Microbiologie in hapklare porties
Graaf Tel telt alle virussen
Herinner je je nog Graaf Tel uit de kinderserie Sesamstraat? Deze vampier-pop leert kinderen tellen, en kan dat als geen ander! Hoewel het voor kinderen waarschijnlijk plezant is om naar een door wiskunde geobsedeerde, bloeddrinkende muppet op TV te kijken, is tellen ook onmisbaar in bijna elk aspect van ons leven. Wiskunde is niet alleen de basis voor economie en wetenschap, maar ook cruciaal voor microben om beslissingen te nemen.
Maar hoe kunnen organismen die kleiner zijn dan een menselijke zenuwcel tellen? In de loop van de evolutie hebben ze verschillende strategieën ontwikkeld, en dit artikel zal het over één daarvan hebben. Specifiek gaan we ons hier concentreren op het vermogen van faag Lambda om te tellen.
Het onderwerp “fagen” is al vaker aan bod gekomen omdat hun biologie gewoonweg fascinerend is. Een korte samenvatting: fagen zijn virussen die bacteriën en archaea infecteren. Ze vertegenwoordigen een zeer diverse groep van micro-organismen, en zijn overal waar prokaryoten zijn. Een zeer precies gekarakteriseerde faag is Lambda, die de modelbacterie Escherichia coli infecteert.
Zoals vele virussen kent faag Lambda twee manieren van voortplanting (figuur 1). De lytische cyclus is wat de meeste mensen associëren met een virale infectie. Het virus dringt een cel binnen en kaapt de moleculaire machinerie ervan om kopieën van zichzelf te maken. Als er genoeg kopieën zijn breekt de cel openen laat honderden nieuwe virussen in de omgeving los, klaar voor nieuwe infecties. De lysogene cyclus is daarentegen iets ingewikkelder. Het virus dringt een cel binnen, maar misbruikt de middelen van de cel niet om zichzelf eindeloos te repliceren. In plaats daarvan plakt het zijn eigen genoom – een profaag genoemd – in het genoom van de gastheer. Het virus is in een slapende toestand, waarbij hij wacht om wakker te worden en de lytische cyclus in te gaan. Maar hoe weet een virus welke weg te kiezen, lytisch of lysogeen? Welnu, het lijkt erop dat Tianyou Yao en zijn collega’s een beetje dichter bij het antwoord op deze vraag zijn gekomen.
Er wordt reeds lang gesproken over het bestaan van een numerieke correlatie tussen virussen en gastheercellen. De huidige hypothese stelt dat de verhouding tussen het aantal virussen en de gastheercellen bepaalt welke strategie wordt toegepast. Dit betekent dat meerdere fagen die een gastheercel tegelijkertijd binnenkomen, de lysogene route in werking stellen. Dit wordt de multipliciteit van infectie (multiplicity of infection; MOI) genoemd. De redenering hierachter is eenvoudig: als meerdere virussen tegelijk een cel kunnen infecteren, moet de verhouding tussen virussen en slachtoffercellen zeer hoog zijn. Daarom heeft het voor het virus geen zin om nog meer kopieën van zichzelf te maken. In plaats daarvan kiest het ervoor om zich in te bedden in het genoom van de gastheer en te wachten op een verandering in de omgeving.
Wat tot nu toe onduidelijk was, is hoe de faag de MOI telt, en hoe hij dit doet terwijl hij tegelijkertijd zijn eigen genoom repliceert. Om dit raadsel op te lossen, beoordeelde de onderzoeksgroep onder leiding van Tianyou Yao de concentratie boodschapper-RNA (messenger RNA; mRNA) van drie virale genen (cI, cII en cro) in E. coli cellen die geïnfecteerd waren met faag Lambda. Deze drie genen beïnvloeden elkaar in een complex netwerk van activerings- en repressielussen (figuur 2). De specifieke verhouding van de expressie van het ene gen tot het andere leidt ofwel tot het lytische ofwel tot het lysogene traject. Een hoge expressie van cro leidt naar het lytische traject, terwijl een hoge expressie van cI het lysogene traject bevordert.
Om de invloed van de zelfreplicatie van de faag (die normaal onmiddellijk na binnendringing in de gastheercel begint) uit te sluiten, testten de onderzoekers eerst een Lambda-variant die niet in staat is tot replicatie. Na infectie met deze gewijzigde faag telden ze het aantal virale genomen in een enkele E. coli-cel, alsook het aantal mRNA’s van de drie genen van belang, om te zien wat de invloed van de MOI zou zijn op de mRNA-niveaus van de genen, en daarmee op het traject van de virale infectie.
Verrassend genoeg ontdekten de onderzoekers dat de expressie van genen voor het lytische traject (cro) nooit genoeg werd geactiveerd om dit traject te doorlopen. Anderzijds vonden ze dat genen voor het lysogene traject werden gestimuleerdmet toenemende MOI. Kennelijk konden de niet-replicerende fagen bij een lage MOI geen beslissing nemen voor het ene of het andere traject!
Op basis van hun eigen laboratoriumresultaten en literatuurgegevens stelden de onderzoekers wiskundige modellen op, om het gedrag van niet-replicerende en replicerende fagen te beschrijven. Met behulp van dit model toonden de onderzoekers aan dat alleen infectie met precies één faag per gastheercel (MOI = 1) leidt tot de lytische route, terwijl elke hogere MOI de lysogene cyclus in gang zet. Je zou kunnen zeggen dat faag lambda een beetje het tegenovergestelde is van de meeste mensen: Het viert graag feest in zijn eentje, maar wordt erg slaperig als er gezelschap is.
Maar wat is de reden voor dit gedrag? Tianyou Yao et al. toonden een delicaat samenspel aan van activering en onderdrukking van verschillende promotorgebieden (genetische elementen die de transcriptie van een bepaald gen bevorderen), die afhankelijk zijn van de initiële MOI. Een hogere MOI stimuleert een evenredig hogere activering van het gen cI, dat op zijn beurt de transcriptie van het cro-gen onderdrukt (denk eraan: hoge cro-niveaus zouden leiden tot het lytische traject). Het virus volgt dan de lysogene route. Zo blijkt: zelfs de kleinste en genetisch eenvoudige wezens op onze planeet hebben een verfijnd systeem ontwikkeld om elkaars aanwezigheid aan te voelen.
De inspanningen van de onderzoekers om dit raadsel te ontrafelen verdienen ook een applaus. Het werk laat zien hoe ver de moderne biochemische technieken zijn ontwikkeld, en hoe krachtig de combinatie van gegevens uit dergelijke experimenten met computermodellen kan zijn. Zelfs Graaf Tel zou onder de indruk zijn van deze wiskundige trucs!
Featured image: https://muppet.fandom.com/wiki/Count_von_Count?file=CountVonCount.png
Vertaald door: Hanne Put
micro-bites.org 
