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

In elke levende cel woedt een constante, stille strijd over de bouwstenen van het leven. Om zijn genetische code te kopiëren, heeft een cel een constante aanvoer nodig van specifieke chemische onderdelen, waaronder één genaamd dUTP. Als dit onderdeel per ongeluk in de genetische code glipt, veroorzaakt het fouten die de instructies van de cel kunnen breken. Om dit te voorkomen, gebruiken cellen een gespecialiseerd hulpmiddel, een enzym, om het overtollige dUTP af te breken voordat het schade kan aanrichten. Dit hulpmiddel komt voor in bijna alle vormen van leven, van mensen tot bacteriën. Sommige virussen die bacteriën infecteren, bekend als fagen, hebben echter hun eigen versies van dit hulpmiddel gestolen of uitgevonden. Deze virale hulpmiddelen hebben vaak een dubbel doel: ze helpen het virus om zijn eigen genetisch materiaal op te bouwen, maar ze verstoren ook de aanvoer van deze essentiële onderdelen in de gastheercel, waardoor ze de machinerie van de cel effectief kapen om de cel in dienst van het virus te laten werken.

Een team van onderzoekers uit Denemarken en België heeft onlangs de aandacht gericht op een specifiek viraal hulpmiddel dat wordt gevonden in een faag genaamd Mosigvirus AV110. Dit virus infecteert een type bacterie bekend als Escherichia coli, specifiek stammen die resistent zijn tegen veel veelvoorkomende antibiotica. De onderzoekers wilden precies begrijpen wat er gebeurt wanneer dit virale hulpmiddel, een eiwit genaamd Gp135, actief is in de bacteriële cel. Ze waren bijzonder geïnteresseerd in hoe de aanwezigheid van dit enkele eiwit de vorm van de bacterie verandert, hen stopt met delen en hen uiteindelijk doodt. Door deze interactie te bestuderen, hoopten de wetenschappers meer te leren over hoe virussen hun gastheren manipuleren en de enorme, verborgen diversiteit van deze hulpmiddelen in de virale wereld in kaart te brengen.

De onderzoekers begonnen door het gen voor het Gp135-eiwit in verschillende stammen van de antibioticaresistente bacteriën te introduceren. Vervolgens observeerden ze wat er gebeurde terwijl de bacteriën het eiwit begonnen te produceren. De resultaten waren onmiddellijk en spectaculair. In aanwezigheid van het eiwit stopten de bacteriën met groeien. Wanneer de wetenschappers de dichtheid van de bacteriële cultuur maten, zagen ze dat het aantal levende cellen aanzienlijk daalde, waarbij sommige stammen een reductie van wel vier ordes van grootte vertoonden. Dit betekende dat voor elke tienduizend bacteriën die er hadden moeten zijn, er slechts een handvol overbleef. Het effect was niet beperkt tot één enkele stam; het werkte bij een breed scala aan de geteste bacteriën, wat suggere mogelijk dat het eiwit een fundamenteel proces aanvalt dat al deze cellen delen.

Om de fysieke veranderingen in de cellen te zien, gebruikten de onderzoekers krachtige microscopen om de bacteriën in de loop van de tijd te observeren. In het begin zagen de cellen er normaal uit. Maar naarmate het eiwit bleef worden geproduceerd, begonnen de bacteriën uit te rekken en werden ze lange, dunne filamenten in plaats van hun gebruikelijke korte, staafvormige vorm. Ze stopten met delen. Normaal gesproken groeit een bacterie en splitst zich dan in tweeën om twee nieuwe cellen te creëren, maar deze cellen bleven langer groeien zonder ooit te splitsen. De onderzoekers brachten ook de cellen in kleurstof om naar de interne structuren te kijken. Ze ontdekten dat het DNA in de cellen niet werd gerepliceerd. In gezonde bacteriën kopieert het genetisch materiaal zichzelf en beweegt het naar de tegenovergestelde uiteinden van de cel voor deling. Hier was het DNA-signaal zwak en verspreidde het zich niet, wat erop wijst dat het kopieerproces was gestagneerd.

Naarmate de uren verstreken, werd de schade ernstiger. De onderzoekers observeerden vreemde, heldere banden die langs de lengte van de uitgerekte cellen verschenen. Deze banden maakten geen deel uit van de celwand of het membraan; het waren lege ruimtes, of holtes, waar de binnenkant van de cel zich had losgemaakt van de wanden. De cellen waren in feite aan het uithollen. Uiteindelijk braken de celmembranen af en stierven de bacteriën. De wetenschappers merkten op dat dit patroon van sterfte, waarbij cellen stoppen met delen, uitrekken en interne openingen ontwikkelen, vergelijkbaar is met wat er gebeurt wanneer bacteriën worden beroofd van een specifiek nutriënt dat nodig is om DNA op te bouwen. In dit geval veroorzaakte het virale eiwit waarschijnlijk een tekort aan de bouwstenen die de bacteriën nodig hadden om hun genetische code te kopiëren, wat leidde tot een instorting van de interne structuur van de cel.

Het team bekeek vervolgens het eiwit zelf nauwgezet om te begrijpen hoe het werkt. Ze ontdekten dat het Gp135-eiwit qua vorm en structuur zeer vergelijkbaar is met een bekend hulpmiddel van een andere beroemde virus, de T4-faag. Dit T4-hulpmiddel staat bekend om zijn vermogen om niet alleen dUTP af te breken, maar ook een gerelateerd molecuul genaamd dCTP. De analyse van de onderzoekers suggereerde dat het Gp135-eiwit op dezelfde manier werkt. Door deze essentiële bouwstenen af te breken, put het de voorraad van de cel uit, waardoor de bacteriën hun DNA niet kunnen kopiëren. Zonder nieuw DNA kan de cel niet delen. De onderzoekers ontdekten ook dat dit eiwit het virus helpt om speciale, gemodificeerde versies van zijn eigen genetische materiaal te maken, die fungeren als een schild tegen de natuurlijke afweersystemen van de bacterie.

Ten slotte namen de onderzoekers een breder perspectief om te zien hoe algemeen dit type viraal hulpmiddel is. Ze verzamelden genetische sequenties van honderden verschillende virussen en stelden een stamboom op om te zien hoe zij aan elkaar verwant zijn. Ze ontdekten dat deze hulpmiddelen niet allemaal hetzelfde zijn. Terwijl de meeste bekende hulpmiddelen een drieledige structuur vormen, vormen de hulpmiddelen die in de Mosigvirus en soortgelijke virussen worden gevonden een tweedelige structuur. Nog interessanter was dat ze ontdekten dat deze tweedelige hulpmiddelen in twee duidelijke groepen vallen die niet nauw aan elkaar verwant zijn, wat suggereert dat ze apart zijn geëvolueerd. Er is ook een vierde, mysterieuze groep hulpmiddelen die wetenschappers nog niet hebben bestudeerd, die zeer divers lijken te zijn en geheel andere functies zouden kunnen hebben.

De studie concludeert dat het Gp135-eiwit een krachtig wapen is in het virale arsenaal. Door de aanvoer van genetische bouwstenen te verstoren, legt het de capaciteit van de gastheer om zich voort te planten stil, wat leidt tot celsterfte en het virus de kans geeft om over te nemen. Dit onderzoek benadrukt de complexe en gevarieerde manieren waarop virussen hun gastheren hebben gemanipuleerd. Het onthult ook dat er nog veel te leren valt over de verschillende soorten hulpmiddelen die in de natuur bestaan, met hele groepen die wachten om begrepen te worden. De bevindingen suggereren dat het vermogen om een cel chemisch te kapen een wijdverbreide en succesvolle strategie is voor virussen, een strategie die steunt op een diverse en evoluerende set moleculaire hulpmiddelen.