Phagen-Bakterien-Interaktionen

Bakteriophagen, Viren die Bakterien infizieren können, werden bereits seit über 100 Jahren erforscht. Dank der Untersuchungen von Phagen und deren Wechselwirkungen mit ihren Wirtszellen konnten einige wichtige biologische Grundprinzipien der Genetik entschlüsselt werden. Aufgrund der zunehmenden Probleme durch multiresistente Bakterien und der Möglichkeit schädliche Bakterien mit Hilfe von Phagen zu bekämpfen, erlebt die Forschung an Phagen, ihren Wechselwirkungen mit Bakterien und Resistenzmechanismen eine Renaissance. Der große Einfluss von Phagen auf die bakterielle Evolution, Diversität, sowie das „Wettrüsten“ zwischen Bakterien und Phagen wird dabei immer offensichtlicher (Salmond & Fineran, 2015).

Einer der am verbreitetsten und mobilsten Abwehrmechanismus von Bakterien gegen Phagen sind Restriktions- und Modifikationssysteme (R-M-Systeme). Klassische R-M-Systeme bestehen aus einer DNA-modifizierenden Methyltransferase (MT) und einer DNA-schneidenden Restriktionsendonuklease (RE), wobei MT und RE eines R-M-Systems die gleichen DNA-Sequenzen erkennen. Die Methylierung der DNA durch die MT schützt hierbei die DNA vor der enzymatischen Aktivität der zugehören RE (Loenen et al., 2013).

Dieser simple Aufbau erlaubt Bakterien die Unterscheidung zwischen eigener und fremder DNA und somit die Abwehr von beispielsweise Phagen-DNA nach einer Infektion.

Da sowohl die Wirkung der RE ohne die entsprechenden DNA-Modifikationen durch die MT toxisch für die Bakterien wäre, als auch die Wirkung der MT auf Phagen-DNA zu Phagenpartikeln führen würde die resistent gegen das R-M-System sind, ist eine strikte Regulation der MT- und RE-Aktivitäten essentiell. MT und RE-Aktivitäten werden in einigen R-M-Systemen über Protein-Protein-Interaktionen reguliert, während in anderen die Genexpression von MT- und RE-kodierenden Genen transkriptionell reguliert wird (Loenen et al., 2013).

In einigen R-M-Systemen wird die Genexpression von MT- und RE-kodierenden Genen durch die DNA-Modifikation der MT reguliert. Dies ist auch in dem CfrBI R-M-System der Fall. Die DNA-Methylierung sorgt für eine veränderte Genexpression (Beletskaya et al., 2000).

In unserer Forschung setzen wir uns mit der Frage auseinander, welche Einflussfaktoren die Genexpressionsdynamiken eines solchen R-M-Systems beeinflussen und welche Konsequenzen dies für die Zelle und schließlich die Phagenabwehr hat. Des Weiteren ist dies ein spannendes Beispiel zur Untersuchung des Einflusses epigenetischer DNA-Modifikationen auf die Genexpression und Evolution von Bakterien.

Beletskaya, I.V., Zakharova, M.V., Shlyapnikov, M.G., Semenova, L.M. & Solonin, A.S. (2000) DNA methylation at the CfrBI site is involved in expression control in the CfrBI restriction-modification system. Nucleic Acids Res. 28 (19): 3817–3822.

Loenen, W.A.M., Dryden, D.T.F., Raleigh, E.A., Wilson, G.G. & Murray, N.E. (2013) Highlights of the DNA cutters: a short history of the restriction enzymes. Nucleic Acids Res. 42 (1): 3-19.

Salmond, G.P.C. & Fineran, P.C. (2024) A century of the phage: past, present and future. Nat Rev Microbiol. 13 (12): 777-786.