Сладкое место сборки жгутика

Для сборки механизма, позволяющего бактериям плавать, более 50 белков должны быть собраны в логическом и четко определенном порядке, чтобы сформировать жгутик — клеточный аналог подвесного лодочного мотора. Чтобы быть функциональным, жгутик собирается по частям, завершаясь спиралью, называемой филаментом, которая состоит из шести различных субъединиц — флагеллинов. Микробиологи из Женевского университета (UNIGE) показали, что добавление сахара к флагеллинам критически важно для сборки и функциональности жгутика. Это гликозилирование осуществляется недавно открытым ферментом FlmG, чья роль ранее была неизвестна. Основываясь на этом наблюдении, опубликованном в журнале eLife, исследователи сделали второе открытие, описанное в Developmental Cell. Среди шести флагеллинов модельной бактерии Caulobacter crescentus один оказался особенным, выполняя сигнальную роль для запуска финальной сборки жгутика.

Жгутик — это двигатель бактерий. Благодаря ему бактерии могут плыть к пище, будь то в Женевском озере (Леман) или внутри организма-хозяина во время инфекции. Жгутик, сложность которого сравнима с подвесным мотором, состоит из базального тела, роторного двигателя и спирального пропеллера. Он синтезируется внутри бактерии в цитозоле. «50 белков должны производиться последовательно и собираться в правильном порядке», — объясняет Патрик Виолье, исследователь из Департамента микробиологии и молекулярной медицины UNIGE. При этом жгутик должен быть встроен в бактериальную оболочку, содержащую до трех клеточных слоев. Хотя субъединицы жгутика известны, многие тонкости контроля его сборки и механизмы нацеливания все еще плохо изучены.

Сладкий сюрприз

Микробиологи UNIGE изучали бактерию Caulobacter crescentus. «Эти бактерии очень интересны для изучения жгутиков, поскольку они производят две разные дочерние клетки: у одной есть жгутик, а у другой — нет. Они идеальны для понимания того, что нужно для его сборки», — поясняет Николя Кин, соавтор исследования. Другая особенность в том, что филамент жгутика этой бактерии представляет собой сборку из шести субъединиц флагеллина, то есть это не результат полимеризации одного белка, как у многих других бактерий. «Анализируя эти шесть флагеллинов, мы обнаружили, что они украшены сахарами, что указывает на этап гликозилирования — ферментативной реакции добавления сахаров к белкам, — необходимой для сборки. Это было удивительное открытие, поскольку эта реакция не очень распространена и плохо изучена у бактерий», — продолжает профессор Виолье.

Исследовательской группе Виолье удалось продемонстрировать, что гликозилирование шести флагеллинов, составляющих филамент, необходимо для формирования и функциональности жгутика. «Чтобы доказать это, мы сначала идентифицировали ген, производящий фермент гликозилирования FlmG. При его отсутствии бактерии остаются без жгутика. Во-вторых, мы генетически модифицировали другой тип бактерий, Escherichia coli, чтобы экспрессировать один из шести флагеллинов, фермент гликозилирования и ферменты, производящие сахара, из Caulobacter crescentus. Все эти элементы необходимы для получения модифицированного флагеллина», — добавляет Николя Кин.

Универсальная белая ворона

«Различные элементы жгутика производятся один за другим: сначала молекулы основания, затем ротора и, наконец, пропеллера. Научная литература указывает, что этот последовательный процесс важен. Однако мы не знаем, как контролируется порядок производства субъединиц». Исследователь и его команда сосредоточились на синтезе шести флагеллинов и обнаружили среди них «белую ворону»: субъединицу, имеющую лишь 50% гомологии последовательности с остальными пятью. «Эта субъединица служит контрольной точкой, репрессивным молекулярным регулировщиком, сдерживающим синтез других белков флагеллина», — говорит профессор Виолье. Она присутствует до синтеза других пяти субъединиц и действует как негативный регулятор. Пока она находится в цитозоле, синтез других субъединиц блокируется. Как только элементы жгутика (кроме филамента) собраны, «регулировщик» экспортируется к мембране и удаляется. Затем может начаться синтез последних пяти субъединиц. «Это одновременно сенсор для синтеза белка и компонент филамента жгутика: двойная функция, уникальная в своем роде», — с энтузиазмом отмечает микробиолог.

Это открытие фундаментально для понимания подвижности бактерий и сборки белков. «Оно также дает ключи к пониманию синтеза и сборки тубулина — важнейшей части цитоскелета», — заключает профессор Виолье.