Как патогенные бактерии используют молекулярную мимикрию, чтобы нарушить производство белков в клеткеКак патогенные бактерии используют молекулярную мимикрию, чтобы нарушить производство белков в клетке
Центральная догма молекулярной биологии гласит, что информационные пакеты, закодированные в молекулах ДНК, сначала транскрибируются в молекулы мРНК, а затем транслируются/декодируются, образуя белки.
Внутри клеток трансляция осуществляется рибосомами, которая сама состоит из десятков белков и РНК. Кроме того, с рибосомой взаимодействует множество других регуляторных факторов, которые помогают сделать процесс трансляции быстрым, точным и настраиваемым. На самом деле, если посчитать количество белков, участвующих в этом процессе, то их окажется более 100 - да, для создания одного белка требуется более 100 белков! Таким образом, процесс трансляции является чрезвычайно энерго- и ресурсозатратным, что отражает его огромную важность для клетки.
В процессе трансляции ключевой молекулой, облегчающей декодирование, является тРНК (трансферная РНК). тРНК - это "переводчик", который знает как язык нуклеиновой кислоты, так и язык белков. тРНК подносит аминокислоту к соответствующей последовательности мРНК (так называемому кодону), а рибосома движется по длине мРНК и одновременно сшивает аминокислоты вместе. Таким образом, комплекс рибосома-тРНК переводит один язык на другой, выполняя основной этап синтеза белка. Как и в любом другом процессе, клетки стараются изо всех сил поддерживать эффективность и точность синтеза белка. Действительно, измерения в самых разных клетках показали, что белки обычно синтезируются с высокой точностью и со средней скоростью ~6 аминокислот в секунду.
Многочисленные патогены, включая вирусы, бактерии и грибы, выработали механизмы, направленные непосредственно на механизмы синтеза белка в клетках, которые они инфицируют. Это позволяет патогенам размножаться, подрывать защитные механизмы клетки-хозяина и в конечном итоге регулировать лизис клетки, чтобы потомство могло быть высвобождено для дальнейших раундов инфекции.
В инфицированных клетках удлинение аминокислотных цепочек, составляющих белки, происходит неравномерно, что приводит к скоплению рибосом в определенных местах транслируемых мРНК и снижению скорости синтеза белка в клетке-хозяине. Для аналогии представьте себе движение в час пик на автостраде, где машины - это рибосомы, а асфальтовая дорога - длина мРНК. Из-за неприятного инцидента автомобили начинают скапливаться на автостраде и скорость движения замедляется.
По имеющимся данным, Legionella pneumophila вызывает аналогичную реакцию в клетках, которые она инфицирует, - снижение скорости синтеза белка в клетке-хозяине и приостановку работы рибосом на мРНК, то есть пробки на "автостраде синтеза белка". Ученые задались вопросом, как и почему Legionella pneumophila нацеливается на этап элонгации трансляции. Ответ на эти вопросы исследователи попытались найти в исследовании, опубликованном в журнале Nature Cell Biology.
Legionella выделяет несколько токсинов в инфицированную клетку. Поэтому авторы сначала измерили, могут ли эти токсины быть равнозначными по своей способности ингибировать синтез белка. И тут их ждал первый сюрприз: в то время как шесть токсинов, которые они тестировали, оказывали схожее действие, один токсин легионеллы выделялся на фоне остальных, и назывался он SidI (произносится как "Сид-и"). Ученые обнаружили, что синтез белка подавляют ничтожные количества SidI. Измерения показали, что сила действия SidI сопоставима с силой действия рицина, одного из самых мощных токсинов в природе.
Второй сюрприз был получен после раскрытия структуры этого мощного ингибитора с помощью криоэлектронной микроскопии - метода, позволяющего сохранить трехмерную архитектуру биомолекулы. Полученная структура обнаружила удивительную молекулярную мимикрию. В то время как одна половина SidI имеет архитектурную форму, присутствующую в ферментах, называемых гликозилтрансферазами, другая половина напоминает форму и размер молекулы тРНК. Помните, что тРНК доставляют отдельные аминокислоты к рибосомам, чтобы помочь декодировать мРНК. SidI притворяется тРНК и обманывает рибосому, чтобы та приняла его, но вместо того, чтобы доставить аминокислоту к рибосоме, он останавливает трансляцию на рибосоме.
Авторы провели ряд экспериментов, чтобы установить, что SidI непосредственно нацелен на рибосомы клетки-хозяина и модифицирует их. Это приводит к тому, что модифицированная рибосома на мРНК движется гораздо медленнее, чем рибосома, идущая за ней, что приводит к столкновениям рибосом. Если придерживаться аналогии с автострадой, то это похоже на столкновение автомобилей, когда у машины впереди вас возникают проблемы и она резко тормозит. Насколько известно, такое соединение формы (мимикрия" тРНК) и функции (ферментативная активность) делает SidI уникальной и беспрецедентной молекулой в природе.
"Каковы же последствия таких аберрантных столкновений рибосом в инфицированных клетках?" - задались вопросом исследователи. Пытаясь ответить на этот вопрос, они получили третий сюрприз, обнаружив, что эти столкнувшиеся рибосомы воспринимаются клетками-хозяевами для активации пути ответа на риботоксический стресс, который приводит к накоплению главного регулятора экспрессии генов, называемого активирующим транскрипционным фактором 3 (ATF3). Примечательно, что даже если синтез белка в основном подавлен, белок ATF3 избегает блокировки трансляции мРНК и индуцируется на высоком уровне. ATF3 проникает в ядро клетки и запускает программу, которая регулирует лизис клеток. Авторы полагают, что этот механизм может быть важен для выхода реплицированных бактерий во внеклеточную среду, способствуя дальнейшим раундам инфекции.
Токсины патогенных микроорганизмов уже давно используются в качестве точных молекулярных инструментов для изучения фундаментальных процессов, происходящих внутри клеток. Теперь к этому арсеналу природных инструментов присоединился SidI. Фундаментальные открытия, полученные в ходе данных исследований, проливают новый свет на механизмы, с помощью которых патогены используют молекулярную мимикрию для захвата процессов, критически важных для контроля оптимального функционирования клетки-хозяина.
Интересно, что раскрыв молекулярный механизм SidI, ученые также обнаружили критические сигнальные узлы пути стрессового ответа, который активируется после столкновения рибосом. Как сказал руководитель исследования Шаери Мукерджи: "Бактерии - лучшие клеточные биологи!".
