Для постройки механизма, позволяющего бактерии плавать, нужно собрать более 50 белков согласно логичному и чётко определённому порядку, чтобы сформировать жгутик, клеточный аналог мотора на лодке. Для правильной работы жгутик должен собираться по частям, оканчиваясь скрученной нитью, называемой жгутиковым филаментом, состоящим из шести разных подчастей, называемых флагеллинами. Микробиологи из университета Женевы (UNIGE) продемонстрировали, что добавление сахаров к флагеллинам критически важно для сборки и функциональности жгутика. Гликирование проводится вновь открытым ферментом FlmG, чья роль до сегодняшнего дня была неизвестной. Основываясь на этом наблюдении, всё про которое можно прочитать в журнале eLife, исследователи сделали ещё одно открытие, опубликованное в журнале Developmental Cell. Среди шести флагеллинов Caulobacter crescentus, модельной бактерии в этих двух исследованиях, один является специальным и служит сигналом для начала финальной сборки жгутика.
Жгутик — это локомотив бактерий. Благодаря жгутику бактерии могут плыть по направлению к еде, будь это в Женевском озере (Леман) или внутри организма хозяина во время инфекциии. Жгутик, который благодаря своей сложности похож на лодочный мотор, состоит из базовой структуры, ротора и винтового пропеллера. Он синтезируется внутри бактерий, в их цитозоле. «50 белков должны быть произведены последовательно и собраны в правильном порядке, — начинает Патрик Виолье, исследователь отделения микробиологии и молекулярной медицины UNIGE. — В то же время жгутик должен закрепиться внутри бактериальной оболочки, которая содержит до трёх клеточных слоёв перед тем, как оказаться снаружи». И хотя отдельные компоненты жгутика известны, многие нюансы механизмов контроля и нацеливания его сборки всё ещё недостаточно понятны.
Сладкий сюрприз.
Микробиологи UNIGE изучали бактерию Caulobacter crescentus. «Эти бактерии очень интересны как объект для изучения жгутиков, так как они производят две разные дочерние клетки: у одной есть жгутик, а у другой — нет. Они идеальны для понимания, что нужно для постройки жгутика», — объясняет Николас Кинт, соавтор исследования. Другая особенность этих бактерий заключается в том, что филамент их жгутика — это агрегат, состоящий из шести флагеллиновых субъединиц, и это означает, что он не является результатом полимеризации одного белка, как в случае многих других бактерий. «При анализе этих шести флагеллинов, мы обнаружили, что они покрыты сахарами. Это означает, что шаг гликирования — ферментативной реакции присоединения сахаров к белкам — имел место и был необходим для сборки. Это было удивительное открытие, так как эта реакция нечасто встречается в бактериях и не очень хорошо изучена», — продолжает профессор Виолье.
Исследовательская команда Виолье успешно продемонстрировала, что гликирование шести флагеллинов, которые составляют филамент, критически важно для образования и функциональности жгутика. «Чтобы продемонстрировать это, мы сперва идентифицировали ген, который производит гликирующий фермент, FlmG. Когда он отсутствует, это приводит к бактерии без жгутика. Затем мы генетически модифицировали другой тип бактерий, Escherichia coli, чтобы они производили один из шести флагеллинов, гликирующий фермент и фермент, производящий сахара, от Caulobacter crescentus. Все эти элементы требуются для получения модифицированного флагеллина», — добавляет Николас Кинт.
Разносторонняя 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 порядок производства этих субъединиц контролируется», — отмечает исследователь. Он и его команды сфокусировались на синтезе шести флагеллинов, открыв белую ворону среди них: субъединицу, последовательность которой только на 50 % гомологична остальным пяти. «Эта субъединица служит своеобразным контрольно-пропускным пунктом, подавляющим молекулярным гаишником, ограничивающим синтез остальных флагеллиновых белков, — говорит профессор Виолье. — Он появляется до синтеза остальных пяти субъединиц и работает как отрицательный регулятор. Пока он представлен в цитозоле, синтез остальных субъединиц предотвращается. Когда все элементы жгутика, кроме филамента, собраны, «гаишник» отправляется к мембране и таким образом удаляется. И тогда уже может начаться синтез оставшихся пяти субъединиц. Это и датчик для синтеза белка, и компонент филамента жгутика одновременно — двойная функция, единственная в своём роде», — говорит микробиолог с большим энтузиазмом.
Это открытие закладывает основу для понимания подвижности бактерий и сборки белков. «Оно также может помочь в понимании синтеза тубулина, ключевой части цитоскелета», — заключает профессор Виолье.
Перевод Антон Меньшенин.