Studie från den amerikanska delstaten Ohio avslöjar bakteriell försvarsmekanism mot fager

Studie från den amerikanska delstaten Ohio avslöjar bakteriell försvarsmekanism mot fager

En av de många hemligheterna bakom bakteriers framgång är deras förmåga att försvara sig mot virus som kallas fager, som infekterar bakterier och använder sina cellulära maskiner för att göra kopior av sig själva.

Teknologiska framsteg har nyligen gjort det möjligt att identifiera de proteiner som är involverade i dessa system, men forskare fördjupar sig fortfarande i hur dessa proteiner fungerar.

I en ny studie har ett team från Ohio State University rapporterat den molekylära sammansättningen av ett av de vanligaste antifagsystemen – från familjen av proteiner som kallas Gabija – som beräknas användas av minst 8,5 % och upp till 18 % av alla bakteriearter på jorden.

Forskare upptäckte att ett protein verkar ha förmågan att bekämpa en fag. Men när det binder till ett partnerprotein är det resulterande komplexet extremt skickligt på att skära genomet av en invaderande fag, vilket gör det oförmöget att replikera.

Vi antar att de två proteinerna måste bilda ett komplex för att spela en roll i fagförebyggande. Men vi tror också att ett protein ensamt har en viss antifagfunktion. Det andra proteinets fulla roll kräver ytterligare undersökning."

Zhangfei Shen, medförfattare till studien och postdoktor i biologisk kemi och farmakologi vid Ohio State's College of Medicine

Resultaten bidrar till vetenskaplig förståelse av mikroorganismers evolutionära strategier och kan en dag översättas till biomedicinska tillämpningar, säger forskare.

Shen och medförfattaren Xiaoyuan Yang, en doktorand, arbetar i labbet hos huvudförfattaren Tianmin Fu, biträdande professor i biologisk kemi och farmakologi vid Ohio State.

Studien publicerades den 16 aprilNaturens strukturella och molekylära biologi.

De två proteinerna som utgör detta försvarssystem kallas Gabija A och Gabija B, eller GajA och GajB för kort.

Forskare använde kryoelektronmikroskopi för att bestämma de biokemiska strukturerna av GajA och GajB individuellt, samt ett så kallat supramolekylärt komplex, GajAB, som bildas när de två kombineras till ett kluster som består av fyra molekyler av varje protein.

I experiment medBacillus cereusMed hjälp av bakterier som exempel observerade forskarna komplexets aktivitet i närvaro av fager för att få insikter om hur försvarssystemet fungerar.

Även om GajA ensamt visade tecken på aktivitet som kunde deaktivera en fags DNA, var komplexet som den bildade med GajB mycket effektivare för att säkerställa att fager inte kunde ta över bakteriecellen.

"Det är den mystiska delen," sa Yang. "Enbart GajA räcker för att klyva fagkärnan, men det bildar också komplexet med GajB när vi inkuberar dem tillsammans. Vår hypotes är att GajA känner igen fagens genomsekvens, men GajB förstärker denna igenkänning och hjälper till att skära fagens DNA." "

Den stora storleken och långsträckta konfigurationen av komplexet gjorde det svårt att få en fullständig bild av GajB:s funktionella bidrag när det var bundet till GajA, sa Shen, så laget var tvunget att göra några antaganden om proteinrollerna som ännu inte har bekräftats.

"Allt vi vet är att GajB hjälper till att öka GajA-aktiviteten, men vi vet ännu inte hur det fungerar eftersom vi bara ser cirka 50% av det i komplexet," sa Shen.

En av deras hypoteser är att GajB skulle kunna påverka koncentrationen av en energikälla, nukleotiden ATP (adenosintrifosfat), i den cellulära miljön - närmare bestämt genom att sänka ATP efter att ha upptäckt fagens närvaro. Detta skulle ha den dubbla effekten av att utöka GajA:s fag-DNA-deaktiverande aktivitet och stjäla energi som en fag skulle behöva för att börja replikera, sa Yang.

Det finns fortfarande mer att lära sig om bakteriella antifagförsvarssystem, men detta team har redan visat att blockering av virusreplikation inte är det enda vapnet i bakteriearsenalen. I en tidigare studie beskrev Fu, Shen, Yang och kollegor en annan försvarsstrategi: bakterier programmerar sin egen död snarare än att tillåta fager att ta över ett samhälle.

Detta arbete stöddes av National Institute of General Medical Sciences.

Ytterligare medförfattare inkluderar Jiale Xie, Jacelyn Greenwald, Ila Marathe, Qingpeng Lin och Vicki Wysocki från Ohio State och Wenjun Xie från University of Florida.

Källor: