Mechanisms of genetic transfer between archaea and bacteria via membrane vesicles, plasmid vesicles and viruses

Abstract

Das mikrobielle Leben auf der Erde wird durch Ereignisse des horizontalen Gentransfers (HGT) geformt, welche ihrerseits oft durch genetisch mobile Elemente (MGE) angetrieben werden. Diese Ereignisse treiben die Evolution von Bakterien und Archaeen voran und haben weitreichende ökologische Auswirkungen auf alle Biome der Erde. Da HGT vererbbare Veränderungen in der DNA von Bakterien und Archaeen verursacht, verschwimmen phylogenetische Grenzen und bestehende Klassifikationsschemata und Nomenklaturen werden in Frage gestellt. Darüber hinaus sind HGT-Ereignisse nicht auf mikrobielle Organismen beschränkt, sondern beeinflussen auch MGEs. Im Zeitalter des Next-Generation Sequencing, ist die Analyse der Interaktionen von MGEs mit ihren mikrobiellen Gegenspielern und anderen Formen des DNA-Austauschs auf hochentwickelte bioinformatische Werkzeuge und Pipelines angewiesen. In dieser Dissertation werden zwei interessante Fälle von HGT untersucht. Beide Fälle stellen bestehende Nomenklaturen und Klassifikationsschemata in Frage und verdeutlichen den Bedarf an speziellen bioinformatischen Pipelines. Das archaeische Plasmid pR1SE wird in selbstkodierten Plasmidvesikeln (PVs) verbreitetdie einen virusähnlichen Lebensstil ermöglichen. In Kapitel 2 beschreiben wir die Identifizierung von 40 neuartigen pR1SE ähnlichen Plasmiden, die nachfolgend als archaeal plasmids of haloarchaea potentially transferred in plasmid vesicles (apHPVs) bezeichnet werden. Wir zeigen ihre Verbreitung und ihr Wirtsspektrum, untersuchen ihre genetische Organisation und erläutern die Auswirkungen ihrer Lebenszyklen. Schließlich stellen wir fest, dass apHPVs Viren und Plasmide von Archaeen genetisch miteinander verbinden. In Kapitel 3 wird der aktuelle Stand der bioinformatischen Analyse von HGT und MGEs besprochen. Darüber hinaus werden die Herausforderungen bei der Identifizierung von Gentransfer in extrazellulären Vesikeln (EVs) erläutert, welche durch den in Kapitel 4 entwickelten Ansatz umgangen werden. Durch die Anwendung der entwickelten Pipeline auf metagenomische Datensätze (Kapitel 4) beleuchten wir die Zusammensetzung von HGT-Mechanismen im Ozean und analysieren das funktionelle Potenzial des in EVs übertragenen genetischen Materials. Schließlich führen wir eine neue Nomenklatur ein, um die analysierten Datensätze besser beschreiben zu können.