Hoppa direkt till innehållet
printicon
Huvudmenyn dold.
Publicerad: 29 apr, 2020

Hur bakterier drar i nödbromsen för att stoppa sin tillväxt

NYHET Ett internationellt team under ledning av forskare i Umeå har upptäckt ett system av toxin- och antitoxinproteiner i bakterier som bakterierna kan använda för att försvara sig mot virusattacker.

När bakterier stressas, exempelvis under en antibiotikabehandling eller näringsbrist, bromsar de sin tillväxt med hjälp av små signalmolekyler som kallas Alarmoner. Forskargrupperna ledda av Gemma C. Atkinson och Vasili Hauryliuk vid Umeå universitet och forskningscentret Umeå Center for Microbiological Research, UCMR, har under många år studerat proteiner som bildar eller bryter ner alarmoner.

I tidigare studier upptäckte forskarna att bakterier innehåller gener som kodar för små alarmonsyntetaser, SAS. Det har hittills varit oklart varför bakterier bär dessa proteiner då de också har standardenzymer för alarmon-syntes och -nedbrytning. Nu har Gemma C. Atkinson, Vasili Hauryliuk och deras kollegor hittat en förklaring. De har funnit att några SAS är komponenter av toxin-antitoxin- system.

Toxin-antitoxin gener är gåtfulla komponenter i mikrobiella genom. Även om toxinerna kan fungera på olika sätt leder de alla till en tvärbromsning av tillväxt och reproduktion. Denna effekt motverkas av antitoxiner som kodas av angränsande gener. Antitoxiner kan också fungera på olika sätt. Antingen vidhäftar de direkt till ett toxin för att blockera dess verkan eller så motverkar de toxinets effekt på ett indirekt sätt.

– Det är nästan paradoxalt, men förmågan av ett alarmon att nedreglera tillväxt för fortsatt överlevnad är också det som ger den toxiska potentialen. Vi har upptäckt att toxiska SAS, toxSAS, producerar ett alarmon kallat ppApp vilket tvärbromsar tillväxten på ett så dramatiskt sätt att det är giftigt. Den starka inbromsningen kan återställas av antitoxiner, förklarar Gemma Atkinson.

Liksom det tidigare i Umeå utforskade CRISPR-Cas9 systemet kan ToxSAS vara en försvarsmekanism med vilken bakterier försvarar sig mot virusattacker. Från tidigare studier var det känt att ett protein - nu känt för att vara ett toxSAS - kodat i virus-DNA som gömmer sig i ett bakteriegenom kunde skydda mot infektion med ett andra virus. Umeå-teamet har nu upptäckt att många virus som infekterar bakterier bär på toxSAS och - ännu oftare - små alarmonhydrolaser, vilket bryter ner alarmoner och skulle göra det möjligt för dem att kringgå en toxSAS-baserad försvarsmekanism.

Gemma Atkinson och hennes kollegor upptäckte ToxSAS toxin-antitoxingener med ett egenutvecklat bioinformatikverktyg som kallas FlaGs. FlaGs står för flankerande gener och analyserar hur till varandra angränsande gener förändras eller bevaras under evolutionen. Det kan appliceras för att upptäcka funktionella associationer av ett protein, inte bara för toxin-antitoxinsystem. Bioinformatikverktyget finns tillgängligt på https://github.com/GCA-VH-lab/FlaGs, och en webbserver på http://www.webflags.se/.

Många tekniker som används i genetiska och molekylärbiologiska laboratorier har utvecklats från upptäckter av smarta mekanismer i bakteriers verktygslåda. CRISPR-Cas9-systemet, det enkla och exakta verktyget som nu används för genmodifiering, är baserat på en mekanism som bakterier använder för att försvara sig mot virusattacker.

– Vem vet, den nyupptäckta toxin-antitoxinregleringen av alarmoner kan en dag vara ytterligare ett verktyg för terapeutisk eller bioteknologisk reglering av bakterietillväxt, kommenterade Atkinson de nya resultaten.

Studien av proteinerna och deras experimentella validering publiceras i den vetenskapliga tidskriften PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 28th of April 2020, https://www.pnas.org/content/early/2020/04/27/1916617117 DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1916617117 

Om publiceringen

A widespread toxin-antitoxin system exploiting growth control via alarmone signaling
Steffi Jimmy, Chayan Kumar Saha, Tatsuaki Kurata, Constantine Stavropoulos, Sofia Raquel Alves Oliveira, Alan Koh, Albinas Cepauskas, Hiraku Takada, Dominik Rejman,Tanel Tenson, Henrik Strahl, Abel Garcia-Pino, Vasili Hauryliuk, Gemma C. Atkinson
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS, 20 April 2020.

Tre medlemmar av Umeå-teamet delar första författarskapet på PNAS-artikeln: Steffi Jimmy, Chayan Kumar Saha och Tatsuaki Kurata. Doktoranden Chayan Kumar Saha stod för de flesta bioinformatiska analyser och drev utvecklingen av FlaGs-verktyget. Doktoranderna Steffi Jimmy och Sofia Oliveira (Universitetet i Tartu) och postdoktor Tatsuaki Kurata genomförde valideringen av toxicitet och neutralisering av toxSAS och upptäckte att toxSAS  syntetiserar den nya alarmonen ppApp .

I denna studie var även forskare från följande internationella organisationer delaktiga:
Universitet i Tartu, Tartu, Estland, Cellular and Molecular Microbiology, Faculté des Sciences, Université Libre de Bruxelles, Gosselies, Belgien, Walloon Excellence in Life Sciences and Biotechnology (WELBIO), Belgien, Centre for Bacterial Cell Biology, Biosciences Institute, Newcastle University, Newcastle upon Tyne, Storbritannien, Institute of Organic Chemistry and Biochemistry, Academy of Sciences of the Czech Republic, Prague, Tjeckien

Kontakt

Gemma Atkinson
Övrig/annan befattning
E-post
E-post
Telefon
070-607 03 15
Vasili Hauryliuk
Forskare, övrig/annan befattning
E-post
E-post
Telefon
090-785 08 07