Die Entschlüsselung von Meta-Translatomen - das Bindeglied zum Verständnis der Funktionalität von Mikrobiota aus dem Darm
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bakterielle Genregulation erfolgt auf mehreren Ebenen. Gene, auf der DNA kodiert, werden in Boten-RNA übersetzt (Transkription) und im Ribosom in Proteine umkodiert (Translation). Zwar besteht heutzutage die Möglichkeit die Menge von Proteinen (das Proteome) in Bakterienkulturen zu bestimmen, aber es gibt prinzipielle Einschränkungen, da die Chemie der Aminosäuren sehr unterschiedlich ist. Viel einfacher ist die Sequenzierung aller RNAs einer Zelle (RNA-Seq). Die Menge an Boten-RNA aber nur bedingt geeignet die Proteinmenge vorherzusagen, da die zweite Regulationsebene entfällt. Das sogenannte Ribo-Seq, die Messung der „Ribosomen-Fußabdrücke“, bietet neue Möglichkeiten: Hier sequenziert man, nach entsprechender Vorbereitung, nur den Teil der Boten-RNAs, der sich in den Ribosomen befindet. Bioinformatisch wird anschließend ermittelt, von welchen Genen sie stammten. Wir konnten zeigen, dass die Menge an Ribosomenfussabdrücken sehr gut mit der Proteinmenge übereinstimmt. Ribo-Seq erlaubt es auch, neue genkodierende Bereiche im Erbgut von Organismen zu entdecken, vor allem solche, die kleine Proteine herstellen. Durch die Anreicherung im Versuchsablauf gelingt auch der Nachweis von schwach exprimierten Genen. Ribo-Seq wurde bisher fast ausschließlich an einzelnen Bakterien durchgeführt, aber in der Natur gibt es aber nahezu nur Mikrobengemeinschaften, wie z.B. im Darm. Das Verständnis der Darmbakterien und ihrer Funktion ist ein wachsendes Forschungsfeld, doch funktionelle Zuordnungen (welches Bakterium macht was) sind immer noch in den Anfängen. Die Komplexität von natürlichen Darmkonsortien ist für die Forschung eine Herausforderung. Minimale Konsortien mit nur wenigen Bakterienarten reduzieren die Komplexität deutlich. Hier kombinierten wir die Verwendung von minimalen Bakterienkonsortien mit Ribo-Seq. Die Darstellung der sogenannten Meta-Translatome erlaubt es, individuelle Genregulation auf der Ebene des Translatomes von Bakterien in Gemeinschaften aufzuzeichnen. Diese Meta-Translatom-Messungen sind Meta-Proteomen überlegen, da auch kleine und schwache Proteine (genauer ihre Translation) gemessen werden kann. Wir konnten zeigen, dass Bakterienarten, selbst wenn sie zusammen kultiviert werden, ein äußerst individuelles Muster von Genregulationen auch im zentralen Metabolismus zeigen. Messungen von Konsortien, die aus einem Wirtsorganismus (hier Maus) stammen, zeigten die Regulation von Genen, die in Kultur nur selten beobachtet wurden. Die zunächst notwendigen methodischen Optimierungen öffnen somit neue Forschungsmöglichkeiten an Minimalkonsortien, welches uns ein besseres Verständnis vom Zusammenspiel zwischen Darmbakterien und Wirt erlauben wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Metatranslatomes of murine microbiota. Kick-off Seminar CRC1371; 15.- 17.11.2017, Raitenhaslach, Germany.
Giehren F.
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Footprints in bacteria – Ribosome covered mRNAs pieces are better indicators for protein expression than RNAseq data. VAAM 2018, Wolfsburg, Germany.
Giehren F., Kreitmeier M., Fischer S., Adern Z. & Neuhaus K.
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RIBOseq and RNAseq experiments of anaerobic versus aerobic cultivation conditions of Escherichia coli LF 82; Campus Lab Seminar; 11.04.2018, TUM Weihenstephan, Freising, Germany.
Giehren F.
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Ribosome profiling and RNA-Seq of two gut bacteria in a mixed culture under aerobic and anaerobic growth-conditions. Quadram Institute Seminar; 16.09.2019, TUM Weihenstephan, Freising, Germany.
Giehren F.
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Ribosome profiling combined with RNA-Seq of Escherichia coli LF82 and Enterococcus faecalis OG1RF in a mixed culture under aerobic and anaerobic growth-conditions. RNA 2019 - 24th Annual Meeting of the RNA Society, Krakau, Poland.
Giehren F., Sewald Z., Mix L. & Neuhaus K.
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Ribosome profiling reveals novel small proteins in the gut bacterium Enterococcus faecalis OG1RF. Small Proteins in Prokaryotes, an Unexplored World; 16.-18.3.2020; Hamburg, Germany.
Giehren F., Sewald Z., Glaub A., Huptas C. & Neuhaus K.
