Sinds ze voor het eerst werden ontdekt in de jaren tachtig, hebben retronen onderzoekers verbaasd die gewoon wilden weten wat deze bacteriële DNA-sequenties eigenlijk deden. Nu hebben EMBL-wetenschappers vastgesteld dat sommige retronen coderen voor toxine-eiwitten, die ze inactief houden met behulp van een klein DNA-fragment. Wanneer een bacterieel virus (faag) bacteriën aanvalt, kan het kleine DNA de aanval detecteren en het toxine vrijgeven.

“Bacteriële chromosomen bevatten honderden verschillende toxine/antitoxinesystemen met onbekende functie die kunnen worden gebruikt om fagen te remmen, en onze bevindingen bieden een benadering om te begrijpen hoe ze dat kunnen doen”, zegt Nassos Typas, een groepsleider in de Genome Biology Unit en een co-voorzitter van de transversale thema’s Microbiële ecosystemen en infectiebiologie van EMBL. Zijn groep heeft zojuist zijn laatste bevindingen in Nature gerapporteerd.

Simpel gezegd, retronen bevatten een enzym dat reverse transcriptase wordt genoemd en dat klein RNA gebruikt als een sjabloon om multicopy enkelstrengs DNA (msDNA) te produceren. Hoewel wetenschappers wisten hoe dit msDNA door veel bacteriën wordt geproduceerd, was de functie en rol ervan in de cel raadselachtig gebleven tot juni 2020, toen de Typas-groep, evenals de Sorek-groep van het Weizmann Institute of Science in Israël, hun onafhankelijke studies publiceerden in een open-access preprint-repository.

“Meer dan 30 jaar hadden we geen idee waarom bacteriën retronen hebben, omdat er geen fenotypes waren geassocieerd met cellen zonder retrons of msDNA”, zegt Jacob Bobonis, de hoofdauteur van het artikel, die zijn doctoraat in de Typas-groep voltooide.

Maar er kwam nieuwe informatie aan het licht toen een vorig lid van de Typas-groep een belangrijke aanwijzing vond: een fenotype. Ze ontdekten dat een pathogene bacterie Salmonella niet kan groeien bij koudere temperaturen zonder msDNA aan te maken. De groep werkte vervolgens samen met het laboratorium van Helene Andrews-Polymenis aan de Texas A&M University en haar toenmalige postdoc, Johanna Elfenbein, nu PI aan de Universiteit van Madison. Samen identificeerden ze dat Salmonella-cellen die geen msDNA kunnen maken, ook gevoelig waren voor een gebrek aan zuurstof, waardoor ze de darm van een koe niet konden koloniseren.

Hoewel deze fenotypes alleen niet de speciale immuunafweercapaciteiten van de retrons lieten zien, gaven ze de wetenschappers een startpunt om de retrons verder te bestuderen.

“We realiseerden ons al snel dat retronen, hoewel ingewikkelder, erg lijken op andere systemen in bacteriën die toxine / antitoxine-systemen worden genoemd”, legt Bobonis uit.

Veel bacteriën bevatten honderden toxine/antitoxinesystemen in hun genoom. Eén gen codeert voor een giftig eiwit (toxine) dat de groei van de bacterie stopt, maar het tegengif (antitoxine) bevindt zich direct naast dat ‘giftige’ gen. Terwijl de twee naast elkaar bestaan, groeien bacteriën gelukkig. Maar als het tegengif op de een of andere manier wordt verwijderd, wordt het gif actief en remt het hun groei.

“Analoog, in ons geval, hebben we de retron reverse transcriptase die msDNA maakt, en als we het verwijderen, wordt het ’toxine’ geactiveerd,” zei Bobonis. “We realiseerden ons dat het msDNA samen met de reverse transcriptase een nieuwe klasse van antitoxines vormt. Maar we vroegen ons nog steeds af wat die ‘switch’ zou kunnen zijn om dit groeiremmingscomplex op natuurlijke wijze te activeren.”

Deze natuurlijke schakelaars (triggers) zijn decennialang ongrijpbaar gebleven voor alle chromosomale toxine/antitoxine-systemen. Het EMBL-team besloot te onderzoeken of individuele genen als schakelaars kunnen fungeren. Ze namen duizenden bacteriële genen en brachten ze één voor één tot overexpressie met behulp van robotopstellingen in de laboratoria van EMBL, om te meten of ze het toxine konden activeren om de bacteriën te remmen.

Uiteindelijk hebben ze met behulp van genetica, proteomics, bioinformatica en met de hulp van andere teams van EMBL (de Savitski, Zeller en Bateman onderzoeksgroepen), het mechanisme ontleed en ontdekt hoe virale eiwitten deze systemen kunnen activeren en blokkeren. Ze ontdekten zelfs dat retronen virale invasie op eencellig niveau kunnen dwarsbomen.

“Stel je voor dat je 10 bacteriën hebt, en een virus gaat erin en infecteert er slechts één. Het virus repliceert zichzelf honderden keren en breekt uiteindelijk de cel, zodat het virus uit de geïnfecteerde cel stroomt en vervolgens de andere negen cellen infecteert (of meer als bacteriën zich in de tussentijd hebben gedupliceerd). In dat geval wordt de bacteriepopulatie gedood”, legt Bobonis uit. “In een cel waar het retron wordt ingeschakeld door het virus, verdort de aanvankelijk geïnfecteerde cel, maar dat geldt ook voor het virus, omdat het de machinerie van de bacterie nodig heeft om te repliceren. Zonder de aanvankelijk geïnfecteerde bacterie hapert het virus en hebben retronen de rest van de bevolking beschermd.”

Wetenschappers zijn op zoek naar het gebruik van fagen om bacteriële infecties bij mensen te behandelen. Ze noemen dit ‘faagtherapie’ en het onderzoek in deze richting is de afgelopen jaren enorm toegenomen, omdat antibiotica minder effectief worden door resistentieproblemen. Dit fundamentele onderzoek draagt ​​bij aan de hoeveelheid kennis om dat werk verder te helpen.

Een belangrijke uitkomst van dit onderzoek is de op genetica gebaseerde benadering die de EMBL-wetenschappers verfijnden: Toxin Activation/Inhibition Conjugation (TAC/TIC). Nu kunnen andere wetenschappers ook dieper ingaan op wat de duizenden andere niet-gekarakteriseerde toxine / antitoxinesystemen veroorzaakt. Het aanboren van de enorme diversiteit aan microbiële functies en het blootleggen van nieuwe mechanismen die achter interacties van microben met hun omgeving liggen, inclusief hun predatoren (fagen), vormt het epicentrum van EMBL’s nieuwe transversale thema Microbial Ecosystems.

“Omdat dit de interne zelfmoordsystemen van bacteriën zijn, betekent het kennen van de triggerschakelaars ervoor dat we een hoek hebben om kunstmatige toxinetriggers te ontwerpen om het toxine extern te activeren en de cel te doden,” zei Typas. “Zulke nieuwe strategieën zijn dringend nodig, aangezien effectieve antibiotica schaars worden om antimicrobieel resistente pathogenen te behandelen. Het transversale thema Infection Biology van EMBL heeft tot doel antimicrobiële resistentie beter te begrijpen en nieuwe manieren te vinden om deze in te perken, te voorkomen, om te keren of te omzeilen.”

Bron artikel(en)
Bacteriële retronen coderen voor faagverdedigende tripartiete toxine/1-antitoxinesystemen.
Bobonis J. et al.
Natuur 18 juli 2022
10.1038/s41586-022-05091-4

Beeldcredit: Creative Team/EMBL

Vorig artikelVakantieweer Nederland: oplopende temperaturen
Volgend artikelVakantieweer Europa: volop zomers maar wel erg droog in grote delen van Europa