Dokument: Role of secondary metabolites in antiphage defense in Streptomyces

Titel:	Role of secondary metabolites in antiphage defense in Streptomyces
Weiterer Titel:	Die Rolle von Sekundärmetaboliten bei der Verteidigung gegen Bakteriophagen in Streptomyces
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=59611
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20220523-104344-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Hardy, Aël [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 28,48 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 13.05.2022 / geändert 13.05.2022
Beitragende:	Prof. Dr. Frunzke, Julia [Gutachter] Prof. Dr. Groth, Georg [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Bakteriophagen (Phagen) sind Viren, die Bakterien befallen und als solche eine große und allgegenwärtige Bedrohung für bakterielle Gemeinschaften darstellen. Um mit viralen Herausforderungen fertig zu werden, haben Bakterien ein breit gefächertes Arsenal an Abwehrsystemen entwickelt. Es ist jedoch bekannt, dass sich dieses Repertoire vorwiegend auf Protein- oder RNA-Effektoren stützt. Andererseits produzieren Bakterien eine außerordentliche Vielfalt an Sekundärmetaboliten, deren physiologische Funktion oft unbekannt ist. In dieser Arbeit erforschen wir die Rolle bakterieller Sekundärmetabolite bei der Abwehr von Phagenfraß. Zu diesem Zweck verwendeten wir als Modellsystem Streptomyces, einen produktiven Produzenten von Sekundärmetaboliten. Zunächst isolierten und charakterisierten wir sowohl experimentell als auch bioinformatisch eine Reihe neuer Streptomyces-Phagen. Interessanterweise löste eine Phageninfektion in S. coelicolor eine phänotypische Reaktion in Form von farbigen Halos aus, die die Lysezonen der Phagen umgaben. Diese Beobachtung weckte unser Interesse an der Untersuchung dieser Halos, die als Reaktion auf eine Phageninfektion die Freisetzung der bekannten Sekundärmetaboliten Actinorhodin und Undecylprodigiosin zeigten. Wir konnten jedoch keine schützende Wirkung dieser Verbindungen gegen die Phagenprädation nachweisen, was darauf schließen lässt, dass Actinorhodin und Undecylprodigiosin keine direkten Hemmstoffe der Phageninfektion sind. Schließlich untersuchten wir die phagenhemmenden Eigenschaften von Aminoglykosiden, einer wichtigen Klasse von Antibiotika, die natürlich von Streptomyces produziert werden. Wir konnten zeigen, dass Aminoglykoside - und insbesondere Apramycin - einen starken Schutz gegen Phagen bieten, die weit auseinander liegende bakterielle Wirte infizieren. Darüber hinaus konnte der Schutz vor einer Phageninfektion auch mit Überständen eines natürlichen Apramycin-Produzenten erreicht werden, was die physiologische Bedeutung dieser Hemmung unterstreicht. Die Prüfung der Anti-Phagen-Wirkung von Überständen von Apramycin-Mutanten untermauerte die Schlüsselrolle von Apramycin bei dieser hemmenden Wirkung auf die Phageninfektion. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Aminoglykoside einen Schutz gegen Phageninfektionen auf Gemeinschaftsebene bieten und bakterielle Gemeinschaften auf eine Art und Weise formen können, die bisher noch nicht bekannt war. Bemerkenswerterweise konnten wir am Beispiel der Acetylierung von Apramycin zeigen, dass die chemische Dekoration von Apramycin zu einem Verlust seiner antibakteriellen Aktivität führt, seine Wirkung gegen Phagen jedoch nicht beeinträchtigt. Diese Ergebnisse deuten auf eine mögliche Entkopplung zwischen den antibakteriellen und antiviralen Eigenschaften von Aminoglykosiden hin und unterstreichen die Existenz verschiedener molekularer Ziele, die für diese Doppelwirkung verantwortlich sind. Insgesamt bietet diese Arbeit Einblicke in die Zusammenhänge zwischen Phageninfektion und Sekundärstoffwechsel in Bakterien. Außerdem deutet sie darauf hin, dass Sekundärmetaboliten wichtige Akteure der antiviralen Immunität in Bakterien sein könnten, was bisher übersehen wurde. Bacteriophages (phages) are viruses preying on bacteria and as such pose a major and ubiquitous threat to bacterial communities. To cope with viral challenges, bacteria have evolved a diversified arsenal of defense systems. However, this repertoire is known to rely predominantly on protein or RNA effectors. On the other hand, bacteria produce an extraordinary diversity of secondary metabolites, whose physiological function is often unknown. In this thesis, we explore the role of bacterial secondary metabolites in the defense against phage predation. To this end, we used as a model system Streptomyces, a prolific producer of secondary metabolites. First, we isolated and characterized both experimentally and bioinformatically a set of novel Streptomyces phages. Interestingly, phage infection in S. coelicolor triggered a phenotypic response in the form of coloured halos surrounding phage lysis zones. This observation triggered our interest in the study of these halos, which showed the release of the well-known secondary metabolites actinorhodin and undecylprodigiosin in reaction to phage infection. However, we could not demonstrate a protective effect of these compounds against phage predation, suggesting that actinorhodin and undecylprodigiosin are not direct inhibitors of phage infection. Lastly, we investigated the antiphage properties of aminoglycosides, a major antibiotics class naturally produced by Streptomyces. We showed that aminoglycosides—and in particular apramycin—provide strong protection against phages infecting widely divergent bacterial hosts. Furthermore, protection from phage infection could also be achieved using supernatants from a natural apramycin producer, highlighting the physiological significance of this inhibition. Testing the antiphage effect of supernatants of apramycin mutants further supported the key role of apramycin in this inhibitory effect on phage infection. These results suggest that aminoglycosides may offer protection against phage infection at the community level and shape bacterial communities in ways which were until now not appreciated. Remarkably, using acetylation of apramycin as a model, we could show that chemical decoration of apramycin leads to a loss of its antibacterial activity, but did not affect its antiphage action. These findings indicate a possible decoupling between the antibacterial and antiviral properties of aminoglycosides and underline the existence of different molecular targets responsible for this dual effect. Overall, this thesis provides insights into the connections between phage infection and secondary metabolism in bacteria. Further, it suggests that secondary metabolites may be important players of the antiviral immunity in bacteria, this role having been overlooked until now.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Sonstige Einrichtungen/Externe » Institute in Zusammenarbeit mit der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf » Institut für Biotechnologie, Forschungszentrum Jülich GmbH
Dokument erstellt am:	23.05.2022
Dateien geändert am:	23.05.2022
Promotionsantrag am:	03.03.2022
Datum der Promotion:	29.04.2022