Белок-«халтурщик» делает больничный микроб опасным

Бактерия Pseudomonas aeruginosa — широко распространённый и опасный больничный микроб. Она инфицирует дыхательные пути и лёгкие и обладает природной устойчивостью ко многим антибиотикам. Идёт поиск так называемых патоблокаторов, чтобы в будущем эффективнее бороться с бактерией. Речь идёт не об уничтожении патогена (как при антибиотикотерапии), а о целенаправленном подавлении его болезнетворного действия.

При инфекции Pseudomonas aeruginosa сине-зелёный метаболит пиоцианин, среди прочего, способствует развитию воспалительных процессов и повреждает ткани. Инфекция протекала бы легче, если бы производство этого вещества можно было предотвратить с помощью патоблокатора. Но для этого сначала нужно понять точные молекулярные механизмы производства пиоцианина внутри бактериальной клетки.

Исследовательская группа под руководством профессора Вульфа Бланкенфельдта, возглавляющего отдел структуры и функции белков в Центре исследования инфекций им. Гельмгольца (HZI) в Брауншвейге, недавно с помощью современных методов биохимического анализа белков выяснила новые детали взаимодействия белков, необходимого для производства пиоцианина. В ходе работы была выявлена ключевая роль белка PqsE как «халтурщика» (moonlighter) в этом процессе. Исследование опубликовано в текущем выпуске журнала Nature Communications.

Почему бактерия Pseudomonas aeruginosa так опасна?

Этим широко распространённым патогеном можно заразиться почти где угодно. Он любит влажную среду — её предостаточно: например, почва или вода на открытом воздухе. Но он также чувствует себя как дома в водопроводной воде, раковинах, посудомоечных машинах, душевых или туалетах — везде, где легко заразиться при неидеальной гигиене. Он также передаётся от человека к человеку.

Для людей с ослабленным иммунитетом или серьёзными респираторными заболеваниями, такими как муковисцидоз или хроническая обструктивная болезнь лёгких (ХОБЛ), инфекция может быть очень опасной и даже смертельной. К сожалению, Pseudomonas aeruginosa также известен как больничный микроб.

Почему многие антибиотики неэффективны против этого микроба?

Pseudomonas aeruginosa может избирательно выводить чужеродные вещества (например, лекарства) из клетки и относится к бактериям, образующим так называемую биоплёнку. Эти бактерии окружают себя слизистым слоем, который обеспечивает им защиту — в том числе от антибиотиков.

Это делает Pseudomonas aeruginosa природно устойчивым ко многим антибиотикам и трудным для борьбы. Разработка эффективных патоблокаторов, которые могли бы обуздать патоген, была бы большим подспорьем.

Какую роль играют исследованные белки в производстве пиоцианина?

Пиоцианин производится только после считывания генов, необходимых для его производства. Этот процесс считывания контролируется взаимодействием разных белков. В его основе лежит белок RhlR. Известно, что RhlR начинает считывание генов только тогда, когда сигнальная молекула C4-HSL даёт отмашку и связывается с RhlR. Но было неясно, участвуют ли в этой сигнальной цепочке другие белки и, главное, как именно.

Подозрение давно падало на белок PqsE. Около 20 лет назад команда начала работать с этим белком, который, как считалось, связан с производством пиоцианина. Тогда удалось, среди прочего, определить его кристаллическую структуру.

Около пяти лет назад в лабораторных исследованиях были получены первые доказательства, что внутренне нестабильный белок RhlR стабилизируется при связывании с PqsE. С тех пор было очевидно, что PqsE может быть непосредственно вовлечён в активацию генов пиоцианина, но доказать это не удавалось.

Прорыв в новом исследовании

Помогли высокоточные компьютерные методы, разработанные недавно. С помощью программного обеспечения из Израиля был спроектирован искусственный белок RhlR, который должен был быть стабильным сам по себе и сохранять свою функцию в считывании генов. Затем по ДНК-шаблону его синтезировала компания, и искусственный белок исследовали в лаборатории.

В исследовании проверили, способен ли стабилизированный синтетический RhlR запускать считывание генов для производства пиоцианина даже в отсутствие PqsE. И это подтвердилось. В сравнительных экспериментах природный RhlR в отсутствие PqsE не мог считывать гены, и пиоцианин не производился. Таким образом, удалось показать, что для процесса считывания необходим стабильный RhlR — и что белок PqsE отвечает за это, образуя комплекс с RhlR.

PqsE долгое время вводил исследователей в заблуждение

PqsE был классифицирован в группе тиоэстераз на основе его ферментативных свойств (белков, ускоряющих биохимические процессы). Предполагалось, что его ферментативная активность как-то связана с пиоцианином. Однако стабилизирующий эффект, который PqsE оказывает на RhlR, не имеет ничего общего с его ферментативной активностью. PqsE долгое время сбивал с толку. Но теперь удалось официально зафиксировать его «халтурную» работу в качестве стабилизатора RhlR — и, возможно, в будущем даже остановить её.

Перспективы исследований

Современные методы, такие как белковая кристаллография, позволили визуализировать белковый комплекс RhlR–PqsE в 3D. Это отличная основа для поиска (совместно с коллегами из HZI) активных веществ, которые специфически нарушают это взаимодействие и могут использоваться в качестве патоблокаторов.

Уже ведётся работа над скрининговой процедурой. Будущие исследования должны способствовать выявлению новых терапевтических подходов для успешного лечения инфекций, вызванных Pseudomonas.