Genetic and Proteomic Approaches to Reveal Bacterial Vulnerabilities to Phage Predation

揭示细菌对噬菌体捕食的脆弱性的遗传和蛋白质组学方法

基本信息

项目摘要

PROJECT SUMMARY We are entering a post antibiotic world where understanding the mechanism of an antibacterial strategy is not sufficient to ensure an effective therapy. We must also consider the mechanisms of resistance and address them during the design process. We will use genetics and proteomics to discover how bacteria combat bacteriophage (phage) lysis. Driving this goal is the desire to combat phage resistance mechanisms so as to make bacteria more susceptible to phage predation. We first tackle the problem by employing state of the art genetic methods to interrogate the role of essential genes in limiting phage replication and bacterial lysis. Using CRISPR transcriptional interference (CRISPRi), we will conduct the first studies in the human pathogen Pseudomonas aeruginosa to determine whether partial knockdown of essential genes can positively impact phage replication. We hypothesize that inhibition of certain essential genes will not only limit bacterial fitness, but also has the potential to enhance the success of any phage-host pairing, regardless of whether the a priori state is one of phage resistance or sensitivity. Put another way, even phages that already replicate in a given host can do better. We will additionally harness the ease of CRISPRi screening to identify non-essential genes that limit phage replication in strain-dependent manners, more akin to canonical hypervariable immune systems (e.g. CRISPR). To further our understanding of the physical underpinnings of phage resistance, we will create a physical map of phage-host protein-protein interactions using whole cell fractionation proteomics. This is particularly critical as many phage proteins are of unknown function and is in line with our goal of identifying essential protein complexes interacting with phage factors. We will validate the importance of factors identified from genetic and proteomic assays with phage replication assays during single gene knockdown to assess generalities of phenomena observed. Lastly, we suspect that phage “accessory genes” (i.e. hypervariable loci not strictly essential for phage replication in all hosts) represent a treasure trove of inhibitors and modulators of host processes, which could be useful genetic fodder for enhancing future phage therapeutics. Accessory genes have been bioinformatically identified and host binding partners will be identified with conventional affinity purification- mass spectrometry, and validated with phage replication assays. Our research strategy combines the complementary expertise of three investigators: Joseph Bondy-Denomy, an expert in phage biology and bacterial immune systems; and Danielle Swaney, an expert in bioanalytical mass spectrometry who has used her skills to define the host-pathogen protein-protein network for many human pathogens; and Jason Peters, a microbiologist with expertise in bacterial genetics and pathogenesis.
项目概要 我们正在进入一个后抗生素世界,在这个世界中,了解抗菌策略的机制并不容易 足以确保有效的治疗,我们还必须考虑耐药机制并解决它们。 在设计过程中,我们将利用遗传学和蛋白质组学来发现细菌如何对抗噬菌体。 (噬菌体)裂解是对抗噬菌体抗性机制以制造细菌的愿望的驱动力。 我们首先通过采用最先进的遗传方法来解决这个问题。 使用 CRISPR 探究必需基因在限制噬菌体复制和细菌裂解中的作用。 转录干扰(CRISPRi),我们将在人类病原体假单胞菌中进行首次研究 铜绿假单胞菌以确定必需基因的部分敲低是否可以对噬菌体复制产生积极影响。 我们努力抑制某些必需基因不仅会限制细菌的适应性,而且还具有 无论先验状态是否是其中之一,都有可能提高任何噬菌体-宿主配对的成功率 换句话说,即使是已经在给定宿主中复制的噬菌体也可以做得更好。 我们还将利用 CRISPRi 筛选的便利性来识别限制噬菌体的非必需基因 以菌株依赖性方式进行复制,更类似于典型的高变免疫系统(例如 CRISPR)。 为了进一步了解噬菌体抗性的物理基础,我们将创建一个物理图 使用全细胞分级分离蛋白质组学研究噬菌体-宿主蛋白质-蛋白质相互作用,这一点尤其重要。 许多噬菌体蛋白的功能未知,符合我们识别必需蛋白的目标 我们将验证从遗传和噬菌体因子中鉴定出的因子的重要性。 在单基因敲低期间使用噬菌体复制测定进行蛋白质组测定,以评估 最后,我们怀疑噬菌体“辅助基因”(即严格意义上的高变基因座)。 对于所有宿主中的噬菌体复制至关重要)代表了宿主抑制剂和调节剂的宝库 过程,这可能是增强未来噬菌体疗法的有用遗传素材。 经过生物信息学鉴定,宿主结合伴侣将通过常规亲和纯化进行鉴定- 我们的研究策略结合了质谱分析和噬菌体复制检测验证。 三位研究人员的专业知识互补: Joseph Bondy-Denomy,噬菌体生物学和细菌专家 免疫系统;以及生物分析质谱专家 Danielle Swaney,她利用自己的技能 定义了许多人类病原体的宿主-病原体蛋白质-蛋白质网络;以及微生物学家 Jason Peters; 具有细菌遗传学和发病机制方面的专业知识。

项目成果

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