Microbiologie in hapklare porties
Fagen herinterpreteren de genetische code
Cruciaal belang voor alle levende cellen is het vermogen om de in het DNA opgeslagen instructies te lezen over hoe eiwitten moeten worden gemaakt. Deze informatiestroom wordt gestuurd door twee processen: transcriptie en translatie. Tijdens de transcriptie wordt het DNA gekopieerd in een messenger RNA (mRNA)-sequentie. Vervolgens wordt tijdens de translatie de mRNA-sequentie gebruikt als een sjabloon om een aminozuursequentie te bouwen in de eiwitsynthese. In dit geval specificeren drie mRNA-nucleotiden, een codon genaamd, een bepaald aminozuur. Sommige codons, d.w.z. “stop codons” instrueren de vertaalmachine van de cel om de toevoeging van meer aminozuren te beëindigen. Deze reeks regels die cellen moeten volgen om de in hun DNA opgeslagen informatie te vertalen in eiwitten wordt de genetische code genoemd, en de genetische code is in hoge mate geconserveerd in alle organismen.
Dat gezegd hebbende, er zijn regelbrekers. Een van die regelbrekers zijn virussen die bacteriën kunnen infecteren, fagen genaamd. Fagen zijn obligate parasieten, die voor hun voortbestaan afhankelijk zijn van hun bacteriële gastheercel. Veel virussen coderen bijvoorbeeld niet voor hun eigen eiwittranslatiemachine en moeten daarom de capaciteiten van hun gastheer kapen om virale eiwitten te bouwen. Vreemd genoeg is uit recent onderzoek gebleken dat veel fagen hun stopcodons hebben “gehercodeerd” en deze opnieuw hebben toegewezen aan aminozuren. Wetenschappers zijn nu nieuwsgierig waarom sommige fagen codes hebben ontwikkeld die onverenigbaar zijn met de bacteriële vertaalsystemen van hun gastheer.
In een recente studie gebruikten Borges et al. een computationele benadering om fagen met gehercodeerde stopcodons te karakteriseren. Het doel van hun werk was inzicht te krijgen in het mechanisme van de hercodering, en de potentiële functie van hercodering met betrekking tot de faagbiologie. Ze ontdekten een wijdverbreid gebruik van gehercodeerde stopcodons in meerdere families, of clades, van fagen. Zes van de nieuw ontdekte clades hebben ze Garnet, Amethyst, Jade, Sapphire, Agate, and Topaz genoemd.
De onderzoekers identificeerden meerdere manieren waarop fagen mogelijk stopcodons aan aminozuren konden toewijzen. Zo ontdekten ze bijvoorbeeld dat veel van de fagen coderen voor moleculen die “suppressor transfer RNA’s” worden genoemd. Over het algemeen zijn transfer RNA’s (tRNA’s) een sleutelcomponent van de vertaling van eiwitten, omdat zij verantwoordelijk zijn voor het afleveren van het aminozuur, dat precies overeenkomt met het opgegeven codon, aan de vertaalmachine. Wanneer een stopcodon wordt aangetroffen, levert geen enkel tRNA een aminozuur af, en wordt de eiwitsynthese beëindigd. Dus zijn faag-gecodeerde suppressor tRNA’s, in tegenstelling tot “typische” tRNA’s, in staat de standaard stopcodons te herkennen en een ander aminozuur in te brengen.
Interessant is dat niet alle genen binnen één enkel faag genoom worden gehercodeerd. Meestal wordt er een alternatieve code gebruikt in bepaalde gebieden van het faaggenoom, zoals de structuur- en lysisgenen. Expressie van structurele en lysisgenen stelt de faag in staat zijn genetisch materiaal in te pakken, zijn gastheercel te doden, en dan verder te gaan met het infecteren van de volgende gastheercel. Deze genenreeksen zijn vaak nauwkeurig gereguleerd in een faag, omdat ze een belangrijke omschakeling in levensstijl bewerkstelligen: van sluimering in de gastheercel, tot celdood en infectie van een nieuwe gastheer. De genen die de faag in staat stellen in het genoom van de gastheer te integreren en een ruststadium in te stellen, maken daarentegen hoofdzakelijk gebruik van standaard genetische code. Ook de genen die coderen voor de onderdrukkende tRNA’s maken over het algemeen gebruik van de standaardcode.
Deze bevindingen deden de onderzoekers vermoeden dat genetische hercodering een rol zou kunnen spelen bij het reguleren van de beslissing om over te schakelen op faaglyse (het kapot gaan van de gastheercel). Het model is dat wanneer een faag een gastheer infecteert, de faag compatibele eiwitten met standaardcode produceert (met behulp van de bacteriële gastheermachinerie). Bij sommige fagen zorgen de eiwitten die bij deze stap worden geproduceerd voor een slapende fase in de gastheercel. Vervolgens worden faagmoleculen geproduceerd die “code-wisselaars” zijn, zoals de onderdrukkende tRNA’s. Dit heeft tot gevolg dat gehercodeerde genproducten die aanvankelijk niet werden gemaakt, nu wel worden gesynthetiseerd, waardoor de lysis van de gastheercel en de verspreiding van de faag in gang wordt gezet.
De resultaten van dit werk wijzen op de mogelijkheid van genetische recoding als een extra manier waarop fagen hun besluitvorming over hun levensstijl regelen. In de toekomst zal het onderzoek zich moeten richten op experimentele validatie van het model dat in dit werk wordt voorgesteld. De onderzoekers hebben bijvoorbeeld niet in alle fagen die alternatieve codering gebruiken onderdrukkende tRNA’s geïdentificeerd. Een mogelijkheid is dat, in het geval van twee fagen die een bacteriële gastheer co-infecteren, fagen die geen onderdrukker tRNA’s bevatten, gebruik kunnen maken van de onderdrukker tRNA’s die geproduceerd worden door de faag die wel in de gastheer aanwezig is. Een andere mogelijkheid is dat er aanvullende mechanismen van hercodering zijn die nog moeten worden ontdekt. Ook is nog onbekend wat de expressie van codewisselaars in deze fagen controleert, en het antwoord op deze vraag zou ons inzicht in de diverse ingangen die fagen gebruiken om hun biologie te reguleren kunnen vergroten.
Link to the original post: Borges, A.L., Lou, Y.C., Sachdeva, R. et al. Widespread stop-codon recoding in bacteriophages may regulate translation of lytic genes. Nat Microbiol 7, 918–927 (2022).
Featured image: bacteria-phage – Bing images
Vertaald door: Charlotte van de Velde
micro-bites.org 
