Entdeckung und Charakterisierung von kleinen Peptiden, welche die Kommunikation in Phagen und Bakterien ermöglichen

• Antragsteller: Professor Rotem Sorek, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 379070190

Temperente Phagen müssen in jedem Infektionszyklus entscheiden, ob sie in ihrem bakteriellen Wirt replizieren und diesen lysieren, oder ob sie in den lysogenen Zustand übergehen und ihren Wirt somit am Leben halten. Im Rahmen der ersten Laufzeit des aktuellen SPP2002-Prioritätsprogramms entdeckten wir, dass Phagen, die Bakterien des Genus Bacillus infizieren, ein Kommunikationssystem aus µ-Proteinen verwenden, um die Entscheidungen zwischen lysogenem und lytischem Zyklus zu koordinieren (Erez et al., Nature 2017; Stokar-Avihail et al, Cell Host & Microbe 2019). Während der Infektion einer Bacillus-Wirtszelle erzeugt der Phage ein aus sechs Aminosäuren aufgebautes µ-Protein, das in das umgebende Medium ausgeschieden wird. Bei Folgeinfektionen können die Phagennachkommen die Konzentration dieses Peptids erfassen und, wenn die Konzentration dieses kleinen Kommunikationspeptides ausreichend hoch, den lysogenen Weg einschlagen. Wir bezeichneten dieses System als "Arbitrium"-System ("Entscheidung" auf lateinisch). Unsere Ergebnisse zeigten, dass viele Phagen arbitrium-kodierende µ-Proteine haben, welche zur Kommunikation und Koordination von Infektionsentscheidungen verwendet werden. Bislang wurden alle arbitrium-Homologe in Prophagen gefunden, die in bakteriellen Genomen der taxonomischen Familie Bacillaceae vorkommen. Es ist derzeit nicht bekannt, ob Phagen anderer taxonomischer Gruppen ebenfalls peptidbasierte Kommunikationsstrategien für die für Lyse-/Lysogenie-Entscheidung verwendenden. Daher werden wir im laufenden Projekt versuchen, zusätzliche, Arbitrium-ähnliche Systeme in Phagen zu entdecken, welche Nichtbazillus-Arten infizieren. Die Entdeckung des Arbitrium-Systems ist der erste Nachweis tatsächlicher Kommunikation zwischen Viren, und kann daher als neues Paradigma in der Virologie angesehen werden. Folglich liegt die Frage nahe, ob Kommunikation zwischen Viren über die prokaryotische Welt hinaus stattfinden könnte. Das Verständnis der Vielfalt, aber auch der Limitation von Phagenkommunikationssystemen wird uns nicht nur helfen, Hunderten von µ-Proteinen in Bakterien- und Phagengenomen eine Funktion zuzuweisen, sondern könnte auch die Voraussetzungen für künftige Entdeckungen in Viren, welche höhere Organismen infizieren, schaffen.Ein Teil der ersten drei Jahre des SPP2002 war die Entwicklung einer allgemeinen Plattform für die rechnergestützte Entdeckung und experimentelle Validierung von Kommunikationssystemen, bestehend aus µ-Proteinen in Tausenden von Bakteriellen Genomen. Wir konnten zeigten, dass diese Plattform zur Entdeckung neuer Kommunikationssysteme nicht nur bei Phagen, sondern auch bei Bakterien eingesetzt werden kann. Im zweiten Hauptziel dieses Projekts planen wir, unsere Plattform auf Tausende von öffentlich verfügbaren Gram-positiven Bakterien-Genomen anzuwenden. Unser Ziel dabei ist, zahlreiche neue µ-Proteine aufzuspüren und deren Kommunikation zwischen Bakterien und Phagen zu validieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2002: Kleine Proteine in Prokaryoten, eine unbekannte Welt
• Internationaler Bezug: Israel