Neuen Studien zufolge, die diese Woche in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurden, schaffen Bakterien völlig neue Gene, die normalerweise nicht in ihrem Genom vorhanden sind. Diese Gene, die von den entdeckenden Forscherteams als neo bezeichnet werden, produzieren dann Proteine, die virale Eindringlinge blockieren. Die Ergebnisse sind ein weiteres Beispiel dafür, wie genetische Informationen auf mehr als einem Weg fließen können - von der DNA über die RNA bis hin zu den Proteinen - und lassen vermuten, dass sich ähnliche Gene auch in anderen Organismen, einschließlich des Menschen, verbergen.
Die Studien deuten darauf hin, dass Bakterien Enzyme, so genannte reverse Transkriptasen, verwenden, um ihre neuen Gene zusammenzusetzen, die eine wichtige zelluläre Funktion umkehren. Normalerweise verwenden Zellen zunächst die in der DNA eines Gens kodierten Informationen, um RNA-Moleküle zu produzieren, vor allem Boten-RNAs (mRNAs), die Anweisungen für die Proteinsynthese enthalten. Reverse Transkriptasen können diesen Prozess jedoch umkehren und DNA-Varianten von RNA-Molekülen produzieren. Enzyme, die in Viren entdeckt wurden, die zuerst Tumore verursachten, ermöglichen es beispielsweise auch HIV, menschliche Zellen zu kontrollieren. Doch auch viele Bakterien stellen reverse Transkriptasen her, und neue Forschungsergebnisse zeigen, wie mindestens eine Bakterienart sie einsetzt, um Viren, so genannte Phagen, zu bekämpfen.
Die beiden Forscherteams, die diesen Mechanismus entdeckt haben, haben unabhängig voneinander daran gearbeitet, den mysteriösen Anti-Phagen-Abwehrmechanismus zu verstehen, den Feng Zhang, ein Molekularbiologe am Massachusetts Institute of Technology - ein Pionier des CRISPR-Gen-Editierens - und seine Kollegen im Jahr 2020 in bestimmten Bakterien identifiziert haben. Die bakterielle DNA, die für dieses Abwehrsystem kodiert, enthält die Sequenz eines kurzen RNA-Moleküls, das offenbar nicht in ein Protein umgewandelt worden ist. Sie enthielt auch das Gen für die reverse Transkriptase. Wie aber ein DNA-produzierendes Enzym für die Abwehr von Phagen verantwortlich sein kann, war bisher ein Rätsel, sagt Stephen Tang, Doktorand an der Columbia University.
Tang leitete zusammen mit seinem Doktorvater Samuel Sternberg eines der Forschungsteams, die begannen, das Rätsel zu entschlüsseln, während Zhang und sein Postdoktorand Max Wilkinson das andere Team leiteten. Beide Gruppen transplantierten die DNA, die das Abwehrsystem eines Darmbakteriums kodiert, in das Laborbakterium Escherichia coli . Sie fanden heraus, dass die E. coli-Zellen eine kryptische DNA-Variante aus kurzen RNA-Segmenten mit Hilfe der reversen Transkriptase entwickelten, wenn sie von Phagen angegriffen wurden. Die DNA war recht seltsam und enthielt in der Regel viele Kopien - manchmal mehr als 100 - der gleichen Sequenz aneinandergereiht. Normalerweise verlässt die reverse Transkriptase den RNA-Strang, nachdem sie mit der Herstellung der DNA fertig ist, aber in den veränderten E. coli wurde beobachtet, dass das Enzym immer wieder zum Anfang des Strangs zurückkehrt, als würde es eine Melodie wiederholen.
Die Erklärung für dieses Rätsel liegt wahrscheinlich in der Art und Weise, wie Zellen die DNA von Genen ablesen, um Proteine herzustellen. Um die benötigte mRNA zu produzieren, muss eine Gruppe von Proteinen zunächst zu einer DNA-Region gelangen, die als Promotor bezeichnet wird und sich in der Nähe des Gens befindet. Im Fall von neo enthält jedes sich wiederholende Segment zwei Promotorfragmente, die sich jedoch an entgegengesetzten Enden des Segments befinden. Indem sie die Enden der Wiederholungen zu einem zusammenhängenden DNA-Fragment verbinden, fügen die Bakterien die beiden Fragmente zu einem funktionierenden Promotor zusammen, sagt Wilkinson.
Dieser Promotor und die neu geschaffene DNA aus der RNA können dann wie ein typisches proteincodierendes Gen funktionieren. Dieses Protein, das nur produziert wird, wenn Bakterien angegriffen werden, zwingt die Zellen in einen Ruhezustand, der die Phagen daran hindert, sich in ihnen zu vermehren, wie Tang und Kollegen zeigten. "Wenn die Wirtszelle ruht, hat das Virus keine Ressourcen, um sich zu vermehren", sagt Tang.
Warum die Zellen zu dieser komplizierten Lösung greifen, anstatt ständig das antivirale Protein zu produzieren, ist noch nicht klar. Eine Möglichkeit ist, dass das Neo-Protein so stark ist, dass es gesunde Zellen ausschalten würde, so dass die Bakterien es nur in einer Krisensituation aktivieren. Alternativ könnte der Mechanismus auch gegen eine der Infektionstaktiken der Phagen gerichtet sein, sagt Wilkinson. Wenn Viren in ein Bakterium eindringen, fragmentieren sie normalerweise dessen DNA. Wenn das Bakterium jedoch ein neues antivirales Gen mit Hilfe seiner bereits vorhandenen reversen Transkriptase und Promotor-codierenden RNA erzeugen kann, kann es sich immer noch wehren.
Die Studien unterstützen und ergänzen sich gegenseitig, sagt Irina Arkhipova, Molekulargenetikerin am Marine Biological Laboratory. Dieses "Do-it-yourself"-System zum Aufbau von Genen wurde in der Natur bisher noch nicht gefunden, und die Entdeckung könnte den Weg für mögliche Anwendungen ebnen. So könnten Gentechniker diesen Mechanismus nutzen, um Zellen zur Produktion neuer Proteine zu veranlassen. Etwa 5 % der Bakterien tragen die DNA des Abwehrsystems in sich, aber es ist möglich, dass die Lösung noch weiter verbreitet ist, sogar beim Menschen.
