Untersuchungen von neuartigen, transkriptionell vermittelten Anti-Phagen-Resistenz-Mechanismen

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Debbie Lindell, Ph.D.; Dr. Claudia Steglich
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464976318

Cyanobakterien der Gattungen Synechococcus und Prochlorococcus leisten einen wichtigen Beitrag zur Primärproduktion in den Weltmeeren. Trotz eines hohen Cyanophagenaufkommens koexistieren diese mit ihrem Wirt, was sich wahrscheinlich auf effektive Resistenzmechanismen zurückführen lässt. Wir konnten bereits zeigen, dass T4-ähnliche Cyanophagen mit breitem Wirtsspektrum (Generalisten) identische Transkriptionsprogramme in verschiedenen sensitiven Wirtsstämmen aufweisen. T4-ähnliche Cyanophagen besitzen keine eigene RNA-Polymerase und sind daher auf die ihres Wirts angewiesen. Die Regulation auf molekularer Ebene unterscheidet sich deutlich von archetypischen T4-Phagen und ist bisher größtenteils unbekannt. In weiteren Untersuchungen haben wir gezeigt, dass generalistische Cyanophagen sich zwar an resistente Cyanobakterienzellen anheften und in diese eindringen, den Infektionszyklus jedoch nicht abschließen können. Bei allen bisher untersuchten resistenten Cyanobakterien zeigte sich eine deutlich reduzierte Transkription der Phagengene. Die meisten marinen Cyanobakterien besitzen weder CRISPR-Cas noch Restriktionsmodifikationssysteme, was auf bisher unbekannte intrazelluläre Abwehrmechanismen hindeutet. In diesem Schwerpunktprogramm wollen wir der zentralen Frage nachgehen, wie das Phagen-Transkriptionsprogramm mariner T4-ähnlicher Cyanophagen in sensitiven Cyanobakterien reguliert wird und die Abwehrmechanismen aufklären, die auf der Transkriptionsebene in resistenten Cyanobakterien wirken. Unsere spezifischen Ziele sind: (1) die Identifizierung von Wirts- und Phagenfaktoren, welche Phagenpromotoren regulieren; (2) die Identifizierung von Phagenfaktoren, die mit der RNA-Polymerase des Wirts interagieren; (3) die Untersuchung von essenziellen Wirts- und Phagenproteinen während der Phagentranskription; und (4) die Identifizierung von cyanobakteriellen Resistenzmechanismen, welche einen negativen Einfluss auf die Transkription haben. Als Modellsystem haben wir den T4-ähnlichen Cyanophagen Syn9 und den sensitiven bzw. resistenten Synechococcus-Stamm WH8109 bzw. CC9311 ausgewählt, welche alle genetisch manipulierbar sind. Um die gesetzten Ziele zu erreichen, wollen wir Phagen- und Wirtsproteine identifizieren, die direkt an der Regulation der Phagenpromotoraktivität beteiligt sind. Weiterhin soll bestimmt werden, ob dies durch direkte Interaktion mit Phagenpromotoren oder indirekt durch die chemische Modifikation der Wirts-RNA-Polymerase geschieht. Um deren Einfluss auf das Infektionsgeschehen besser beurteilen zu können, werden wir Mutanten erzeugen, denen diese Faktoren fehlen. Darüber hinaus wollen wir aufklären, welche Faktoren das Phagen-Transkriptionsprogramm in resistenten Cyanobakterien negativ beeinflussen. Ergebnisse unserer Untersuchungen werden zur Entdeckung neuer antiviraler Abwehrsysteme führen und grundlegende Informationen über neuartige Mechanismen der Regulation des Transkriptionsprogramms in marinen T4-ähnlichen Cyanophagen liefern.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2330: Neue Konzepte der Virus-Wirt Interaktion in Prokaryoten – von Einzelzellen zu mikrobiellen Gemeinschaften
• Internationaler Bezug: Israel
• Kooperationspartner: Professor Oded Kleifeld, Ph.D.