Новости

Бактерии обладают иммунной системой, которая защищает их от бактериофагов.     Исследовательская группа под руководством профессора доктора Аны Брочадо из Тюбингенского университетов показала, как эта иммунная система усиливает действие специфических антибиотиков против возбудителя холеры Vibrio cholerae. Результаты исследования опубликованы в последнем номере журнала Nature Microbiology.    Именно благодаря иммунной системе Vibrio cholerae особенно чувствительна к одному из старейших известных классов антибиотиков - антифолатам. Иммунная система Vibrio cholerae состоит из нескольких молекулярных защитных систем, которые защищают бактерию от атак различных бактериофагов. Одна из таких защитных систем называется CBASS (cyclic-oligonucleotide-based antiphage signaling system - антифаговая сигнальная система на основе циклических олигонуклеотидов). CBASS активируется, когда Vibrio cholerae подвергается атаке бактериофагов, и заставляет зараженную бактерию уничтожить саму себя, тем самым предотвращая последующую атаку на популяцию.    Авторы показали, что антифолатные антибиотики активируют защитную систему CBASS даже в отсутствие бактериофагов. Таким образом, активированная CBASS потенцирует действие антибиотика и приводит к гибели клеток Vibrio cholerae. "Как и при аутоиммунном заболевании, бактерия повреждается в результате собственного иммунного ответа", - объясняет Брочадо.    "Антифолаты были одними из первых антибиотиков на рынке; они ингибируют синтез фолатов, которые являются строительными блоками ДНК. Наши результаты показывают, что спустя более 90 лет после появления антифолатов мы все еще не знаем всего о способе их действия. Удивительно, но иммунная система бактерий изменяет их эффект. Чем больше мы знаем о способе действия антибиотиков, тем лучше мы можем их использовать. Это поможет нам решить, использовать ли их отдельно, в сочетании с другими антибиотиками или даже параллельно с фаговой терапией - не только для лечения холеры, но и против других бактериальных инфекций", - добавляет Брочадо. Susanne Brenzinger et al. Система защиты фагов Vibrio cholerae CBASS модулирует устойчивость и гибель под действием антифолатных антибиотиков (аннотация).    Токсичные бактериальные модули, такие как токсин-антитоксиновые системы, обладают антимикробным потенциалом, хотя их успешное применение встречается нечасто. В данном исследовании мы показали, что у Vibrio cholerae циклическая олигонуклеотидная антифаговая сигнальная система (CBASS), еще один пример токсичного модуля, повышает чувствительность к антифолатным антибиотикам до 10 раз, препятствует их синергизму и в конечном итоге обеспечивает лизис бактерий этими классическими бактериостатическими антибиотиками.     Выработка циклических олигонуклеотидов нуклеотидилтрансферазой CBASS DncV при обработке антифолатами подтверждает полную активацию CBASS в этих условиях и предполагает, что антифолаты снимают аллостерическое ингибирование DncV фолатами. Следовательно, взаимодействие CBASS и антифолата специфично для систем CBASS с близкородственными нуклеотидилтрансферазами и аналогичными фолат-связывающими структурами. Наконец, гены резистентности к антифолатам отменяют взаимодействие CBASS и антифолатов, минуя эффекты антифолатной активности на мишени, создавая тем самым потенциал для их коэволюции с CBASS.     В целом, наши результаты показывают, как токсичные модули могут влиять на активность антибиотиков и в конечном итоге наделять бактерицидной активностью классические бактериостатические антибиотики.

Патогенные бактерии выделяют целый ряд токсичных белков, которые подрывают защитные механизмы хозяина на клеточном уровне.     Tc-токсины множества известных патогенов являются очень крупными и архитектурно сложными белками, механизм секреции которых остается весьма загадочным. Их инсектицидная функция хорошо изучена как в клеточных культурах, так и in vivo, в то время как их значение в инфекциях млекопитающих остается лишь частично изученным.    Группа под руководством Штефана Раунсера, директора Института молекулярной физиологии имени Макса Планка, обнаружила уникальный механизм секреции, который позволяет высвобождать гигантские токсины Tc. В результате атаки небольшая группа "бактерий-солдат", до отказа набитых токсинами, высвобождает свой смертоносный груз, взрываясь при этом подобно камикадзе. Использование таких субпопуляций в медицинской практике может стать перспективной стратегией лечения заболеваний, вызываемых бактериями, которые становятся все более резистентными к антибиотикам. Исследование опубликовано в журнале Nature Microbiology.    У грамотрицательных бактерий токсичные белки сталкиваются с проблемой преодоления нескольких клеточных барьеров, принадлежащих как бактериям, так и хозяину, чтобы в итоге достичь своей цели. Для этого бактерии разработали ряд специализированных систем секреции. Некоторые из них способны выделять разнообразные токсины и присутствуют почти у всех бактерий, в то время как другие были обнаружены лишь у некоторых. Механизмы секреции многих небольших токсинов уже установлены.     "Тем не менее, в течение десятилетий оставалось загадкой, как огромные Tc-токсины достигают своего конечного пункта назначения. Получив с помощью электронной криомикроскопии первые 3D-структуры Tc-токсина в наших предыдущих исследованиях, мы уже смогли выяснить, как он преодолевает последний барьер - мембрану клетки хозяина, используя механизм впрыска, похожий на шприц. Теперь мы смогли дополнить картину и показать, как эти токсины преодолевают три барьера, отделяющие внутреннюю часть бактерии от окружающей среды, действительно впечатляющим образом", - рассказал Раунсер.    В своей последней работе ученые применили передовую комбинацию нескольких методов для изучения секреции Tc-токсина YenTc, производимого патогеном насекомых Yersinia entomophaga, который имеет решающее значение для развития инфекции этим видом бактерий. Самой сложной задачей было изначально определить, какой из известных механизмов секреции используется бактериями для этой цели. Для этого ученые поочередно отключили все предполагаемые системы секреции, используя направленное редактирование генома. Когда ни один из нокаутов не остановил выделение токсина, тот же метод был использован для модификации токсина таким образом, чтобы его выделение можно было визуализировать - и на этот раз с успехом.    "Наблюдать за тем, как некоторые бактерии буквально взрываются, высвобождая свои токсины, было настоящим моментом "эврики", - делится Раунсер. Тщательный протеомный анализ позволил выявить рН-чувствительную систему секреции 10-го типа, ответственную за высвобождение токсинов, - класс механизмов экспорта белков, который был установлен совсем недавно. Последующий крио-электронно-томографический анализ позволил увидеть все детали того, как эта система секреции экспортирует клеточное содержимое с помощью ранее неизвестного литического способа действия, преодолевающего три барьера, окружающие грамотрицательные бактерии.    Ученые обнаружили, что только небольшая специализированная группа бактериальных клеток производит и экспортирует токсины, платя за это высокую цену, а именно свою жизнь. Но что заставляет эти клетки, которые авторы назвали "клетками-солдатами", сначала разрастись и произвести смертельный коктейль токсинов, содержащий YenTc, а затем совершить самоубийство во благо своих товарищей?    Сначала ученые установили, что появление клеток-солдат зависит от температуры, питательных веществ и плотности популяции клеток. Затем они обнаружили чувствительный к температуре генетический переключатель, который синхронизирует производство токсинов с производством системы секреции и превращает "нормальные" клетки в камикадзе. Массовое производство токсинов в сочетании с увеличением клеточной популяции позволяет жертвовать лишь несколькими особями ради блага бактериальной популяции, что является чрезвычайно эффективной стратегией. "Если этот механизм окажется более распространенным, мы, возможно, выявим слабое место бактерий: целенаправленное воздействие на клетки-солдаты может стать перспективной стратегией в борьбе с патогенными бактериями, особенно в условиях растущей резистентности к антибиотикам", - считает Раунсер. Oleg Sitsel et al. Tc-токсин Yersinia entomophaga высвобождается при T10SS-зависимом лизисе специализированных клеточных субпопуляций (аннотация).    Имеются данные о том, что после секреции Tc-токсины связываются с клетками-мишенями через гликозилированные белковые рецепторы и поверхностные гликановые молекулы, после чего подвергаются эндоцитозу. Подкисление эндосомы вызывает конформационные изменения в TcA, что заставляет его центральный канал войти в эндоцитарную мембрану, в результате чего встроенный в мембрану кончик канала открывается и высвобождает цитотоксическое вещество из кокона TcB-TcC в цитоплазму клетки-мишени, где оно модифицирует субстраты, такие как Rho GTPases и актиновый цитоскелет, и в конечном итоге вызывает гибель клетки.    Подобно другим токсинам грамотрицательных бактерий, Tc-токсины должны преодолеть фосфолипидную внутреннюю мембрану, пептидогликановый кокон и липополисахаридную внешнюю мембрану, когда покидают клетку. Хотя существует несколько конкурирующих гипотез секреции Tc-токсинов, включая автотранспортировку TcB-TcC на поверхность бактерий с высвобождением под действием липазы и секрецию T3SS или опосредованную везикулами наружной мембраны.    Поиск механизма высвобождения токсина Tc осложняется тем, что в отличие от большинства грамотрицательных токсинов, они не соответствуют строгим критериям для системы секреции 1 типа (T1SS), Tat/T2SS, Sec/T2SS, Sec/T5SS, OMV, T3SS, T4SS или T6SS, опосредующих экспорт. Они также слишком велики, чтобы быть закодированными в геномах бактериофагов, подобно токсинам Шига, которые полагаются на своевременный литический вирусный выброс, опосредованный холин/эндолизин/спанин-содержащими кассетами фагового лизиса, чтобы покинуть бактериальные клетки.    В данном исследовании мы изучили механизм секреции YenTc, Tc-токсина, ответственного исключительно за чрезвычайную летальность Y. entomophaga по отношению к насекомым. Сочетая микроскопию, протеомный анализ и целевые геномные нокауты, мы обнаружили, что небольшая субпопуляция специализированных клеток, которые мы назвали "клетками-солдатами", выделяет YenTc и другие факторы вирулентности с помощью pH-чувствительного T10SS литическим способом, и определили термочувствительный регуляторный механизм, управляющий поведением клеток-солдат и координирующий производство YenTc. Затем мы визуализировали поэтапное высвобождение YenTc с помощью криоэлектронной томографии.     Эти результаты разрешают загадку секреции Tc-токсина у патогенов и показывают, как специализированные клетки придают вирулентность целым бактериальным популяциям.