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.
项目摘要 我们正在进入一个抗生素的世界,其中了解抗菌策略的机制不是 足以确保有效的疗法。我们还必须考虑抵抗的机制并解决它们 在设计过程中。我们将使用遗传学和蛋白质组学来发现细菌如何对抗细菌噬菌体 (噬菌体)裂解。推动这一目标是打击抗噬菌体抗性机制,以制造细菌 更容易受到噬菌体的准备。我们首先采用最先进的遗传方法来解决问题 询问基本基因在限制噬菌体复制和细菌裂解中的作用。使用CRISPR 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 铜绿物确定基本基因的部分敲低是否可以积极影响噬菌体复制。 我们假设抑制某些必需基因不仅会限制细菌的适应性,而且还具有 不管先验状态是否是之一 噬菌体抗性或灵敏度。换句话说,即使已经在给定主机中复制的噬菌体也可以做得更好。 我们还将利用CRISPRI筛选的易于识别限制噬菌体的非必需基因 以应变依赖性的方式复制,更类似于规范的高变量免疫系统(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 使用全细胞分馏蛋白质组学的噬菌体宿主蛋白 - 蛋白质相互作用的相互作用。这特别关键 许多噬菌体蛋白具有未知功能,并且符合我们识别必需蛋白的目标 复合物与噬菌体因子相互作用。我们将验证从遗传和 在单基因敲低期间,具有噬菌体复制测定的蛋白质组学测定 观察到现象。最后,我们怀疑噬菌体“附属基因”(即高变量基因座并不严格 所有宿主中的噬菌体复制至关重要)代表抑制剂和宿主调节剂的宝库 过程,这可能是有用的遗传饲料来增强未来的噬菌体疗法。附件基因具有 被生物信息鉴定,将通过常规亲和力纯化确定宿主结合伙伴 - 质谱法,并用噬菌体复制测定法进行了验证。我们的研究策略结合了 三个研究者的完全专业知识:约瑟夫·邦迪(Joseph Bondy-Denomy),噬菌体生物学和细菌专家 免疫系统;和生物分析质谱专家Danielle Swaney,他利用自己的技能来 为许多人类病原体定义宿主 - 病原体蛋白 - 蛋白质网络;和杰森·彼得斯(Jason Peters),一名微生物学家 具有细菌泛型和发病机理方面的专业知识。

项目成果

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