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Abstract

Retrons are prokaryotic genetic systems containing reverse transcriptases (RTs) that produce multiple copies of small single-stranded DNA (msDNA). Despite our understanding of the complex msDNA biosynthesis, the physiological role of retrons has remained elusive. I established that the Retron-Sen2 in Salmonella Typhimurium (STm) encodes a toxin, which I have named RcaT (Retron cold-anaerobic Toxin). RcaT is activated when msDNA biosynthesis is perturbed and inhibits STm growth at ambient temperatures or during anaerobiosis. The RT and msDNA are both necessary to counteract RcaT, by forming an RT-msDNA complex that inactivates RcaT through direct protein-protein interactions. Thus, retrons constitute a novel family of tripartite toxin/antitoxin systems (TAs), where the RcaT toxin is inactivated by the RT-msDNA antitoxin. Bacteria carry dozens of TAs in their chromosomes. Normally, the antitoxin is coexpressed and neutralizes its cognate toxin, but TAs can be activated to inhibit bacterial growth. Yet, when and how TAs are triggered remains an enigma, hindering our understanding of their physiological roles. I developed TIC/TAC (Toxin Inhibition/Activation Conjugation), a high-throughput reverse genetics approach, to systematically identify molecular blockers and triggers of TAs. By applying TIC/TAC to Retron-Sen2, I identified multiple blockers and triggers of phage origin. Diverse phage proteins trigger RcaT toxicity by directly interacting with the msDNA-part of the antitoxin. Phage proteins can circumvent activation by directly blocking the activity of RcaT. I propose that retron-TAs act as abortive-infection anti-phage defense systems and delineate the mechanistic principles behind the retron-phage arms-race.

Translation of abstract (German)

Retrons sind prokaryotische genetische Systeme, welche reverse Transkriptasen beinhalten, die mehrere Kopien kurzer einzelsträngiger DNA (msDNA) produzieren. Trotz unseres Verständnisses der komplexen msDNA Biosynthese bleibt die physiologische Relevanz von Retrons ungeklärt. Ich habe gezeigt, dass das Retron- Sen2 in Salmonella Typhimurium (STm) ein Enzym kodiert, welches ich RcaT (Retron cold-anaerobic Toxin) genannt habe. Wenn die msDNA Biosynthese gestört ist, wird RcaT aktiviert und inhibiert das Wachstum von STm bei kalten Temperaturen oder unter Anaerobiose. Die RT und msDNA sind beide notwendig um RcaT entgegenzuwirken, indem sie einen RT-msDNA Komplex formen, der RcaT durch direkte Protein-Protein-Interaktionen inaktiviert. Folglich bilden Retrons eine neue Gruppe von dreiteiligen Toxin/Antitoxin Systemen (TAs), in der das RcaT Toxin durch das RT-msDNA Antitoxin inaktiviert wird. Bakterien codieren für Dutzende TAs. Normalerweise wird das Antitoxin co-exprimiert und neutralisiert das verwandte Toxin, allerdings können TAs aktiviert werden um das bakterielle Wachstum zu inhibieren. Wann und wie TAs aktiviert werden bleibt unklar, was unser Verständnis ihrer physiologischen Rolle begrenzt. Ich habe TIC/TAC (Toxin Inhibition/Activation Conjugation), einen high-troughput reverse genetics Ansatz, entwickelt, um systematisch molekulare Inhibitoren und Aktivatoren von TAs zu identifizieren. Durch die Verwendung von TIC/TAC mit Retron-Sen2 konnte ich multiple Inhibitoren und Aktivatoren identifizieren die ursprünglich von Phagen stammen. Diverse Phagenproteine können RcaT Toxizität direkt durch eine Interaktion mit der msDNA-Komponente des Antitoxins auslösen. Phagenproteine können die Aktivierung durch direktes Blockieren der RcaT-Aktivität umgehen. Ich stelle die These auf, dass Retron-TAs als Anti-Phagen Verteidigungssysteme wirken und beschreibe die mechanistischen Prinzipien die dem Retron-Phagen Wettrüsten zugrunde liegen.