Как патоген Mycobacterium tuberculosis секретирует и транспортирует свой единственный известный экзотоксин
Шесть лет назад Майкл Нидервайс, Ph.D., описал первый известный токсин смертельного патогена Mycobacterium tuberculosis (Mtb) — экзотоксин, который оставался незамеченным 132 года.
Теперь Нидервайс и его коллеги из Университета Алабамы в Бирмингеме описывают механизм секреции и транспортировки этого токсина, TNT, который является основным фактором цитотоксичности для патогена, ежегодно инфицирующего 9 миллионов человек и убивающего более 1 миллиона.
Их отчёт, опубликованный в Nature Communications, определяет ключевые системы секреции, используемые Mtb в патогенезе, что делает их кандидатами на роль мишеней для терапии.
Когда бактерии Mtb вдыхаются в лёгкие человека, они поглощаются макрофагами лёгких хозяина и оказываются в ловушке внутри внутриклеточных везикул, называемых фагосомами. Mtb предотвращает слияние фагосомы с лизосомой, что в противном случае убило бы бактерии. Вместо этого Mtb безопасно растёт внутри фагосом, затем вырывается из них в цитозоль макрофага и использует токсин TNT, чтобы убить макрофаг путём некроптоза, высвобождая бактерии для заражения других клеток.
Экспорт экзотоксина из Mtb или подобных бактерий сталкивается с двумя барьерами: во-первых, токсичный белок должен быть транспортирован через цитоплазматическую мембрану бактерии, а затем — через её внешнюю мембрану. Для этого бактерии используют множество специализированных систем секреции — по сути, молекулярных машин, которые распознают и транспортируют бактериальные токсины или другие белки, участвующие в различных функциях бактерий, таких как адгезия или поглощение питательных веществ.
Механизмы секреции токсинов описаны почти у всех основных бактериальных патогенов, но было одно заметное исключение — Mtb.
Теперь Нидервайс, Дэвид Пахуэло, Ph.D., Удей Так, Ph.D., Лей Чжан, Ph.D., из отделения микробиологии UAB, использовали комплексный генетический анализ, чтобы выяснить, какая из пяти систем секреции типа VII в Mtb используется для секреции TNT. Они также обнаружили, какие три системы секреции необходимы, действуя согласованно, для пермеабилизации мембраны фагосомы. Это повреждение, делающее мембрану похожей на сито, позволяет TNT проникнуть в цитозоль макрофага, где он истощает NAD+, чтобы вызвать некроптотическую смерть.
Пять систем секреции типа VII в Mtb известны как ESX-1, ESX-2, ESX-3, ESX-4 и ESX-5. Каждая из этих систем секреции представляет собой комплекс от семи до более чем 15 белков, образующих молекулярную машину. До сих пор для ESX-2 и ESX-4 не было известно никаких функций.
TNT начинает свой путь как часть более крупного белка CpnT. Только когда CpnT достигает внешней мембраны, токсичный TNT отделяется от более крупного белка. Нидервайс и коллеги обнаружили, что для экспорта на поверхность клетки и секреции CpnT/TNT в цитозоль макрофагов, инфицированных Mtb, требуется система ESX-4. Это первая известная молекулярная функция системы ESX-4 в Mtb.
Хотя было известно, что ESX-1 участвует в пермеабилизации мембраны фагосомы, исследователи из UAB с удивлением обнаружили, что ESX-2 и ESX-4 также необходимы для согласованных действий с ESX-1, чтобы разорвать фагосомальную мембрану и обеспечить транспорт TNT в цитозоль инфицированных Mtb макрофагов.
«Таким образом, наше исследование определяет не только систему, необходимую для секреции единственного известного экзотоксина Mtb, — сказал Нидервайс, — но также устанавливает новые молекулярные роли для двух ранее не охарактеризованных систем секреции типа VII, ESX-2 и ESX-4, в разрыве фагосомы — критическом этапе патогенеза Mtb».
В статье Nature Communications исследователи также предлагают модель производства, экспорта, секреции и транспортировки TNT Mtb и указывают на этапы этого процесса, которые всё ещё неясны.
«Меняющее парадигму открытие того, что обе системы, ESX-2 и ESX-4, должны действовать согласованно с системой ESX-1 для пермеабилизации фагосомальной мембраны, поднимает важные вопросы относительно молекулярного механизма этого процесса и регуляции этой активности, — сказал Нидервайс. — Это исследование представляет собой значительный прогресс в нашем понимании секреции и транспортировки белков Mtb и, несомненно, стимулирует дальнейшие исследования в этих важных областях биологии Mtb».