Phagen können bakterielle DNA-Schäden wahrnehmen, was sie dazu veranlasst, sich zu replizieren und das Schiff zu verlassen. Design Cells/iStock über Getty Images Plus
Nach mehr als zwei Jahren der COVID-19-Pandemie können Sie sich einen Virus als einen fiesen, mit Stacheln versehenen Ball vorstellen – einen geistlosen Killer, der in eine Zelle eindringt und ihre Maschinerie entführt, um eine Unmenge von Kopien von sich selbst zu erstellen, bevor er ausbricht. Für viele Viren, einschließlich der Coronavirus, das COVID-19 verursacht, der Beiname „geistloser Killer“ ist im Wesentlichen wahr.
Aber die Virusbiologie hat mehr zu bieten, als man auf den ersten Blick sieht.
Nehmen Sie HIV, das Virus, das verursacht AIDS. HIV ist ein Retrovirus das nicht direkt auf Amoklauf geht, wenn es in eine Zelle kommt. Stattdessen integriert es sich in Ihre Chromosomen und Schüttelfrost und wartet auf den richtigen Moment, um der Zelle zu befehlen, Kopien davon anzufertigen und auszubrechen, um andere Immunzellen zu infizieren und schließlich AIDS zu verursachen.
Auf welchen Moment HIV genau wartet, ist noch ein Bereich des aktiven Studiums. Aber die Forschung zu anderen Viren deutet seit langem darauf hin, dass diese Krankheitserreger beim Töten sehr „nachdenklich“ sein können. Natürlich können Viren nicht so denken wie Sie und ich. Aber wie sich herausstellt, hat die Evolution sie mit einigen ziemlich ausgeklügelten Entscheidungsmechanismen ausgestattet. Einige Viren entscheiden sich zum Beispiel dafür, die Zelle, in der sie sich aufgehalten haben, zu verlassen, wenn sie DNA-Schäden entdecken. Nicht einmal Viren, so scheint es, halten sich gern in einem sinkenden Schiff auf.
My Labor studiert die Molekularbiologie von Bakteriophagen, oder kurz Phagen, die Viren, die Bakterien infizieren, seit über zwei Jahrzehnten. Kürzlich haben meine Kollegen und ich habe gezeigt dass Phagen auf wichtige zelluläre Signale hören können, die ihnen bei ihrer Entscheidungsfindung helfen. Schlimmer noch, sie können die eigenen „Ohren“ der Zelle verwenden, um das Abhören für sie zu übernehmen.
Flucht vor DNA-Schäden
Wenn der Feind Ihres Feindes Ihr Freund ist, sind Phagen sicherlich Ihre Freunde. Phagen Bakterienpopulationen kontrollieren in der Natur, und Kliniker verwenden sie zunehmend dazu bakterielle Infektionen behandeln die nicht auf Antibiotika ansprechen.
Der am besten untersuchte Phage, LambdaSie wirkt ein bisschen wie HIV. Beim Eintritt in die Bakterienzelle entscheidet Lambda, ob es sich repliziert und die Zelle sofort tötet, wie es die meisten Viren tun, oder sich selbst in das Chromosom der Zelle integriert, wie es HIV tut. Im letzteren Fall repliziert sich Lambda bei jeder Teilung der Bakterien harmlos mit seinem Wirt.
Dieses Video zeigt einen Lambda-Phagen, der E. coli infiziert.
Aber wie HIV ist Lambda nicht nur untätig. Es verwendet ein spezielles Protein namens CI wie ein Stethoskop, um auf Anzeichen von DNA-Schäden in der Bakterienzelle zu lauschen. Wenn die DNA des Bakteriums kompromittiert wird, ist das eine schlechte Nachricht für den darin eingebetteten Lambda-Phagen. Beschädigte DNA führt direkt auf die Deponie der Evolution, weil sie für den Phagen, der sie zur Vermehrung benötigt, nutzlos ist. Also schaltet Lambda seine Replikationsgene ein, erstellt Kopien von sich selbst und bricht aus der Zelle aus, um nach weiteren unbeschädigten Zellen zu suchen, die infiziert werden können.
Das Kommunikationssystem der Zelle anzapfen
Einige Phagen, anstatt Informationen mit ihren eigenen Proteinen zu sammeln, tippen auf den ureigenen DNA-Schadenssensor der infizierten Zelle: LexA.
Proteine wie CI und LexA sind Transkriptionsfaktoren die Gene ein- und ausschalten, indem sie an spezifische genetische Muster innerhalb des DNA-Anweisungsbuchs, das das Chromosom ist, binden. Einige Phagen wie Coliphage 186 haben herausgefunden, dass sie ihr eigenes virales CI-Protein nicht benötigen, wenn sie eine kurze DNA-Sequenz in ihren Chromosomen haben, an die bakterielles LexA binden kann. Beim Erkennen von DNA-Schäden aktiviert LexA die Replikations- und Abtötungsgene des Phagen, wodurch die Zelle im Wesentlichen doppelt gekreuzt wird, damit sie Selbstmord begeht, während der Phage entkommen kann.
Wissenschaftler berichteten zuerst über die Rolle von CI bei der Entscheidungsfindung von Phagen in den 1980s und der Spionageabwehrtrick von Coliphage 186 in den späten 1990er Jahren. Seitdem gab es einige andere Berichte über Phagen, die bakterielle Kommunikationssysteme anzapfen. Ein Beispiel ist Phage phi29, das den Transkriptionsfaktor seines Wirts ausnutzt, um zu erkennen, wann das Bakterium bereit ist, eine Spore oder eine Art Bakterienei zu erzeugen in der Lage, extreme Umgebungen zu überstehen. Phi29 weist die Zelle an, ihre DNA in die Spore zu verpacken und die aufkeimenden Bakterien abzutöten, sobald die Spore keimt.
Transkriptionsfaktoren schalten Gene an und aus.
In unserer kürzlich veröffentlichte Forschungzeigen meine Kollegen und ich, dass mehrere Gruppen von Phagen unabhängig voneinander die Fähigkeit entwickelt haben, ein weiteres bakterielles Kommunikationssystem anzuzapfen: das CtrA-Protein. CtrA integriert mehrere interne und externe Signale, um verschiedene Entwicklungsprozesse in Bakterien in Gang zu setzen. Der Schlüssel dazu ist die Produktion von bakteriellen Anhängseln genannt Flagellen und Pili. Es stellte sich heraus, dass sich diese Phagen an die Pili und Flagellen von Bakterien anheften, um sie zu infizieren.
Unsere Haupthypothese ist, dass Phagen CtrA verwenden, um abzuschätzen, wann es genügend Bakterien mit Pili und Flagellen in der Nähe gibt, die sie leicht infizieren können. Ein ziemlich cleverer Trick für einen „hirnlosen Killer“.
Dies sind nicht die einzigen Phagen, die komplizierte Entscheidungen treffen – und das alles ohne den Vorteil, überhaupt ein Gehirn zu haben. Einige Phagen, die infizieren Bazillus Bakterien produzieren jedes Mal, wenn sie eine Zelle infizieren, ein kleines Molekül. Die Phagen können dieses Molekül spüren und dazu verwenden Zählen Sie die Anzahl der Phageninfektionen um sie herum stattfindet. Wie bei außerirdischen Eindringlingen hilft diese Zählung bei der Entscheidung, wann sie ihre Replikations- und Tötungsgene einschalten und nur dann töten sollten, wenn es relativ viele Wirte gibt. Auf diese Weise stellen die Phagen sicher, dass ihnen nie die Wirte zum Infizieren ausgehen und sichern ihr eigenes langfristiges Überleben.
Bekämpfung der viralen Spionageabwehr
Sie fragen sich vielleicht, warum Sie sich um Spionageabwehroperationen kümmern sollten, die von bakteriellen Viren ausgeführt werden. Während sich Bakterien sehr von Menschen unterscheiden, sind es die Viren, die sie infizieren nicht so anders von den Viren, die Menschen infizieren. Ja schon jeden einzelnen Trick von Phagen gespielt wird, wurde später gezeigt, dass es von menschlichen Viren verwendet wird. Wenn ein Phage bakterielle Kommunikationsleitungen anzapfen kann, warum sollte ein menschlicher Virus Ihre nicht anzapfen?
Bisher wissen die Forscher nicht, worauf menschliche Viren lauschen könnten, wenn sie diese Leitungen kapern, aber viele Möglichkeiten kommen mir in den Sinn. Ich glaube, dass menschliche Viren wie Phagen möglicherweise in der Lage sein könnten, ihre Anzahl zu zählen, um Strategien zu entwickeln, Zellwachstum und Gewebebildung zu erkennen und sogar Immunantworten zu überwachen. Im Moment sind diese Möglichkeiten nur Spekulation, aber wissenschaftliche Untersuchungen sind im Gange.
Viren zu haben, die die privaten Gespräche Ihrer Zellen abhören, ist nicht das rosigste Bild, aber es ist nicht ohne einen Silberstreif am Horizont. Wie Geheimdienste auf der ganzen Welt wissen, funktioniert Spionageabwehr nur, wenn sie verdeckt ist. Einmal entdeckt, kann das System sehr leicht ausgenutzt werden, um Ihren Feind mit Fehlinformationen zu versorgen. In ähnlicher Weise glaube ich, dass zukünftige antivirale Therapien in der Lage sein könnten, konventionelle Artillerie, wie Virostatika, die die Virusreplikation verhindern, mit Tricks der Informationskriegsführung zu kombinieren, z. B. dem Virus glauben zu machen, dass die Zelle, in der es sich befindet, zu einem anderen Gewebe gehört.
Aber sei still, sag es niemandem. Viren könnten zuhören!
Über den Autor
Ivan Erill, außerordentlicher Professor für Biowissenschaften, Universität von Maryland, Baltimore Grafschaft
Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.
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