Бактерии с вувузелами: микробы используют белок-канал как шприц для токсинов

Бактерия Photorhabdus luminescens является постоянным спутником некоторых круглых червей. Эти черви атакуют личинок насекомых, заражая их бактериями; патогены затем атакуют клетки жертв смертельным коктейлем из различных токсинов. Учёные из Института молекулярной физиологии Макса Планка в Дортмунде совместно с коллегами из Фрайбургского университета и Университета Джейкобса в Бремене обнаружили, что бактерии используют важный токсичный комплекс как шприц. Он проникает в клетки хозяина через суженные везикулы в клеточных мембранах и изменяет их структуру изнутри. Часть токсичного комплекса затем пробивается внутрь клетки через мембрану везикулы с помощью белкового канала, похожего на вувузелу, и убивает клетку.

Как работает токсичный комплекс

Важные токсины Photorhabdus luminescens относятся к ABC-токсинам, которые состоят из трёх белковых компонентов: TcA, TcB и TcC.

1. Токсичный комплекс сначала пристыковывается к рецепторным молекулам на мембране клетки-хозяина.
2. Затем он втягивается внутрь клетки в небольших мембранных пузырьках — везикулах.
3. Компоненты TcC попадают в клеточную жидкость и разрушают белковый скелет клетки.

До сих пор оставалось неясным, как белок преодолевает мембрану везикулы.

Структура и механизм действия

Впервые учёным удалось расшифровать структуру ABC-токсинов Photorhabdus luminescens с помощью криоэлектронной микроскопии и анализа отдельных частиц. Это показало, что белок TcA бактерии состоит из пяти субъединиц, которые вместе образуют форму колокола.

«Внутри колокола субъединицы формируют канал, имеющий одно широкое и одно узкое отверстие, так что он выглядит как печально известный рог вувузела, который использовали южноафриканские футбольные болельщики», — объясняет Стефан Раунзер из Института молекулярной физиологии Макса Планка.

Как только pH окружающей среды повышается или понижается (например, когда жидкость в везикулах становится кислой), внешняя оболочка токсина открывается, разблокируя центральный канал.

«Теперь канал проталкивается через клеточную мембрану, как игла шприца», — говорит Раунзер.

TcB и TcC втягиваются в область между каналом и оболочкой, где TcC распаковывается и теряет свою первоначальную структуру. Возможно, для выхода TcC из везикулы в клетку, где он может проявить свои смертоносные эффекты, необходимо падение электрического напряжения или специфические белки для распаковки, такие как TcB.

Значение открытия

Результаты показывают, что TcA бактерий круглых червей похож по форме на токсины возбудителя чумы и других бактерий.

«Это может означать, что данные результаты также раскроют принципы работы бактерий, вызывающих болезни у человека», — говорит Раунзер.

Полученные данные также могут помочь в разработке устойчивых к вредителям сельскохозяйственных культур.

Кроме ABC-токсинов, возбудители чумы разработали другую транспортную систему, которая также встречается у возбудителей дизентерии и тифа. Известная как система секреции III типа, она также выглядит как шприц. Однако корпус этого шприца встроен в бактериальную мембрану, а игла направлена наружу. Бактерии используют эти наношприцы для непосредственного впрыскивания материала в клетки своих хозяев.