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Wissenschaftler schockiert über die erste Beobachtung, dass sich ein Virus an ein anderes anheftet – „Ich kann das nicht glauben“


Wissenschaftler schockiert über die erste Beobachtung, dass sich ein Virus an ein anderes anheftet – „Ich kann das nicht glauben“

Forscher entdeckten eine einzigartige virale Interaktion, bei der sich ein Satellitenbakteriophage physisch an einen Helferbakteriophagen bindet. Dieser bahnbrechende Befund, der ursprünglich auf eine Sequenzierungskontamination zurückging, offenbart eine neue Art viraler Beziehung und legt eine langfristige Koevolution zwischen den beiden Viren nahe.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass noch viele weitere ähnliche Systeme entdeckt werden müssen.

Niemand hatte jemals einen gesehen Virus Er heftete sich an einen anderen Virus, bis anomale Sequenzierungsergebnisse ein UMBC-Team in die Irre führten und zu einer einzigartigen Entdeckung führten.

Viren und ihre komplexen Beziehungen

Es ist bekannt, dass einige Viren, sogenannte Satelliten, nicht nur auf ihren Wirtsorganismus angewiesen sind, um ihren Lebenszyklus abzuschließen, sondern auch auf ein anderes Virus, das als „Helfer“ bekannt ist, erklärt Ivan Erill, Professor für Biowissenschaften. Das Satellitenvirus benötigt den Helfer entweder zum Aufbau seines Kapsids, einer Schutzhülle, die das genetische Material des Virus umschließt, oder um ihm bei der Replikation seines genetischen Materials zu helfen DNA.

Diese viralen Beziehungen erfordern, dass sich der Satellit und der Helfer zumindest vorübergehend in der Nähe zueinander befinden. Bisher sind jedoch keine Fälle bekannt, in denen sich ein Satellit tatsächlich an einen Helfer gebunden hat.

Satellitenvirus hat sich an seinen Helfer gebunden

Dieses kolorierte Transmissionselektronenmikroskopbild zeigt einen neu entdeckten Satellitenvirus, der an seinen Helfervirus gebunden ist. Diese Forschung stellt das erste Mal dar, dass Wissenschaftler beobachtet haben, dass ein Virus an ein anderes gebunden ist. Von den 50 beobachteten Helfern hatten 40 einen Satellitenflug. Die bioinformatische Analyse der Genomen des Satelliten und des Helfervirus liefert Hinweise darauf, warum sich der Satellit möglicherweise so entwickelt hat, dass er sich an den Helfer bindet, und legt nahe, dass sich dieses Paar möglicherweise seit etwa 100 Millionen Jahren gemeinsam entwickelt hat. Bildnachweis: Tagide deCarvalho

Eine bahnbrechende Beobachtung

In einem Artikel veröffentlicht in der Zeitschrift der International Society of Microbial Ecologybeschreiben ein UMBC-Team und Kollegen von der Washington University in St. Louis (WashU) die erste Beobachtung eines Satellitenbakteriophagen (ein Virus, der Bakterienzellen infiziert), der sich an seinem „Hals“ – dort, wo das Kapsid mit dem Schwanz verbunden ist – konsequent an einen Helferbakteriophagen bindet vom Virus.

In detaillierten elektronenmikroskopischen Bildern, die von Tagide deCarvalho, stellvertretender Direktor der Kerneinrichtungen des College of Natural and Mathematical Sciences und Erstautor der neuen Arbeit, aufgenommen wurden, zeigten 80 Prozent (40 von 50) Helfern, dass ein Satellit am Hals festgebunden war. Bei einigen Exemplaren, die keine Satellitenranken hatten, waren am Hals Reste vorhanden. Erill, leitender Autor des Artikels, beschreibt sie als „Bissspuren“.

Tagide deCarvalho

Tagide deCarvalho in der Keith R. Porter Imaging Facility. deCarvalho nutzte das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) der Einrichtung, um beeindruckende Bilder des Satelliten-Helfer-Virussystems aufzunehmen, das in der neuen Arbeit diskutiert wird. Bildnachweis: Marlayna Demond ’11/UMBC

„Als ich es sah, dachte ich: ‚Ich kann das nicht glauben‘“, sagt deCarvalho. „Niemand hat jemals gesehen, dass sich ein Bakteriophage – oder ein anderes Virus – an ein anderes Virus anheftet.“

Langfristige virale Partnerschaft

Nach den ersten Beobachtungen analysierte Elia Mascolo, ein Doktorand in Erills Forschungsgruppe und Co-Erstautor der Arbeit, die Genome des Satelliten, des Helfers und des Wirts, was weitere Hinweise auf diese noch nie dagewesene virale Beziehung ergab. Die meisten Satellitenviren enthalten ein Gen, das ihnen die Integration in das genetische Material der Wirtszelle ermöglicht, nachdem sie in die Zelle eingedrungen sind. Dadurch kann sich der Satellit immer dann reproduzieren, wenn ein Helfer die Zelle betritt. Die Wirtszelle kopiert bei der Teilung neben ihrer eigenen auch die DNA des Satelliten.

Ivan Erill

Ivan Erill ist Co-Leiter des SEA-PHAGES-Programms an der UMBC. Der Schwerpunkt seiner Forschungsgruppe liegt auf der Bioinformatik. Bildnachweis: Marlayna Demond ’11/UMBC

Eine Bakteriophagenprobe von WashU enthielt auch einen Helfer und einen Satelliten. Der WashU-Satellit verfügt über ein Integrationsgen und verbindet sich nicht direkt mit seinem Helfer, ähnlich wie zuvor beobachtete Satelliten-Helfersysteme.

Allerdings ist der Satellit in der UMBC-Probe, der von den Studenten, die ihn isoliert haben, MiniFlayer genannt wurde, der erste bekannte Fall eines Satelliten ohne Integrationsgen. Da es sich nicht in die DNA der Wirtszelle integrieren kann, muss es sich jedes Mal in der Nähe seines Helfers namens MindFlayer aufhalten, wenn es in eine Wirtszelle eindringt, wenn es überleben will. Obwohl das Team diese Erklärung nicht direkt bewiesen hat, „hat es absolut Sinn gemacht, sich jetzt anzuschließen“, sagt Erill, „denn sonst, wie soll man garantieren, dass man gleichzeitig in die Zelle eindringt?“

Zusätzliche bioinformatische Analyse von Mascolo und Julia López-Pérez, einer weiteren Doktorandin. Ein Student, der mit Erill zusammenarbeitete, enthüllte, dass sich MindFlayer und MiniFlayer schon seit langem gemeinsam weiterentwickelt haben. „Dieser Satellit hat sich seit, ich würde sagen, mindestens 100 Millionen Jahren darauf eingestellt und sein Genom so optimiert, dass es mit dem Helfer assoziiert wird“, sagt Erill, was darauf hindeutet, dass es möglicherweise noch viele weitere Fälle dieser Art von Beziehung gibt, die darauf warten, entdeckt zu werden .

Zufällige Kontamination oder bedeutsame Entdeckung?

Diese bahnbrechende Entdeckung hätte leicht übersehen werden können. Das Projekt begann wie ein typisches Semester im SEA-PHAGES-Programm – einem Forschungslehrplan, bei dem Studenten Bakteriophagen aus Umweltproben isolieren, sie zur Sequenzierung schicken und dann Bioinformatik-Tools verwenden, um die Ergebnisse zu analysieren. Als das Sequenzierungslabor der Universität Pittsburgh eine Kontamination in der Probe von UMBC meldete, von der erwartet wurde, dass sie den MindFlayer-Phagen enthielt, begann die Reise.

Steven Caruso

Steven Caruso ist Co-Leiter des SEA-PHAGES-Programms an der UMBC. Er führt auch pädagogische Forschung durch, um den naturwissenschaftlichen Unterricht zu verbessern. Bildnachweis: Marlayna Demond ’11/UMBC

Die Probe enthielt eine große Sequenz: den erwarteten Phagen. „Aber anstatt nur das zu finden, haben wir auch eine kleine Sequenz gefunden, die nichts mit dem zu tun hatte, was wir wussten“, sagt Erill, der neben Steven auch einer der Leiter des SEA-PHAGES-Programms der UMBC mit dem Namen Phage Hunters ist Caruso, Hauptdozent für Biowissenschaften. Caruso ’94, Ph.D. ’02, Biowissenschaften, führte die Isolierung erneut durch, schickte sie zur Sequenzierung – und erhielt identische Ergebnisse.

Zu diesem Zeitpunkt zog das Team deCarvalho hinzu, um sich ein Bild davon zu machen, was mit dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) in der Keith R. Porter Imaging Facility (KPIF) der UMBC vor sich ging. Ohne die Bilder wäre die Entdeckung unmöglich gewesen.

„Nicht jeder verfügt über ein TEM“, bemerkt deCarvalho. Aber mit den Instrumenten am KPIF, sagt deCarvalho, „kann ich einige dieser Beobachtungen weiterverfolgen und sie mit Bildgebung validieren.“ Es gibt Elemente der Entdeckung, die wir nur mit dem TEM machen können.“

Implikationen und zukünftige Forschung

Die Entdeckung des Teams schafft die Grundlage für zukünftige Arbeiten, um herauszufinden, wie sich der Satellit verbindet, wie häufig dieses Phänomen vorkommt und vieles mehr. „Es ist möglich, dass viele der Bakteriophagen, von denen man dachte, sie seien kontaminiert, tatsächlich diese Satelliten-Helfersysteme waren“, sagt deCarvalho. „Mit diesem Papier könnten die Menschen nun möglicherweise mehr dieser Systeme erkennen.“

Referenz: „Gleichzeitiger Eintritt als Anpassung an die Virulenz in einem neuartigen Satelliten-Helfersystem, das Streptomyces infiziert.“ Spezies” von Tagide deCarvalho, Elia Mascolo, Steven M. Caruso, Júlia López-Pérez, Kathleen Weston-Hafer, Christopher Shaffer und Ivan Erill, 31. Oktober 2023, Das ISME Journal.
DOI: 10.1038/s41396-023-01548-0

Wissenschaftler schockiert über die erste Beobachtung, dass sich ein Virus an ein anderes anheftet – „Ich kann das nicht glauben“

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