A growth-inhibitory dUTPase from Mosigvirus AV110 disrupts cell division and host physiology in Escherichia coli

In jeder lebenden Zelle tobt ein ständiger, leiser Kampf um die Bausteine des Lebens. Um ihren genetischen Code zu kopieren, benötigt eine Zelle einen stetigen Nachschub an spezifischen chemischen Bestandteilen, darunter einer namens dUTP. Wenn dieser Bestandteil sich durch einen Fehler in den genetischen Code einschleicht, verursacht dies Fehler, die die Anweisungen der Zelle zerstören können. Um dies zu verhindern, nutzen Zellen ein spezialisiertes Werkzeug, ein Enzym, um das überschüssige dUTP abzubauen, bevor es Schaden anrichten kann. Dieses Werkzeug findet sich in fast allen Lebensformen, von Menschen bis hin zu Bakterien. Einige Viren, die Bakterien infizieren, bekannt als Phagen, haben jedoch ihre eigenen Versionen dieses Werkzeugs gestohlen oder erfunden. Diese viralen Werkzeuge dienen oft einem doppelten Zweck: Sie helfen dem Virus, sein eigenes genetisches Material aufzubauen, aber sie stören auch den Vorrat der Wirtszelle an diesen essenziellen Bestandteilen und kapern so effektiv die Maschinerie der Zelle, um dem Virus zu dienen.

Ein Forscherteam aus Dänemark und Belgien hat seine Aufmerksamkeit kürzlich auf ein spezifisches virales Werkzeug gerichtet, das in einem Phagen namens Mosigvirus AV110 vorkommt. Dieser Virus infiziert eine Art von Bakterien, die als Escherichia coli bekannt sind, speziell Stämme, die gegen viele gängige Antibiotika resistent sind. Die Forscher wollten genau verstehen, was passiert, wenn dieses virale Werkzeug, ein Protein namens Gp135, in der bakteriellen Zelle aktiv ist. Sie waren besonders daran interessiert, wie die Anwesenheit dieses einzelnen Proteins die Form der Bakterien verändert, sie am Teilen hindert und sie letztendlich tötet. Durch die Untersuchung dieser Interaktion hofften die Wissenschaftler, mehr darüber zu erfahren, wie Viren ihre Wirte manipulieren, und um die riesige, verborgene Vielfalt dieser Werkzeuge in der viralen Welt abzubilden.

Die Forscher begannen damit, das Gen für das Gp135-Protein in mehrere verschiedene Stämme der antibiotikaresistenten Bakterien einzuführen. Sie beobachteten dann, was geschah, als die Bakterien begannen, das Protein zu produzieren. Die Ergebnisse waren unmittelbar und dramatisch. In Gegenwart des Proteins hörten die Bakterien auf zu wachsen. Als die Wissenschaftler die Dichte der Bakterienkultur maßen, sahen sie, dass die Anzahl der lebenden Zellen signifikant sank, wobei einige Stämme eine Reduktion um bis zu vier Größenordnungen aufwiesen. Das bedeutete, dass von je zehntausend Bakterien, die eigentlich vorhanden sein sollten, nur eine Handvoll übrig blieb. Der Effekt beschränkte sich nicht auf einen einzelnen Stamm; er funktionierte bei einer Vielzahl der getesteten Bakterien, was darauf hindeutet, dass das Protein einen grundlegenden Prozess angreift, den alle diese Zellen gemeinsam haben.

Um die physikalischen Veränderungen innerhalb der Zellen zu sehen, nutzte das Team leistungsstarke Mikroskope, um die Bakterien im Zeitverlauf zu beobachten. Zu Beginn sahen die Zellen normal aus. Doch während das Protein weiter produziert wurde, begannen die Bakterien sich zu strecken und wurden zu langen, dünnen Filamenten anstatt ihrer üblichen kurzen, stäbchenförmigen Gestalt. Sie hörten auf, sich zu teilen. Normalerweise wächst ein Bakterium und teilt sich dann in zwei Hälften auf, um zwei neue Zellen zu erschaffen, aber diese Zellen wuchsen immer länger, ohne sich jemals zu teilen. Die Forscher färbten die Zellen auch ein, um ihre internen Strukturen zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass die DNA in den Zellen nicht replizierte. In gesunden Bakterien kopiert sich das genetische Material selbst und bewegt sich zu den gegenüberliegenden Enden der Zelle vor der Teilung. Hier war das DNA-Signal schwach und breitete sich nicht aus, was darauf hindeutet, dass der Kopierprozess gestoppt worden war.

Im Laufe der Stunden wurde der Schaden schwerwiegender. Die Forscher beobachteten seltsame, helle Bänder, die entlang der gestreckten Zellen erschienen. Diese Bänder waren nicht Teil der Zellwand oder der Membran; sie waren leere Räume oder Hohlräume, in denen sich das Innere der Zelle von den Wänden zurückgezogen hatte. Die Zellen wurden im Wesentlichen hohl. Schließlich brachen die Zellmembranen zusammen und die Bakterien starben. Die Wissenschaftler stellten fest, dass dieses Muster des Sterbens, bei dem Zellen aufhören sich zu teilen, sich strecken und interne Lücken entwickeln, ähnlich dem ist, was passiert, wenn Bakterien eines spezifischen Nährstoffs beraubt werden, den sie zum Aufbau der DNA benötigen. In diesem Fall verursachte das virale Protein wahrscheinlich einen Mangel an den Bausteinen, die die Bakterien zum Kopieren ihres genetischen Codes benötigten, was zu einem Zusammenbruch der internen Struktur der Zelle führte.

Das Team untersuchte dann das Protein selbst genauer, um zu verstehen, wie es funktioniert. Sie fanden heraus, dass das Gp135-Protein in Form und Struktur sehr ähnlich ist zu einem bekannten Werkzeug, das in einem anderen berühmten Virus, dem T4-Phagen, zu finden ist. Dieses T4-Werkzeug ist bekannt für seine Fähigkeit, nicht nur dUTP, sondern auch ein verwandtes Molekül namens dCTP abzubauen. Die Analyse der Forscher deutete darauf hin, dass das Gp135-Protein auf die gleiche Weise wirkt. Indem es diese essenziellen Bausteine abbaut, entzieht es der Zelle den Vorrat und verhindert so, dass die Bakterien ihre DNA kopieren. Ohne neue DNA kann die Zelle sich nicht teilen. Die Forscher fanden auch heraus, dass dieses Protein dem Virus hilft, spezielle, modifizierte Versionen seines eigenen genetischen Materials zu erschaffen, die als Schutzschild gegen die natürlichen Abwehrmechanismen der Bakterien dienen.

Schließlich nahmen die Forscher eine breitere Perspektive ein, um zu sehen, wie verbreitet diese Art von viralem Werkzeug ist. Sie sammelten Gensequenzen von Hunderten verschiedener Viren und erstellten einen Stammbaum, um zu sehen, wie diese miteinander verwandt sind. Sie entdeckten, dass diese Werkzeuge nicht alle gleich sind. Während die meisten bekannten Werkzeuge eine dreiteilige Struktur bilden, bilden diejenigen, die im Mosigvirus und ähnlichen Viren gefunden wurden, eine zweiteilige Struktur. Noch interessanter war, dass sie fanden, dass diese zweiteiligen Werkzeuge in zwei unterschiedliche Gruppen unterteilt sind, die nicht eng miteinander verwandt sind, was darauf hindeutet, dass sie sich getrennt entwickelt haben. Es gibt auch eine vierte, mysteriöse Gruppe von Werkzeugen, die die Wissenschaftler noch nicht untersucht haben und die scheinbar sehr vielfältig sind und ganz andere Funktionen haben könnten.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass das Gp135-Protein eine mächtige Waffe im viralen Arsenal ist. Indem es die Versorgung mit genetischen Bausteinen unterbricht, stoppt es die Fähigkeit des Wirtszellen, sich zu reproduzieren, was zum Zelltod führt und es dem Virus ermöglicht, die Kontrolle zu übernehmen. Diese Forschung hebt die komplexen und vielfältigen Wege hervor, auf denen Viren ihre Wirte manipulieren. Sie zeigt auch, dass es noch viel zu lernen über die verschiedenen Arten dieser Werkzeuge, die in der Natur existieren, wobei ganze Gruppen von ihnen darauf warten, verstanden zu werden. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Fähigkeit, eine Zelle chemisch zu kapern, eine weit verbreitete und erfolgreiche Strategie für Viren ist, die auf einem vielfältigen und sich entwickelnden Satz molekularer Werkzeuge beruht.