Phân tích cấu trúc sinh học của thực khuẩn thể pseudomonas cho thấy một cơ chế vận chuyễn bộ gen

Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Phân tích cấu trúc sinh học của thực khuẩn thể pseudomonas cho thấy một cơ chế vận chuyễn bộ gen

Thứ ba - 17/12/2024 16:48

Các virus lây nhiễm vi khuẩn là những thực thể sinh học phong phú nhất trên hành tinh. Ví dụ, một nghiên cứu đơn giản gần đây về 92 mẫu từ vòi hoa sen và 36 mẫu từ bàn chải đánh răng ở các phòng tắm Mỹ đã tìm thấy hơn 600 loại virus vi khuẩn, thường được gọi là thể thực khuẩn hoặc thực khuẩn thể. Một muỗng cà phê nước biển ven biển có khoảng 50 triệu thực khuẩn thể.

Mặc dù phần lớn không được chú ý, thực khuẩn thể không gây hại cho con người. Ngược lại, những loại virus này đang ngày càng phổ biến như thuốc sinh học để tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh, đặc biệt là những vi khuẩn liên quan đến nhiễm trùng kháng kháng sinh.

Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications, Gino Cingolani, Tiến sĩ, thuộc Đại học Alabama tại Birmingham, và Federica Briani, Tiến sĩ, thuộc Đại học degli Studi di Milano, Milan, Ý, đã mô tả cấu trúc phân tử đầy đủ của thực khuẩn thể DEV. DEV lây nhiễm và ly giải vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa, một mầm bệnh cơ hội trong xơ nang và các bệnh khác. DEV là một phần của một loại thực khuẩn thể được thử nghiệm pha chế, phát triển để loại bỏ nhiễm trùng P. aeruginosa trong các nghiên cứu tiền lâm sàng.

Hình 1. Chế độ xem toàn cầu về thực khuẩn thể Pseudomonas E217 trong cấu trúc trước và sau khi phóng ra. Tái tạo cryo-EM tổng hợp của virion E217 ở pH trung tính (a) và sau khi ủ ở pH kiềm (b). (c) Chế độ xem phóng to của protein xi măng tam giác gp25 trang trí capsid hai mặt biên diện. Nguồn: https://doi.org/10.1038/s41467-023-39756-z

Một đặc điểm đặc biệt của DEV là sự hiện diện của RNA polymerase liên quan đến virion 3.398 axit amin bên trong capsid bị trục xuất vào vi khuẩn khi bị nhiễm trùng. Thật bất ngờ, nghiên cứu của Cingolani và Briani tiết lộ RNA polymerase liên quan đến virion là một phần của động cơ tống bộ gen kéo DNA của thực khuẩn thể ra khỏi đầu sau khi thể thực khuẩn bám vào bề mặt vi khuẩn Pseudomonas bằng cách sử dụng sợi đuôi của nó và đã xâm nhập vào màng ngoài và màng trong của tế bào bằng ống đuôi (Hình 1).

"Chúng tôi cho rằng các nguyên tắc thiết kế của thiết bị phóng DEV được bảo tồn trong tất cả các thực khuẩn thể Schitoviridae", Cingolani nói. "Tính đến tháng 10/2024, hơn 220 bộ gen Schitoviridae đã được giải trình tự và có sẵn trong cơ sở dữ liệu chung. Vì các bộ gen này phần lớn không được chú thích và nhiều khung đọc mở có chức năng chưa biết, công việc của chúng tôi mở đường cho việc xác định dễ dàng các thành phần cấu trúc khi một thực khuẩn thể Schitoviridae mới được phát hiện.

Hình 1. Thiết bị đuôi DEV

A. Sơ đồ ruy băng tổng hợp của đuôi DEV được tái tạo từ virion FF. Các yếu tố đuôi được xác định de novo trong quá trình tái tạo cục bộ C12 bao gồm protein cổng gp80 (màu vàng), protein đẩy gp72 (màu xanh lam), HT- adapter gp83 (màu tím nhạt) và ống đuôi gp75 (màu đỏ tươi). B. Mặt cắt ngang của biểu diễn bề mặt tĩnh điện của kênh đuôi DEV. Màu đỏ, xanh lam và trắng biểu thị các điện tích âm, dương và trung tính gần bề mặt. C–D. Các mô hình AlphaFold cho sợi đuôi ngắn gp56 và sợi đuôi dài gp53 được phủ lên các tái tạo cục bộ có độ phân giải thấp được hiển thị dưới dạng các bề mặt bán trong suốt. Các yếu tố đuôi riêng lẻ được mã hóa màu, như trong bảng (A).

Họ của thực khuẩn thể Schitoviridae đại diện cho một số virus vi khuẩn ít được nghiên cứu nhất trong sinh học, ngày càng được sử dụng trong liệu pháp thể thực khuẩn, Cingolani nói. "Chúng tôi đang sử dụng cấu tạo sinh học để giải mã các khối cấu trúc và lập bản đồ các sản phẩm gen. Điều này rất quan trọng khi trình tự axit amin tiến hóa quá nhanh để phân tích phát sinh loài thông thường".

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi điện tử cryo, tái tạo cục bộ, phương pháp sinh hóa và loại bỏ di truyền để mô tả kiến trúc phân tử hoàn chỉnh của DEV, có bộ gen DNA, có 91 khung đọc mở bao gồm RNA polymerase liên quan đến virion khổng lồ. "vRNAP (virion-associated RNA polymerase) này là một phần của operon ba gen bảo tồn tất cả các bộ gen Schitoviridae mà chúng tôi đã phân tích", Cingolani nói. "Chúng tôi đề xuất ba protein này được đẩy vào vật chủ để tạo thành một động cơ tống bộ gen trải dài trên vỏ tế bào."

Cấu trúc của DEV và nhiều thực khuẩn thể khác giống như một phiên bản nhỏ của tàu đổ bộ mặt trăng năm 1969 của Neil Armstrong, với một cái đầu lớn, hoặc capsid, chứa bộ gen và các sợi giống như chân hỗ trợ thể thực khuẩn khi nó đậu trên bề mặt vi khuẩn, chuẩn bị lây nhiễm vào tế bào vi khuẩn sống (Hình 1).

Hình 2. Mô hình đề xuất cho sự hấp thụ DEV lên bề mặt P. aeruginosa và đẩy bộ gen ra ngoài.

Ba bước xâm nhiễm được đề xuất như sau: mỗi bước đi kèm với các cấu hình riêng biệt của sợi đuôi dài và đuôi ngắn. A. Một DEV tương tác với kháng nguyên O của vật chủ thông qua các sợi đuôi dài linh hoạt (gp53), có thể định hướng lại virion để hạ cánh vuông góc với OM. B. Sợi đuôi ngắn gp56 tương tác với thụ thể thứ cấp trong vi khuẩn OM, kích hoạt sự thay đổi cấu hình giải phóng sợi ngắn. C. Các protein đẩy gp73, gp72 và gp71 bị đẩy vào màng tế bào vi khuẩn, tại đó gp73 tạo thành lỗ OM, gp72 trải dài quanh chất nguyên sinh và gp71 băng qua IM, đưa một động cơ vRNAP lớn vào tế bào chất của vi khuẩn, bắt đầu kéo bộ gen vi-rút vào bên trong vật chủ. PG = peptidoglycan. Hình 9, được tạo bằng BioRender.com.

Các nhà nghiên cứu đã xác định cấu trúc của tất cả các yếu tố protein capsid và các thành phần đuôi trong DEV liên quan đến sự gắn kết của vật chủ. Thông qua các thí nghiệm di truyền, họ đã chỉ ra rằng các sợi đuôi dài DEV rất cần thiết cho sự lây nhiễm của P. aeruginosa nhưng không cần thiết để lây nhiễm cho các đột biến P. aeruginosa có lipopolysaccharide bề mặt thiếu kháng nguyên O. Nói chung, virus gắn vào các phân tử bề mặt tế bào khác nhau như là bước đầu tiên của nhiễm trùng.

Trong khi nghiên cứu này cung cấp một số hình ảnh tĩnh về cấu trúc thể thực khuẩn, các nhà nghiên cứu không hoàn toàn hiểu được bộ phim về nhiễm DEV. Họ hình dung ba bước trong quá trình lây nhiễm đó.

Trong bước một, khi một phage DEV duy nhất trôi dạt trong sự cô lập, các sợi đuôi dài linh hoạt của nó dao động để cải thiện cơ hội chạm vào phân tử bề mặt lipopolysacarit Pseudomonas. Sau lần chạm đầu tiên, tất cả năm sợi gắn vào để buộc thể thực khuẩn vuông góc gần bề mặt bên ngoài của vi khuẩn.

Trong bước hai, sợi đuôi ngắn, cũng hoạt động như một nút đuôi, chạm vào một thụ thể thứ cấp trên Pseudomonas và tín hiệu cơ học giải phóng nút đuôi.

Cho đến thời điểm này, ba protein được gọi là gp73, gp72 và gp71 đã được lưu trữ bên trong đầu thể thực khuẩn gần đuôi của nó, với hình dạng sẽ thay đổi đáng kể khi chúng thoát ra khỏi đầu thể thực khuẩn. Trong bước ba, khi phích cắm biến mất, ba protein bị trục xuất ra khỏi đầu và vào vỏ tế bào vi khuẩn. Protein gp73, gấp lại hình dạng của nó để tạo thành một lỗ màng ngoài với một trung tâm rỗng. Bên dưới đó, gp72 gấp lại thành một ống rỗng trải dài của Periplasm pseudomonas, khoảng trống giữa màng ngoài của vi khuẩn và màng trong của nó. Cuối cùng, gp71 đi qua màng trong và gấp lại thành một động cơ RNA polymerase lớn trong tế bào chất của vi khuẩn kéo DNA thể thực khuẩn qua các kênh gp73, gp72 rỗng và vào tế bào của Pseudomonas.

Cingolani, một giáo sư tại Khoa Hóa sinh và Di truyền học phân tử, gần đây đã đến UAB để đứng đầu Trung tâm Sinh học Cấu trúc Tích hợp mới, được Hội đồng Quản trị Hệ thống Đại học Alabama phê duyệt vào mùa hè này. Trung tâm sẽ giúp các nhà nghiên cứu UAB nghiên cứu cấu trúc ba chiều của các đại phân tử sinh học, chẳng hạn như protein và axit nucleic, để giải mã chức năng và cơ chế hoạt động của chúng.

Sinh học cấu trúc tích hợp tìm cách hình dung một bộ phim hoàn chỉnh về cách các đại phân tử hoạt động, sử dụng nhiều phương pháp để xem các cấu trúc phân tử và cách chúng tương tác với nhau. Trọng tâm chính của Trung tâm Sinh học Cấu trúc Tích hợp UAB sẽ là nghiên cứu các vấn đề sinh học liên quan đến nhiễm trùng, viêm, miễn dịch, ung thư và thoái hóa thần kinh.

Tham khảo: Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Alabama tại Birmingham. Bản gốc được viết bởi Jeff Hansen.
Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa theo kiểu và độ dài.

Tài liệu tham khảo:

Ravi K. Lokareddy, Chun-Feng David Hou, Francesca Forti, Stephano M. Iglesias, Fenglin Li, Mikhail Pavlenok, David S. Horner, Michael Niederweis, Federica Briani, Gino Cingolani. Phân tích cấu trúc tích hợp của thể thực khuẩn Pseudomonas DEV cho thấy một động cơ tống bộ gen. Truyền thông thiên nhiên, năm 2024; 15 (1) doi: 10.1038/s41467-024-52752-1
Li, F., Hou, CF.D., Lokareddy, RK và cộng sự. Cấu trúc cryo-EM có độ phân giải cao của thực khuẩn Pseudomonas E217. Quốc xã 14, 4052 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-39756-z

Nguồn: Đại học Alabama tại Birmingham. "Phân tích sinh học cấu trúc của virus vi khuẩn Pseudomonas cho thấy một động cơ tống bộ gen." Khoa họcNhật báo. ScienceDaily, ngày 22 tháng 10 năm 2024. <www.sciencedaily.com/10/2024/241022153823.htm>.

Tác giả bài viết: Đinh Anh Hòa - P. CNSH Vi sinh