Translokation viraler DNA über die bakterielle Wirtsmembran.

• Antragstellerin: Dr. Dorothee Kiefer, seit 3/2022
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439129695

Bakteriophagen, die Viren der Prokaryoten, brauchen für ihre Vermehrung den bakteriellen Wirt. Die lytischen Coliphagen T4 und T7 haben Modellcharakter, ihre Genetik und viele ihrer Strukturen sind gut untersucht. Grundlegende Prinzipien molekularer Assemblyprozesse und molekularer Motoren wurden an Phagensystemen aufgeklärt. Forschung zu Mikrobiomen und Phageomen zeigen die substantielle Bedeutung der Phagen für die Human- und Tiergesundheit und für die Funktion von Ökosystemen. Die Erforschung der Phage-Wirt-Wechselwirkung ist ein zukunftsweisender Ansatz auf molekularer und organismischer Ebene. Um Bakterienzellen zu infizieren, adsorbieren Phagen an spezifische Komponenten der Wirtszelloberfläche. T-Phagen binden dabei mit ihren Schwanzfibern an bestimmte Lipopolysaccharide und Außenmembranproteine von E. coli. Die Bindung induziert eine Konformationsänderung des Phagenpartikels, triggert die DNA-Ausstoßung aus dem Phagenkapsid und initiiert deren Translokation in das Wirtscytosol. Die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen sind noch weitgehend unklar. T4 besitzt einen langen, kontraktilen Schwanz, dessen innere Struktur (Schwanzrohr) ähnlich einer Injektionskanüle durch die Wirtszellwand gestoßen wird. Das Hauptprotein gp5 des Schwanzrohres besitzt eine Lysozymdomäne, die das Murein der Wirtszelle lokal abbaut, so dass die Schwanzspitze, bestehend aus dem an gp5 gebundenen gp5.4 Protein die periplasmatische Seite der inneren Membran erreicht. Der anschließende Prozess der DNA-Translokation ist kaum untersucht. Es gibt Strukturdaten für den gp5/5.4 Proteinkomplex; die molekulare Dynamik des Komplexes und Interaktionen mit Wirtsproteinen sind aber unbekannt. Vermutlich werden periplasmatische und membranständige Komponenten benötigt, um die Translokation der Phagen-DNA über die innere Membran in das Cytoplasma zu ermöglichen. In den projektierten Arbeiten wollen wir die molekulare Dynamik des T4 DNA-Injektionsapparates analysieren und beteiligte bakterielle Komponenten identifizieren. Das zweite Teilprojekt fokussiert den DNA-Translokationsapparat des T7-Phagen, der hierfür einen anderen Mechanismus entwickelt hat. T7 besitzt keinen kontraktilen Schwanz. Jedoch finden sich im Capsid Coreproteine (gp14, gp15, gp16), die nach Adsorption des Phagen an die Wirtszelle aus dem Capsid herausgeklappt und auf hypothetische Weise in die Zellwand translozieren. Dieser hochdynamische Prozess erfordert versatile Proteine, die vom kompakten Zustand im Capsid in die Lipidumgebung der Membran expandiert werden. Dort bilden die Coreproteine (wohl mit Beteiligung weiterer Phagen- oder Wirtsproteine) als Ejektosom einen putativen, transienten Kanal, der Außen- und Innenmembran durchzieht und für die DNA-Translokation in das Cytoplasma sorgt. In der projektierten Forschungsarbeit wird der Assemblyweg, die topologische Dynamik der Faltung des Corekomplexes und der DNA-Transport in rekonstituierten Systemen (z.B. Proteoliposomen) analysiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Andreas Kuhn, bis 2/2022