Aufklärung der molekularen Mechanismen von Retrons in der Verteidigung gegen Phagen

• Antragsteller: Professor Dr. Jens Hör
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Medizinische Mikrobiologie und Mykologie, Hygiene, Molekulare Infektionsbiologie
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 466645764

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Unter zellautonomer Immunität werden alle intrazellulären Verteidigungsstrategien zusammengefasst, die Schutz vor angreifenden Pathogenen bieten. In Bakterien besteht die angeborene Immunität aus einer Vielzahl an Verteidigungssystemen, die Schutz vor bakteriellen Viren (Phagen) gewähren. Viele dieser bakteriellen Verteidigungssysteme sind der evolutionäre Ursprung des eukaryotischen angeborenen Immunsystems. Zu diesen zählen unter anderem der cGAS-STING Signalweg, Viperins und Gasdermins. Zusätzlich kodieren Bakterien für eine Vielzahl an Verteidigungssystemen, die evolutionär nicht konserviert wurden. Da die meisten bakteriellen Antiphagen-Verteidigungssysteme erst kürzlich entdeckt wurden, ist der genaue molekulare Verteidigungsmechanismus für die Mehrzahl von ihnen bisher unbekannt. Darum habe ich in dieser Studie den molekularen Mechanismus von zwei bakteriellen Antiphagen-Verteidigungssystemen untersucht: von Retrons und dem bakteriellen ISG15-ähnlichen (Bil) Verteidigungssystem. Retrons sind Verteidigungssysteme, die ein einzigartiges RNA/DNA Hybridmolekül namens msDNA herstellen. Nachdem eine Phageninfektion erkannt wurde, kann die msDNA zusammen mit einem Effektorprotein den programmierten Zelltod der infizierten Zelle einleiten, um die weitere Verbreitung des Virus zu stoppen. Anhand eines Retrons, das ich im Detail untersuchte, konnte ich nachweisen, dass das Retron in der Lage ist, die Infektion zu erkennen, indem seine msDNA direkt an das Einzelstrang-DNA-bindende Protein des Phagen bindet. Diese Interaktion führt dann zur Aktivierung des Effektorproteins und damit zum Tod der infizierten Zelle. Das Bil-System ist ein bakterielles Homolog des eukaryotischen ISG15 Systems, das Teil des angeborenen Immunsystems ist. Es besteht aus einem ubiquitin-ähnlichen Protein, den Ubiquitinligasen E1 und E2, sowie einer Deubiquitinase. Ich konnte zeigen, dass das Bil-System sein ubiquitin-ähnliches Protein an die zentrale Schwanzfaser des Phagen koppelt, welche ein essenzielles Strukturprotein an der Spitze des Schwanzes des Virions ist und am Aufbau des Schwanzes sowie der Bindung an die Wirtszelle beteiligt ist. Dies führt zu einer Freisetzung von Phagenvirionen, die entweder schwanzlos oder vom ubiquitin-ähnlichen Protein modifiziert sind. Beide dieser Virionentypen zeigen eine stark eingeschränkte Infektiosität, was die umgebenden Bakterien vor einer Infektion schützt. Zusammenfassend konnte ich zeigen, wie ein Retron Phageninfektion erkennt und dass die Kopplung ubiquitin-ähnlicher Proteine eine universell konservierte antivirale Strategie ist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• An expanded arsenal of immune systems that protect bacteria from phages. Cell Host & Microbe, 30(11), 1556-1569.e5.
  Millman, Adi; Melamed, Sarah; Leavitt, Azita; Doron, Shany; Bernheim, Aude; Hör, Jens; Garb, Jeremy; Bechon, Nathalie; Brandis, Alexander; Lopatina, Anna; Ofir, Gal; Hochhauser, Dina; Stokar-Avihail, Avigail; Tal, Nitzan; Sharir, Saar; Voichek, Maya; Erez, Zohar; Ferrer, Jose Lorenzo M.; Dar, Daniel ... & Sorek, Rotem
  
• Bacteria conjugate ubiquitin-like proteins to interfere with phage assembly. Cold Spring Harbor Laboratory.
  Hör, Jens; Wolf, Sharon G. & Sorek, Rotem
  
• Discovery of phage determinants that confer sensitivity to bacterial immune systems. Cell, 186(9), 1863-1876.e16.
  Stokar-Avihail, Avigail; Fedorenko, Taya; Hör, Jens; Garb, Jeremy; Leavitt, Azita; Millman, Adi; Shulman, Gabriela; Wojtania, Nicole; Melamed, Sarah; Amitai, Gil & Sorek, Rotem