Dokument: Multicellular defense against phage infection in Streptomyces – impact of secondary metabolites and mycelial development

Titel:	Multicellular defense against phage infection in Streptomyces – impact of secondary metabolites and mycelial development
Weiterer Titel:	Multizelluläre Abwehr gegen Phageninfektion bei Streptomyces - Einfluss von Sekundärmetaboliten und Myzelentwicklung
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=64258
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20231206-083053-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Kever, Larissa [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 44,54 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 28.11.2023 / geändert 28.11.2023
Beitragende:	Prof. Dr. Frunzke, Julia [Gutachter] Prof. Dr. Axmann, Ilka [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	In almost every habitat, bacteria are challenged with persistent attacks of bacterial viruses, so-called bacteriophages (or phages). Upon infection, phages can target key cellular processes in their host cell to optimize reproduction conditions making them a promising source for identification of novel antimicrobial proteins. This was exemplified by the identification of the gyrase-inhibiting protein Cg1978, termed Gip, encoded by the CGP3 prophage of Corynebacterium glutamicum. In vitro studies confirmed a direct interaction of Gip with gyrase subunit A of its host C. glutamicum leading to an inhibition of the gyrase supercoiling activity. The evolutionary pressure exerted by phages forced bacteria to evolve multiple lines of defense. However, our current knowledge of antiphage defense is dominated by systems acting at a cellular level, but there is an increasing evidence that bacterial communities also employ several strategies specifically protecting multiple cells from phage predation at the same time. By using the filamentous soil bacterium Streptomyces as a model, this doctoral thesis focused on the contribution of bacterial small molecule production and multicellular development to antiphage defense. To this end, five newly isolated Streptomyces phages were comprehensively characterized to establish a set of model phages for further investigations. Next, we focused on the chemical defense against phages via aminoglycosides, which are naturally derived, bactericidal antibiotics produced by Streptomyces. Using bacterial strains producing aminoglycoside-modifying enzymes as resistance mechanism, a significant inhibition of phage infection by structurally divergent aminoglycosides in Gram-negative as well as Gram-positive bacterial hosts was observed. The interference with phage infection occurred at an early step of phage life cycle between injection and replication with potential differences between individual host organisms. As exemplified with the aminoglycoside apramycin, in vitro modification of the aminoglycoside scaffold via acetylation prevented the antibacterial mode of action, but had no impact on the antiphage properties, suggesting different molecular targets underlying this dual functionality. Moreover, culture supernatant of the natural apramycin producer S. tenebrarius was shown to mimic the effect of the pure compound, hinting towards the physiological relevance of aminoglycoside antibiotics as chemical defense against phages in the environment. As a further part of this work, we analysed the inactivation of phages in the extracellular space of Streptomyces populations. In contrast to prototypical infections with unicellular-growing bacteria, infectious phage titers dropped again at later stages of Streptomyces infection, which coincided with re-growth of phage-resistant mycelium. When considering different parameters underlying this inactivation, we observed a potential influence of medium acidification, production of antiphage metabolites and proteins as well as mycelial growth. Mature mycelium revealed a reduced susceptibility to phage infection hinting towards an important contribution of multicellular development to antiphage defense. A decline in phage titer was further observed upon incubation of Streptomyces mycelium with different non-host phages, which coincided with the phase of hyphae-spore transition. This led to the hypothesis that mycelium might efficiently adsorb phages from the environment with important implications for community interactions. Overall, the work presented in this thesis expands our knowledge about bacterial immune systems by unravelling the antiphage properties of aminoglycoside antibiotics and the important impact of cellular development, thereby adding further layers of antiviral defense acting at the multicellular level. In fast jedem Lebensraum werden Bakterien mit andauernden Angriffen von Bakterienviren, so genannten Bakteriophagen (oder Phagen), konfrontiert. Nach der Infektion können Phagen gezielt in wichtige zelluläre Prozesse ihrer Wirtszelle eingreifen, um ihre Vermehrungsbedingungen zu optimieren. Dies macht sie zu einer vielversprechenden Quelle für die Identifizierung neuer antimikrobieller Proteine. Ein Beispiel dafür ist die Identifizierung des Gyrase-hemmenden Proteins Cg1978, genannt Gip, das von dem CGP3-Prophagen von Corynebacterium glutamicum kodiert wird. In vitro-Studien bestätigten eine direkte Interaktion von Gip mit der Gyrase-Untereinheit A seines Wirts C. glutamicum, die zu einer Hemmung der Gyrase-Supercoiling-Aktivität führt. Der evolutionäre Druck, der von Phagen ausgeht, zwang die Bakterien mehrere Verteidigungslinien zu entwickeln. Unser derzeitiges Wissen über die Phagenabwehr wird jedoch von Systemen dominiert, die auf zellulärer Ebene wirken. Es gibt allerdings immer mehr Hinweise darauf, dass bakterielle Gemeinschaften auch weitere Strategien anwenden, um mehrere Zellen gleichzeitig vor Phagenangriffen zu schützen. Am Beispiel des filamentösen Bodenbakteriums Streptomyces wurde in dieser Dissertation untersucht, welchen Beitrag die bakterielle Produktion von Sekundärmetaboliten und die multizelluläre Entwicklung zur Phagenabwehr leisten. Zu diesem Zweck wurden fünf neu isolierte Streptomyces-Phagen umfassend charakterisiert, um eine Reihe von Modellphagen für weitere Untersuchungen zu etablieren. Darauffolgend wurde die chemische Abwehr von Phagen durch Aminoglykoside – natürlich gewonnene, bakterizide Antibiotika, die von Streptomyces produziert werden – experimentell untersucht. Unter Verwendung von Bakterienstämmen, die Aminoglykosid-modifizierende Enzyme als Resistenzmechanismus produzieren, wurde eine signifikante Hemmung der Phageninfektion durch strukturell verschiedene Aminoglykoside sowohl in Gram-negativen als auch in Gram-positiven bakteriellen Wirten beobachtet. Die Inhibierung der Phageninfektion erfolgte in einem frühen Stadium des Lebenszyklus der Phagen zwischen Injektion und Replikation, wobei es möglicherweise Unterschiede zwischen den einzelnen Wirtsorganismen gibt. Wie am Beispiel des Aminoglykosids Apramycin gezeigt wurde, verhinderte eine in vitro-Modifikation des Aminoglykosids durch Acetylierung die antibakterielle Wirkungsweise, hatte aber keine Auswirkungen auf die Antiphageneigenschaften, was auf unterschiedliche molekulare Ziele schließen lässt, die dieser doppelten Funktionalität zugrunde liegen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass der Kulturüberstand des natürlichen Apramycin-Produzenten S. tenebrarius die Wirkung der Reinsubstanz nachahmt, was auf eine physiologische Bedeutung von Aminoglykosid-Antibiotika als chemische Abwehr gegen Phagen in der Umwelt hinweist. In einem weiteren Teil dieser Arbeit wurde die Inaktivierung von Phagen im extrazellulären Raum von Streptomyces-Populationen analysiert. Im Gegensatz zu prototypischen Infektionen mit einzellig wachsenden Bakterien sanken die infektiösen Phagentiter in späteren Stadien der Streptomyces-Infektion wieder ab, was zeitlich mit dem erneuten Wachstum von Phagen-resistentem Myzel zusammenfiel. Bei der Betrachtung verschiedener Parameter, die dieser Inaktivierung zugrunde liegen könnten, wurde ein möglicher Einfluss der Ansäuerung des Mediums, der Produktion von Antiphagen-Metaboliten und -Proteinen sowie des Myzelwachstums beobachtet. Reifes Myzel zeigte eine geringere Anfälligkeit für Phageninfektionen, was auf einen wichtigen Beitrag der multizellulären Entwicklung zur Phagenabwehr hindeutet. Ein Rückgang des Phagentiters wurde auch bei der Inkubation von Streptomyces-Myzel mit verschiedenen Nicht-Wirtsphagen beobachtet, was zeitlich mit der Phase des Hyphen-Sporen-Übergangs zusammenfiel. Dies führte zu der Hypothese, dass das Myzel Phagen aus der Umgebung effizient adsorbieren könnte, was wichtige Auswirkungen auf die Interaktionen der Gemeinschaften hätte. Insgesamt erweitert diese Dissertation unser Wissen über bakterielle Immunsysteme, indem sie die Antiphagen-Eigenschaften von Aminoglykosid-Antibiotika und die wichtigen Auswirkungen der zellulären Entwicklung entschlüsselt und damit weitere Möglichkeiten der antiviralen Abwehr auf multizellulärer Ebene aufzeigt.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Mikrobiologie
Dokument erstellt am:	06.12.2023
Dateien geändert am:	06.12.2023
Promotionsantrag am:	26.10.2022
Datum der Promotion:	29.03.2023