogenannte „Genkassetten“, die wie eine Perlenkette in einer langen Reihe angeordnet sind.

Während die Funktion vieler Kassetten noch unbekannt ist, kodieren etwa zehn Prozent für antivirale Immunsysteme. Die meisten dieser Gene befinden sich jedoch weit vom Anfang des Arrays entfernt und bleiben stumm. Die vorherrschenden Modelle gingen davon aus, dass Kassetten intern neu gemischt werden könnten, um sie zu aktivieren. In der pandemischen Abstammungslinie von wurden jedoch keine derartigen Neuanordnungen beobachtet V. cholerae seit mehr als sechzig Jahren.

Dies wirft eine Schlüsselfrage auf: Wenn eine interne Umstrukturierung selten vorkommt, wie werden dann kassettenkodierte Immunsysteme aktiviert und wie gelangen überhaupt neue Kassetten in das Array?

Testen der DNA-Aufnahme im Labor

Um diese Frage zu beantworten, untersuchte ein Team unter der Leitung von Melanie Blokesch vom Labor für Molekulare Mikrobiologie der EPFL, ob der SCI möglicherweise Genkassetten aus genetischem Material einfängt, das von außen in die Zelle gelangt.

Ein wesentliches Merkmal dieses Prozesses ist die natürliche Kompetenz, die Fähigkeit von Bakterien, freie DNA aus ihrer Umgebung aufzunehmen. V. cholerae wird von Natur aus kompetent, wenn es auf chitinhaltigen Oberflächen wächst, einem Polymer, das in den Schalen von Krebstieren vorkommt und in Gewässern reichlich vorhanden ist.

Im Labor ahmte das Team diese Bedingungen nach, indem es Bakterien auf Chitin züchtete und DNA von verschiedenen Quellen lieferte Vibrio cholerae Stämme oder von anderen Vibrio Spezies. Anschließend verfolgten sie, ob neu erworbene Genkassetten an der ersten Position des SCI-Arrays eingefügt wurden.

Der horizontale Transfer übernimmt die Führung

Veröffentlichung in Wissenschaftdas zeigen die Forscher V. cholerae kann effizient neue SCI-Genkassetten aus extrazellulärer DNA erwerben. In aquatischen Lebensräumen wird DNA freigesetzt, wenn Bakterienzellen durch Viren, antimikrobielle Verbindungen oder bakterielle Waffen abgetötet werden. In der Nähe befindliche kompetente Bakterien können diese DNA aufnehmen und ausgewählte Fragmente in ihre eigene SCI einbauen.

Ein lockerer Vergleich wäre der folgende. Stellen Sie sich vor, Ihre Großmutter stirbt und überreicht Ihnen als Abschiedsgeschenk die Immunität, die sie vor einem Jahrhundert gegen die Spanische Grippe aufgebaut hat, und schützt Sie so sofort vor demselben Virus. Wäre das nicht erstaunlich? Das ist im Wesentlichen das, was wir zeigen V. cholerae tun kann.“

Melanie Blokesch, Labor für Molekulare Mikrobiologie an der EPFL

Das Team zeigte außerdem, dass in dieser Position eingelegte Kassetten funktionsfähig sind. Mehrere Abwehrsysteme boten Schutz vor infizierenden Viren Vibrio Arten, sogenannte Vibriophagen.

Eine statische Pandemie-Linie

Es ergab sich eine wichtige Ausnahme. In der pandemischen 7PET-Linie von V. choleraeder SCI erscheint weitgehend statisch. Die Autoren schlagen vor, dass dies eine Anpassung an eine mit dem Menschen verbundene Nische widerspiegelt. Sollten pandemische Stämme jedoch auf Umweltbedingungen treffen, die den Erwerb von SCI-Kassetten ermöglichen, könnten sie ihre antiviralen Abwehrkräfte erweitern.

„Diese Möglichkeit ist wichtig, weil derzeit Vibriophagen-basierte Ansätze zur Vorbeugung von Cholera in endemischen Regionen erforscht werden und eine solche evolutionäre Flexibilität letztendlich die Wirksamkeit dieser Strategien beeinflussen könnte“, sagt Melanie Blokesch.

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