Charakterisierung von Anti-Phagen-Verteidigungsinseln in Prokaryoten

• Antragsteller: Professor Dr. Rotem Sorek, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464312965

Bakterien befinden sich in einem ständigen Wettrüsten gegen die sich rapide evolvierenden Bakteriophagen. Um sich gegen Phagen verteidigen zu können, haben Bakterien spezielle Abwehrsysteme entwickelt, dazu gehören Restriktions-Modifikationsenzyme, CRISPR-Cas, abortive Infektionsmechanismen sowie eine große Vielfalt weiterer Verteidigungssysteme. Die Untersuchung von Bakterien- und Archaeengenomen hat weiterhin gezeigt, dass die Abwehrsysteme nicht zufällig in mikrobiellen Genomen verteilt sind, sondern an bestimmten genomischen Orten, welche als „Verteidigungsinseln“ bezeichnet werden. Das bedeutet das auch unbekannte bakterielle Immunsysteme die Tendenz haben in der Nähe von Restriktionssystemen, CRISPR-Cas, und anderen Abwehrsystemen in mikrobiellen Genomen vorzukommen. Diese Eigenschaft von mikrobiellen Immunsystemen ermöglichte die Vorhersage und experimentelle Überprüfung zahlreicher neuartiger Anti-Phagen-Abwehrsysteme.Obwohl das Konzept der Verteidigungsinseln für die jüngste Entdeckung vieler Verteidigungssysteme ausschlaggebend war, blieb die Charakterisierung der Verteidigungsinseln selbst aus. Was genau sind Verteidigungsinseln? Was definiert eine einzelne Verteidigungsinsel? Sind Verteidigungsinseln am Transfer von Verteidigungssystemen zwischen mikrobiellen Genomen beteiligt? Wenn ja, wie? Wie oft treten sie in mikrobiellen Genomen auf? Diese Fragen sind zurzeit noch völlig unbeantwortet und werden im aktuellen Projektvorschlag behandelt. Unsere vorläufigen, unveröffentlichten Ergebnisse beinhalten, unter anderem, die Entwicklung von Methoden, welche es erlauben, die genauen Grenzen von Verteidigungsinseln innerhalb des mikrobiellen Genoms zu identifizieren. Wir konnten so Hinweise identifizieren, welche zeigen, dass einige Verteidigungsinseln mobile genetische Elemente sind. Diese könnten dazu bestimmt sein, die Verteidigungssysteme zwischen Genomen zu übertragen und zu mobilisieren. Im vorliegenden Projektvorschlag präsentieren wir einen kombinierten Plan aus Datenanalyse und Experimenten, welcher zur umfassenden Charakterisierung von Verteidigungsinseln in mikrobiellen Genomen führen kann. Wir beabsichtigen mikrobielle Verteidigungsinseln in Hinsicht ihrer genomischen Lage und Integrität, ihres genetischen Inhaltes sowie ihrer Mobilität zwischen Genomen in einem großen, diversen Satz von mikrobiellen Genomen zu charakterisieren. Diese Analyse wird es uns ermöglichen zu verstehen, wie Verteidigungsinseln Phagen-Resistenz zwischen Genomen verbreiten, und darüber hinaus wird es uns helfen neue, unentdeckte Familien von Anti-Phagen-Abwehrsystemen zu entdecken.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2330: Neue Konzepte der Virus-Wirt Interaktion in Prokaryoten – von Einzelzellen zu mikrobiellen Gemeinschaften
• Internationaler Bezug: Israel