Wie Bakterien zu unterscheiden schädlichen vs. hilfreich Viren

Wenn sie nicht damit beschäftigt , uns anzugreifen , Keime gehen nach einander. Aber wenn Viren dringen Bakterien, es muss nicht immer eine Katastrophe für die Mikroben infiziert : Manchmal Viren tatsächlich hilfreich Gene, die ein Bakterium kann zu nutzen , sagen wir, erweitern ihre Diät oder besser angreifen seinen eigenen Rechner durchzuführen .


Oben, Partikel des Virus ΦNM1 , angewandt in verschiedenen Konzentrationen , abgetöteten Zellen in der Staphylococcus aureus " Rasen ", die Schaffung klarer Plaques . Forscher haben gezeigt, Staph kann erkennen, ob ein Virus , wie ΦNM1 , ist destruktiv oder potenziell hilfreich.
Credit: Zach Veilleux / Rockefeller University

Wissenschaftler haben die bakteriellen Version eines Immunsystems angenommen würde robotically nichts als eindringende Virusgene erkannt zu zerstören. Allerdings haben neue Experimente an der Rockefeller University jetzt gezeigt, dass eine Vielzahl der bakteriellen Immunsystems als CRISPR - Cas -System bekannt sind, können virale Feind von Freund zu unterscheiden. Und , berichten die Forscher in einem Papier veröffentlicht in der Natur , es tut dies durch die Beobachtung für ein bestimmtes Stichwort.

"Transkription - ein erster Schritt in dem Prozess, der Gene , einschließlich derjenigen von Viren liest - macht den Unterschied ", sagt Forscher Luciano Marraffini , Leiter des Labors für Bakteriologie . "Der vollständige Genom von Viren in ihre lytische oder destruktive Phase wird transkribiert. Inzwischen einige der Gene eines Virus während seiner lysogenen oder Ruhephase transkribiert. "

Viren in ihre lytische Phase machen Kopien von sich selbst mit Maschinen einer Zelle , bevor es zu zerstören , um diese neuen Viren zu befreien. Viren in ihre lysogenen Phase unterdessen ruhig Integration in das Erbgut eines Hosts . Und das ist , wo sie bieten ihren potenziellen Nutzen für die Bakterien, die virale Gene für ihre eigenen Zwecke zu kooptieren . In der Tat sind einige krankheitserregenden Mikroben , wie beispielsweise die für Bakterium verantwortlich Diphtherie , Müssen, um Menschen anzugreifen holen die richtige Virus.

Wissenschaftler haben nur dieses adaptive bakteriellen Immunsystems entdeckt vor relativ kurzer Zeit . Seine Funktion beruht auf CRISPRs , DNA-Abschnitte , die sich wiederholenden Sequenzen mit einzigartigen Sequenzen genannt Abstandhalter durchsetzt enthalten . ( CRISPR steht für gruppierte regelmäßig beabstandeten kurzen palindromischen Repeats ). Die Spacer-Sequenzen entsprechen den Sequenzen in der viralen genetischen Codes , die es ermöglicht, Enzyme durch CRISPR -assoziierten Genen ( Cas ) codiert, um hacken einzigen Spacer-Sequenzen von der RNA aus den transkribierten CRISPR DNA . Andere Cas Enzyme dann diese Spacer-Sequenzen als Leitlinien für die Invasoren zur Vernichtung Ziel.

Das System kann auf neue Eindringlinge durch den Erwerb neuer Spacer-Sequenzen , um sie gezielt anzupassen. Vor kurzem haben CRISPR - Cas -Systeme erhebliche wissenschaftliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen , weil ihre Fähigkeit, zielgenaue Schnitte in DNA machen kann setzen, um zu verwenden gentechnisch alle Arten von Zellen sein.

" Unser Verständnis von CRISPR - Cas -Systeme bleibt in der Anfangsphase , aber , so weit, es wurde allgemein gedacht, es fehlt eine anspruchsvolle Art und Weise der Unterscheidung ihre Ziele . Mit anderen Worten, wenn sie etwas zielen , wird es zerkleinert werden" , sagt die Studie führen Autor, Doktorand Gregor Goldberg . " Zum ersten Mal , unsere Arbeit hat gezeigt, dass ein CRISPR - Cas -System , eine in Staphylococcus Bakterien gefunden , kann erkennen , ob ein Virus ist in seiner zerstörerischen Phase und stellt eine unmittelbare Bedrohung . "

Die meisten früheren Arbeiten auf lytische Viren konzentriert. Allerdings Staphylokokken Gastgeber viele Viren in der Lage, die Eingabe eines lysogenen Phase . Die Forscher entdeckt auch einen aufschluss Asymmetrie in die Fähigkeit der Staphylokokken CRISPR Systems , um eine Folge und sein Gegenstück auf beiden Stränge der DNA kostenlose zielgerichteter . Sie vermuteten, diese Diskrepanz ist entstanden, weil die Transkription in eine einzige Richtung für die meisten viralen Gene , also eine der beiden Zielstränge nicht transkribiert.

"Der große clue zeigte sich, wenn wir isoliert einem mutierten Virus , der zur Zerstörung entziehen verwaltet. Manchmal Viren kann dies durch eine Mutation in einer Zielsequenz , die das System von verhindert tun identifizieren. Wenn wir jedoch sequenzierten das Genom dieser Phagen , fanden wir, eine Mutation in einer Region, die anstelle der Transkription fördert ", sagt Goldberg .

In einer Reihe von Experimenten , er und Kollegen testeten ihre Hypothese, dass die Staphylokokken- CRISPR - CAS-System , als Typ III -A bekannt ist, kann eine Infektion durch einen lysogenen Virus tolerieren , solange die Zielsequenzen nicht transkribiert. Sie entwickelt eine Zielsequenz , die die Transkription nur in Gegenwart eines bestimmten chemischen laufen würde . Als Ergebnis wird nur der Typ III -A CRISPR - CAS-System zerstört das Ziel in der Anwesenheit dieses chemisch.

"Diese Entdeckung eines Transkriptions Anforderung wahrscheinlich viele, die mit diesen Systemen arbeiten zu überraschen ", sagt Marraffini . "Auch wenn wir noch nicht den Mechanismus dahinter zu verstehen , können wir sagen , dass der Typ -III -A -System ist ganz anders als andere CRISPR - Cas -Systeme , von denen gibt es eine geheimnisvolle Weise reiche Auswahl . Unsere Entdeckung deutet auf die Möglichkeit , dass jeder CRISPR Typ und Untertyp erkennt und zerstört seine Ziele auf unterschiedliche Weise, jeder in der Melodie mit einem bestimmten Bakterium Bedürfnisse . Wenn diese verschiedenen Targeting -Mechanismen existieren , könnten sie wichtige Implikationen für die Biotechnologie zu haben. "