Понимание бактериальных сенсоров: Исследователи собрали модель хеморецепторных решеток

Почти все подвижные бактерии могут ощущать и реагировать на окружающую среду — находить пищу, избегать ядов, нацеливаться на клетки для заражения — через процесс, называемый хемотаксисом. Это позволяет бактериям двигаться к привлекательным химическим веществам и отталкиваться от репеллентов. Поскольку хемотаксис играет критическую роль на первых этапах бактериальной инфекции, его лучшее понимание может открыть путь к созданию новых, более эффективных антибиотиков.

У бактерий процесс восприятия начинается с хеморецепторов — белков, которые, как крошечные антенны, выступают из тела клетки наружу. Хеморецепторы связываются с аттрактантами (сахарами, аминокислотами) и репеллентами (металлами), а затем отправляют сигналы моторам, управляющим жгутиками, которые направляют движение бактерии.

Чтобы лучше понять хемотаксис, профессор Калифорнийского технологического института (Caltech) Грант Дженсен и специалист по исследованиям Ариан Бригель определили точное расположение этих высокочувствительных рецепторов. Используя передовые методы электронной микроскопии и новые данные кристаллографии, они вместе с исследователями из Корнеллского университета создали первую модель, точно описывающую структуру хеморецепторов и окружающих их белков на сенсорном конце бактерии. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Science (PNAS).

Вся система хемотаксиса функционирует с помощью всего около 11 белков, что делает её одним из простейших примеров пути передачи сигнала (системы, в которой активация рецептора запускает ряд химических шагов, приводящих к конкретному ответу — в данном случае, движению бактерии в определённом направлении). У людей подобные пути контролируют всё — от развития и восстановления тканей до иммунитета и функций мозга; их дефекты приводят к таким заболеваниям, как диабет и рак. В клетках животных путь передачи сигнала может включать 500 белков. Поэтому относительно простой путь хемотаксиса — «лучшая отправная точка для понимания полного пути передачи сигнала», — говорит Бригель.

В 2009 году группа Дженсена впервые увидела архитектуру хеморецепторов. Для этого они использовали современный электронный микроскоп, приобретённый Caltech, который позволил наблюдать образцы бактериальных клеток в почти нативном состоянии. В отличие от традиционной электронной микроскопии, новая методика — электронная криотомография (ECT) — включает быстрое замораживание образцов в прозрачный, стеклообразный лёд. Микроскоп делает множество высокоразрешающих снимков при вращении образца.

Тогда, три года назад, Дженсен и Бригель обнаружили, что хеморецепторы расположены в регулярной повторяющейся решётке из шестиугольников с расстоянием 12 нанометров между центрами.

Но они понимали, что видят не всю картину. Для создания полной модели потребовались многоэтапные усилия:

1. Бригель улучшила подготовку образцов и обработку данных, получив изображения сотоподобных хеморецепторных решёток с ещё более высоким разрешением. Это позволило определить точное расположение рецепторов: шесть хеморецепторов находятся в каждом углу каждого шестиугольника. Они расположены по схеме «тримеры димеров» — группы из трёх наборов по две пары рецепторов. Тримеры расположены так, что каждая пара направлена к центру шестиугольника.
2. Биологам давно известно, что в группах хеморецепторов также присутствуют два дополнительных белка — CheA и CheW. Считалось, что они удерживают рецепторы вместе и активируют белок, который связывается с моторами жгутиков и меняет направление их вращения. Но точная связь между CheA, CheW и рецепторами была неизвестна.

Для решения этой задачи исследователи Caltech объединились с Брайаном Крейном из Корнеллского университета. Его группа получила кристаллическую структуру, содержащую двойное кольцо из фрагментов хеморецепторов и частей CheA и CheW. Сопоставление компьютерной модели этой структуры с изображениями ECT от Бригель дало идеальное совпадение.

CheA всегда работает в парах. Кольцо в кристаллической структуре Крейна содержало только часть одного CheA. Поэтому его группа использовала данные экспериментов по электронному спиновому резонансу (ESR) и кристаллографии, чтобы построить модель с двумя белками CheA. Команда обнаружила, что простые вращения части пары CheA выводят все белки и рецепторы в одну плоскость и образуют два соединённых кольца.

«Расстояние между этими кольцами объясняет гексагональную решётку, которую мы видим с помощью ECT, — говорит Бригель. — Впервые у нас есть очень убедительная модель того, как вся эта рецепторная решётка собрана».

Следующий шаг — определить, какие структурные изменения происходят, когда аттрактант связывается с хеморецептором для передачи сигнала моторам жгутиков. Наличие модели всей рецепторной решётки облегчает эту задачу. «Увидеть решётки — это одно, — говорит Дженсен. — Теперь, видя рецепторы со всеми вспомогательными молекулами и понимая, как они расположены и связаны, у нас есть шанс понять, что происходит при активации одного из них».

Помимо Бригель, Дженсена и Крейна, среди авторов статьи в PNAS «Bacterial chemoreceptor arrays are hexagonally packed trimers of receptor dimers networked by rings of kinase and coupling proteins» — Сяосяо Ли и Александрин Билвес из Корнелла, а также Келли Хьюз из Университета Юты. Работа поддержана Медицинским институтом Говарда Хьюза и Национальными институтами здравоохранения (NIH).