Ген в бактериях туберкулеза оказался необходимым для секреции сидерофоров и вирулентности
Исследователи из Университета Алабамы в Бирмингеме, д-р Лей Чжан и д-р Майкл Нидервайс, сделали, по их словам, «крупный шаг» в понимании того, как Mycobacterium tuberculosis получает железо от организма человека-хозяина. Этот процесс необходим для патогенеза бактерии. Туберкулез убивает более 1 миллиона человек ежегодно, но без железа M. tuberculosis не может расти.
Обычно бактерии приобретают железо хорошо изученным способом: они производят молекулы сидерофоров (от греческого «железо-носитель») и используют молекулярные насосы для их выведения через внутреннюю и внешнюю мембраны. Сидерофоры способны очень прочно связывать железо, после чего эти «захватившие» железо молекулы транспортируются обратно в бактерию, где железо высвобождается для использования в жизненно важных ферментах.
Однако семейство Mycobacteriaceae (включающее возбудителей туберкулеза и лепры) сильно отличается от таких бактерий, как E. coli, где механизмы транспорта сидерофоров хорошо изучены.
За последнее десятилетие лаборатория Нидервайса добилась прогресса в изучении сидерофоров M. tuberculosis (Mtb):
- В 2013 году они описали два небольших мембранных белка, необходимых для секреции сидерофоров Mtb. Они связываются с известными эффлюксными насосами, формируя систему экспорта сидерофоров на внутренней мембране.
- В 2014 году они показали, что двойной мутант этих белков делает Mtb чрезвычайно чувствительным к микобактерину (сидерофору Mtb) даже в ничтожных концентрациях. Это явление они назвали «отравлением сидерофором».
- В 2020 году они обнаружили, что мутация другого гена Mtb, rv0455c, вызывает тот же фенотип, что и делеция двух малых белков — «отравление сидерофором» в присутствии микобактерина. Ген rv0455c расположен рядом с генами этих белков, необходимых для эффлюкса сидерофоров, что позволило предположить его роль в секреции сидерофоров.
Это предположение подтвердилось, как сообщается в исследовании, опубликованном в Nature Communications: «A periplasmic cinched protein is required for siderophore secretion and virulence of Mycobacterium tuberculosis».
С помощью генетических и биохимических методов было показано, что:
- Ген rv0455c необходим для роста Mtb в среде с низким содержанием железа.
- Секреция двух сидерофоров Mtb — микобактерина и карбоксимикобактерина — резко снижена у мутанта с делецией rv0455c.
- Хотя белок Rv0455c обнаруживается и вне растущих клеток Mtb, его генетически модифицированный вариант, заякоренный во внутренней мембране, оставался функциональным в секреции сидерофоров, что указывает на внутриклеточную роль белка.
- Удаление Rv0455c из вирулентного штамма Mtb серьезно нарушило репликацию M. tuberculosis у мышей, демонстрируя важность этого белка и секреции сидерофоров для развития заболевания.
Ген rv0455c в Mtb не имеет гомологии последовательности с генами бактерий вроде E. coli, но он является одним из ключевых генов, обнаруженных у микобактерий, с высокой степенью гомологии среди различных гомологов. До этого исследования Rv0455c был аннотирован как белок с неизвестной функцией.
Исследователи обнаружили, что гомологичные гены из M. smegmatis, M. leprae и M. haemophilium полностью функциональны в Mtb, восстанавливая его рост в присутствии микобактерина. Кристаллическая структура гомологичного белка из M. smegmatis показала наличие дисульфидной связи, создающей «стянутую» (cinched) структуру, и две поверхностные области аминокислот, эволюционно консервативные среди микобактерий.
Механистическая функция Rv0455c все еще неизвестна, и белок не имеет глубокой щели, характерной для белков, связывающих сидерофоры. Однако, по мнению ученых, Rv0455c может играть важную структурную роль в системе секреции сидерофоров Mtb, возможно, выступая в качестве необходимого вспомогательного белка или связующего звена между экспортерами сидерофоров на внутренней мембране и предполагаемым каналом внешней мембраны.
«Это исследование представляет собой крупный шаг вперед в понимании системы секреции сидерофоров Mtb, белки которой не имеют сходства с другими бактериальными системами секреции сидерофоров», — сказал Нидервайс. — «Кроме того, мы идентифицируем отравление сидерофором как важный механизм значительной потери вирулентности у мутанта Mtb, лишенного гена rv0455c, что подтверждает секрецию сидерофоров в качестве мишени для лекарств и раскрывает новый механизм для потенциальных препаратов против туберкулеза».