Microbiologie in hapklare porties
Bacteriële afweersystemen bundelen krachten tegen faaginfecties
In hun natuurlijke omgeving worden bacteriën voortdurend bedreigd door virussen die bekend staan als bacteriofagen (of kortweg fagen). Deze virussen infecteren specifiek bacteriën, waarbij ze de cellulaire machinerie van de bacteriën kapen om zichzelf te repliceren en nieuwe fagen te produceren. Zodra de replicatie is voltooid, gebruiken fagen specifieke eiwitten om de bacteriële cel open te breken in een proces dat lysis wordt genoemd. Hierdoor komen de nieuwgevormde fagen vrij in de omgeving, wat leidt tot de dood van de bacteriële gastheer.
Bacteriën blijven echter niet passief wachten op hun vernietiging. Net zoals mensen een immuunsysteem hebben om verschillende ziekteverwekkers te bestrijden, hebben bacteriën tal van strategieën ontwikkeld om faaginfecties te weren.
Het bacteriële immuunsysteem is divers en richt zich op verschillende stadia van de faag levenscyclus, van het injecteren van DNA tot de lysisfase. Bekende verdedigingsmechanismen zijn onder andere CRISPR-Cas en restrictie-modificatiesystemen, die het binnendringende faag-DNA doorknippen. Andere systemen remmen de virale transcriptie, verstoren de assemblage van faagdeeltjes of putten essentiële bacteriële componenten uit, waardoor faagreplicatie wordt verhinderd. Momenteel zijn er meer dan 150 verdedigingssystemen beschreven, en bacteriën bezitten doorgaans ongeveer vijf verschillende systemen. De meeste onderzoeken richten zich op individuele verdedigingssystemen, en slechts enkele studies onderzoeken hoe deze systemen met elkaar samenwerken. Dit onderzoek richt zich op de interacties tussen verdedigingssystemen, met de hypothese dat systemen die vaak samen voorkomen, synergetische effecten hebben. Hierdoor zouden bacteriën deze combinaties kunnen hebben geselecteerd, omdat ze samen effectiever zijn in het beschermen tegen fagen dan elk systeem afzonderlijk.
In de eerste stap richtten de onderzoekers zich op de bacteriesoort Escherichia coli, waarbij ze bio-informatica gebruikten om bekende verdedigingssystemen te voorspellen in meer dan 20.000 genomen. Door correlaties te analyseren, ontdekten ze dat sommige systemen vaak samen voorkomen in hetzelfde genoom (co-occurreren), terwijl andere systemen elkaar zelden tegenkomen (elkaar wederzijds uitsluiten). Het is bekend dat verdedigingssystemen vaak samen gelokaliseerd zijn op specifieke plaatsen in bacteriële genomen, zogenaamde “verdedigingseilanden”. Dit vergemakkelijkt hun gezamenlijke overdracht van de ene bacterie naar de andere via horizontale genoverdracht. Verrassend genoeg bleken zelfs systemen die ver van elkaar verwijderd zijn, vaak samen voor te komen, niet alleen die binnen dezelfde verdedigingseilanden. Hieruit concludeerden de onderzoekers dat de reden waarom sommige systemen vaak samen worden aangetroffen, mogelijk is dat ze effectiever zijn in combinatie.
Vervolgens testten de onderzoekers deze hypothese experimenteel door verschillende verdedigingssystemen te combineren en te kijken hoe goed ze fagen konden bestrijden. Zo bleek dat E. coli met alleen het Gabija-verdedigingssysteem of het tmn-systeem weinig effect had tegen de fagen T1, T3 en T4. Maar wanneer beide systemen werden gecombineerd in dezelfde stam, waren ze veel effectiever in het bestrijden van deze fagen. Voor faag T1 leidde de combinatie van beide systemen tot 1000 keer minder vrijgekomen fagen. Over het algemeen testten de onderzoekers drie verschillende combinaties van systemen tegen 29 fagen en ontdekten ze dat deze systemen samen beter werkten dan afzonderlijk. Bovendien hadden bacteriën met gecombineerde verdediging een aanzienlijk voordeel, waardoor ze konden overleven en zich gemakkelijker konden ontwikkelen in de aanwezigheid van fagen dan bacteriën met slechts één verdedigingssysteem.De onderzoekers onderzochten ook een paar verdedigingssystemen, genaamd Zorya II en ietAS, die meestal niet samen voorkomen in E. coli. Verrassend genoeg werkten deze systemen, wanneer gecombineerd, erg goed tegen faag T3. Door te kijken naar hoe verdedigingssystemen zijn verspreid in andere bacterieorden (zoals Bacillales en Pseudomonales), ontdekten ze dat de patronen van co-occurreren kunnen verschillen. Verdedigingssystemen die vaak samen voorkomen in E. coli, kunnen elkaar uitsluiten in andere bacteriën. Dit betekent dat de reden waarom sommige systemen niet samen worden aangetroffen, niet alleen is dat ze niet compatibel zijn.
Over het geheel genomen benadrukt dit onderzoek dat gecombineerde bacteriële verdedigingssystemen vaak leiden tot een betere bescherming tegen fagen. Dit toont aan dat bacteriën verschillende strategieën hebben ontwikkeld om verschillende typen fagen met wisselende gevoeligheden aan te pakken. Aangezien verdedigingssystemen over het algemeen compatibel zijn, wordt het verdedigingsarsenaal van een specifieke bacterie sterk beïnvloed door zijn omgeving en de soorten circulerende fagen.
Additional references:
Tesson, F., Hervé, A., Mordret, E., Touchon, M., D’humières, C., Cury, J., & Bernheim, A. (2022). Systematic and quantitative view of the antiviral arsenal of prokaryotes. Nature communications, 13(1), 2561.
Mayo-Muñoz, D., Pinilla-Redondo, R., Birkholz, N., & Fineran, P. C. (2023). A host of armor: prokaryotic immune strategies against mobile genetic elements. Cell Reports, 42(7).
Featured image: From https://www.gutmicrobiotaforhealth.com/the-crosstalk-between-bacteriophages-and-commensal-bacteria-contributes-to-the-gut-ecosystems-stability/
Vertaald door: Mira Stas
micro-bites.org 