Die Rolle von CRISPR in den Beziehungen zwischen Viren und Bakterien im Darm

Virus-Wirt-Wechselwirkungen spielen eine wichtige Rolle darin, wie sich mikrobielle Gemeinschaften entwickeln und verändern. In bestimmten Situationen, wie bei Phagen-Ausbrüchen, können Viren grosse Bakterienpopulationen auslöschen, wie man in aquatischen Umgebungen während Cholera-Ausbrüchen sieht. In anderen Fällen können Viren das Wachstum von sowohl Ozean- als auch Boden-Gemeinschaften unterstützen, indem sie bei wichtigen Zyklen wie Kohlenstoff und Stickstoff helfen.

Neueste Studien haben aufgezeigt, wie Bakteriophagen, eine Art Virus, das Bakterien infiziert, in der Lage sind, die Mikrobiome ihrer Wirte sowohl direkt als auch indirekt zu formen. Direkt üben sie selektiven Druck auf ihre Zielbakterien aus, während sie indirekt die Reaktion des Immunsystems eines Wirts auf andere Bedrohungen beeinflussen können.

Bakterien haben verschiedene Möglichkeiten entwickelt, um sich gegen Viren und andere Mobile genetische Elemente, darunter Plasmide und Elemente, die genetisches Material übertragen können, zu verteidigen. Eines der faszinierendsten Abwehrmechanismen ist das CRISPR-Cas-System, das eine Art adaptive Immunität bietet. Das System funktioniert, indem es frühere Begegnungen mit Viren speichert, was es Bakterien ermöglicht, sie in Zukunft besser zu erkennen und darauf zu reagieren.

In der Forschung haben Wissenschaftler einige Einblicke in die Funktionsweise von CRISPR-Cas-Systemen im Labor gewonnen, aber es gibt noch viele unbeantwortete Fragen dazu, wie sie in natürlichen Umgebungen funktionieren. Ein zentrales Interessengebiet ist, wie diese Immunreaktionen die Zusammensetzung und das Verhalten mikrobieller Gemeinschaften beeinträchtigen, einschliesslich sowohl der Viren als auch ihrer bakteriellen Wirte. Studien in natürlichen Umgebungen wie heissen Quellen und Kläranlagen haben gezeigt, dass CRISPR-Cas-Systeme die Wechselwirkungen zwischen mobilen genetischen Elementen und ihren bakteriellen Wirten beeinflussen. Es liegen jedoch nicht genügend Daten vor, um diese Erkenntnisse auf komplexere Mikrobiome, die mit bestimmten Wirten verbunden sind, anzuwenden.

Studien haben auch gängige Trends in früheren Forschungen aufgezeigt. Dazu gehört das langfristige Zusammenleben von mobilen genetischen Elementen mit verschiedenen Wirtspopulationen, gekennzeichnet durch sowohl immunisierte als auch anfällige bakterielle Abstammungen. Hohe lokale Anpassungsniveaus in bakteriellen CRISPR-Systemen und häufige Mutationen in den Zielbereichen der Viren wurden ebenfalls beobachtet. Dieses Zusammenleben wird oft durch die Linse betrachtet, dass Vielfalt fördernde Wechselwirkungen und gemeinsame Immunität unter Bakterien bestehen.

Eine weitere Wissenslücke ist, wie lange das Gedächtnis dieser Immunsysteme anhält. Faktoren wie wie Bakterien Gedächtniselemente gewinnen oder verlieren, Mutationen in den Viren und Verschiebungen in den Wirtspopulationen spielen alle eine Rolle. Mathematische Modelle deuten darauf hin, dass die Grösse dieser Gedächtnisanordnungen zwischen gross genug für effektive Immunität und nicht so gross, dass das Gedächtnis verdünnt wird, ausbalanciert ist. Die Annahme ist, dass ältere Gedächtniselemente am Ende der Anordnung liegen, aber die Beweise dafür sind gemischt.

In dieser Studie nutzten Forscher einen grossen Datensatz aus dem Human-Mikrobiom-Projekt, um die Beziehung zwischen mobilen genetischen Elementen und CRISPR-Cas-Immunität im menschlichen Darmmikrobiom zu untersuchen. Sie fanden Anzeichen für effektive, aber unvollständige CRISPR-Cas-Immunität gegen verschiedene Viren sowie eine Mischung aus mobilen genetischen Elementen und bakteriellen Linien. Es gab auch Hinweise auf langanhaltende Immunität, die durch Gedächtniselemente aus den weiter entfernten Regionen der CRISPR-Anordnungen bereitgestellt wird.

#Datenerhebung und Zusammenstellung

Die Forscher sammelten eine riesige Menge an Daten, einschliesslich metagenomischer Reads und Profile aus dem erweiterten Human-Mikrobiom-Projekt, das sich auf entzündliche Darmerkrankungen konzentriert. Der Datensatz umfasste Proben von 130 Personen, die alle zwei Wochen über etwa ein Jahr hinweg entnommen wurden, insgesamt 1.638 Proben. Teilnehmer mit Krankheiten wie Morbus Crohn und Colitis ulcerosa wurden kategorisiert, basierend darauf, ob ihre Proben Anzeichen von Dysbiose zeigten oder nicht.

Um die CRISPR-Cas-Sequenzen aus diesen Proben zusammenzustellen, verwendeten die Forscher ein spezialisiertes Tool namens CasCollect. Dieses Tool hilft, Sequenzen zu identifizieren und zu kompilieren, die wahrscheinlich zu CRISPR-Systemen gehören. Der Zusammenstellungsprozess umfasste mehrere Schritte, um niedrigwertige Daten herauszufiltern und die resultierenden CRISPR-Anordnungen zu annotieren. Letztendlich identifizierten sie 79.475 hochwertige CRISPR-Anordnungen, von denen 4.282 nahe an identifizierten Cas-Genen lagen.

Diese CRISPR-Anordnungen enthielten über 153.000 einzigartige Gedächtniselemente, die sie für eine weitere Analyse kategorisierten. Sie hatten das Ziel, die Reihenfolge und Richtung dieser Gedächtniselemente zu verfolgen, um zu sehen, wie sie ausgedrückt werden. Die Forscher schauten sich an, wie viele einzigartige CRISPR-Anordnungen in einer Probe existierten, und bemerkten eine grosse Variabilität über die Zeit und zwischen Individuen. Personen mit Morbus Crohn und Colitis ulcerosa zeigten besonders niedrige Zahlen einzigartiger Anordnungen, was mit der typischerweise reduzierten mikrobiellen Vielfalt in diesen Zuständen übereinstimmt.

#Identifikation von CRISPR-Zielen

Die Studie umfasste auch die Suche nach potenziellen Zielen des CRISPR-Systems innerhalb des lokalen Mikrobioms. Durch den Vergleich von Gedächtniselementen mit verschiedenen genetischen Datenbanken stellten die Forscher fest, welche Viren und anderen genetischen Elemente von CRISPR-Systemen angegriffen werden. Sie fanden heraus, dass ein erheblicher Teil der Gedächtniselemente direkt mit bekannten Phagen übereinstimmte, die Viren sind, die Bakterien infizieren.

Interessanterweise konnte ein kleiner Teil der Gedächtniselemente mit genetischen Elementen verknüpft werden, die in Proben von derselben Person vorhanden sind, was als "lokal angepasste" Spacer bezeichnet wird. Sie fanden heraus, dass viele dieser lokal angepassten Spacer häufig lysogene Phagen anvisierten, die Viren sind, die sich in das Genom des Wirts integrieren und inaktiv bleiben können.

Die Verteilung dieser lokal angepassten Spacer war über die CRISPR-Anordnung hinweg nicht gleichmässig. Sie waren näher an den Enden der Gedächtnissysteme verbreitet, was darauf hindeutet, dass kürzlich erworbene Elemente am Anfang häufig sind, während ältere Spacer am Ende gefunden werden. Dieses Muster stellt die Vorstellung in Frage, dass ältere Spacer weniger effektiv sind, was auf mögliche Vorteile für bestimmte Bereiche der Anordnung hinweist.

#Der Einfluss von CRISPR auf die Dynamik des Mikrobioms

Die longitudinale Struktur des Datensatzes ermöglichte eine detaillierte Untersuchung, wie CRISPR-Immunität die Dynamik der mobilen genetischen Elemente und bakteriellen Wirte beeinflusste. Die Forscher wollten verstehen, ob das Auftreten eines neuen Gedächtniselements Veränderungen in der Häufigkeit der angreifenden mobilen genetischen Elemente hervorrufen könnte.

Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass der Erwerb neuer Gedächtniselemente oft dann stattfand, wenn die Ziel-Elemente überdurchschnittlich häufig vorhanden waren. Im Laufe der Zeit wurden diese Gedächtniselemente mit reduzierten Häufigkeiten der angegriffenen Viren und Plasmide in Verbindung gebracht. Dennoch wurden in vielen Fällen die Ziel-Elemente nicht vollständig ausgelöscht, was darauf hindeutet, dass das CRISPR-Cas-Immunität diese Elemente kontrollieren kann, sie aber nicht immer eliminiert.

Darüber hinaus untersuchten sie, ob die Anwesenheit dieser mobilen genetischen Elemente die Vielfalt der Wirtsbakterien beeinträchtigte. Sie entdeckten, dass Linien mit lokal adaptivem Gedächtnis im Allgemeinen vielfältiger waren, was darauf hindeutet, dass sie höhere Raten des Gedächtniserwerbs hatten. Die Vielfalt hingegen tendierte dazu, in Umgebungen abzunehmen, in denen mobile Elemente vorhanden waren, was auf ein mögliches Selektionsdruck in diesen Populationen hinweist.

#Einblicke und Schlussfolgerungen

Diese Forschung liefert bedeutende Einblicke in, wie Virus-Wirt-Interaktionen, vermittelt durch CRISPR-Immunität, mikrobielle Ökosysteme im menschlichen Darm formen. Die Studie betont die Rolle von CRISPR-Cas-Systemen bei der Kontrolle mobiler genetischer Elemente und stellt fest, dass sie diese nicht vollständig eliminieren. Stattdessen modulieren sie die Präsenz dieser Elemente, was möglicherweise ein Gleichgewicht zwischen bakteriellen Wirten und ihren viralen Gegenstücken ermöglicht.

Darüber hinaus deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Gedächtniselemente in CRISPR-Anordnungen eine faszinierende Verteilung aufweisen, mit einer grösseren Konzentration lokal angepasster Elemente an beiden Enden. Die Rolle von räumlichen und genetischen Faktoren in diesen Wechselwirkungen könnte Implikationen für das Verständnis mikrobieller Gemeinschaften über menschliche Darmmikrobiome hinaus haben.

Durch die Untersuchung der Beziehung zwischen mobilen genetischen Elementen, CRISPR-Immunität und Wirtdiversität legt diese Studie den Grundstein für zukünftige Forschungen. Das gewonnene Wissen könnte helfen, Strategien zur Verbesserung der Darmgesundheit durch Modulation mikrobiellem Gemeinschaften und deren Wechselwirkungen mit Viren zu entwickeln. Insgesamt stellt die Dynamik der Wechselwirkungen zwischen Viren und Bakterien im Darm ein komplexes Netz dar, das Gesundheit und Krankheit auf tiefgreifende Weise beeinflusst.