https://www.thermofisher.com/ru/ru/home/products-and-services/promotions/30-years-discovery-russia-promo.html
Подписаться

Любители погорячее: новые подробности из жизни термофильных фагов

  • 382
  • 0,4
  • 0
  • 1
Добавить в избранное
Новость

Капсид термостабильного фага P74-26 в сравнении с капсидами подобных мезофильных фагов

Организмы, способные жить и размножаться при таких температурах, когда большинство белков денатурирует, всегда привлекали внимание исследователей своими невероятно термостабильными ферментами. Достаточно вспомнить, что полимеразная цепная реакция, без которой нельзя представить современную молекулярную биологию, была бы невозможна без использования ДНК-полимеразы термофильной бактерии Thermus aquaticus. Этот фермент не только не денатурирует, но и активно работает при температурах выше 70 °C. Не менее интересны и вирусы, которые размножаются в термофильных бактериях и археях. Недавно две исследовательские группы почти одновременно опубликовали результаты изучения структуры капсидов и механизмов упаковки в них геномной ДНК у двух термостабильных фагов — P23-45 и P74-26, — поражающих бактерию Thermus thermophilus. Эти вирусы любопытны еще и тем, что они ухитряются упаковать свой геном в капсиды такого типа, которые устроены так, что даже вирусные геномы вдвое меньшего размера размещаются в них с трудом. Наша статья посвящена новым захватывающим подробностям из жизни этих термостабильных вирусов.

Бактериофаг с капсидом правильной икосаэдрической формы, сидящим на хвосте с ножками, стал негласным символом вирусологии . На самом деле икосаэдрические капсиды разных вирусов могут быть устроены по-разному. Сложность таких капсидов характеризует величина, известная как число триангуляции (Т) — число мономеров капсидного белка, которые входят в состав одного капсомера (элементарной структурной единицы капсида). Фаги P23-45 и P74-26, паразитирующие на бактерии Thermus thermophilus, имеют капсиды типа Т=7. Геномы других фагов, имеющих капсиды такого типа, значительно короче геномов P23-45 и P74-26, но даже у них ДНК в капсиде упакована с почти кристаллической плотностью. Как же P23-45 и P74-26 удается упаковывать в капсидах с T=7 ДНК почти вдвое большего размера?

Подробности устройства и жизни бактериофагов «Биомолекула» описывала в статье «Пожиратели бактерий: убийцы в роли спасителей» [1]

Чтобы ответить на этот вопрос, две научные группы — Массачусетского технологического института (MIT) [2] и Сколковского института науки и технологий (совместно с исследователями из Великобритании и США) [3] — изучили строение капсидов P23-45 и P74-26 с помощью криоэлектронной микроскопии. Кроме того, ученые из второй группы также исследовали процесс упаковки ДНК в капсиды в условиях in vitro.

Фаг P23-45 стал объектом исследования группы ученых из Сколтеха и их коллабораторов из Великобритании и США [3]. С помощью криоэлектронной микроскопии они показали, что в зараженных клетках Thermus thermophilus присутствуют капсиды двух типов: сферические с толстыми зазубренными стенками (прокапсиды) и более крупные икосаэдрические с T=7 (рис. 1 и видео 1), которые преимущественно и содержат вирусную геномную ДНК (некоторые из них пусты, но имеют такой же размер, что и капсиды, заполненные ДНК).

Анализ капсида P23-45

Рисунок 1. Анализ капсида P23-45 с помощью криоэлектронной микроскопии. а — Прокапсиды. б — Икосаэдрический капсид, заполненный ДНК (слева), пустой икосаэдрический капсид (в центре) и пустой прокапсид (справа). в и г — 3D-реконструкция прокапсида (в) и пустого икосаэдрического капсида (г). д и е — Вид изнутри: прокапсид (д) и икосаэдрический капсид (е).

Видео 1. 3D-модель икосаэдрического капсида фага P23-45

Одна структурная единица икосаэдрического капсида (капсомер) асимметрична и содержит семь копий главного белка капсида (major capsid protein, MCP). Оказалось, что у фага P23-45 по сравнению с другими фагами, имеющими капсиды с T=7, почти на четверть увеличены зазоры между капсомерами. Более того, его капсомеры сами по себе крупнее благодаря вставкам, увеличивающим размер MCP. Эта же особенность, как оказалось, присуща и фагу P74-26, который исследовали ученые из MIT [2]. Его MCP, в частности, имеет очень длинный N-концевой участок, из-за чего капсомеры становятся крупнее, а капсид в целом — больше и вместительнее. Стоит отметить, что фаги P23-45 и P74-26 стали первыми, для которых показали, что в основе увеличения вместительности капсида лежит именно увеличение размеров отдельных капсомеров. Другие вирусы увеличивают размер капсидов за счет увеличения числа триангуляции или «вытягивания» капсида из правильной икосаэдрической в продолговатую форму.

Стабильность капсида P74-26, судя по всему, дополнительно усилена разнообразными выпетливающимися участками белковых субъединиц. Переплетаясь и взаимодействуя друг с другом, они делают капсид более устойчивым к механическим нагрузкам, например, натяжению.

А как у этих вирусов обстоит дело с упаковкой ДНК? Пока что смоделировать процесс упаковки ДНК в капсид in vitro удалось только для P23-45 [3]. Вообще говоря, для проникновения ДНК в капсид необходима специальная пора, которую формирует портальный белок, вставленный в белковую стенку капсида (видео 2). На него садится фермент терминаза, которая за счет гидролиза АТФ протягивает ДНК внутрь капсида, достигая при этом впечатляющей скорости — до двух тысяч нуклеотидов в секунду. Терминаза P23-45 может функционировать в широком диапазоне температур — от 20 до 70 °C, — однако эффективнее всего она работает при 50–65 °C. У P23-45 портальный белок представляет собой олигомер из 12 субъединиц, взаимодействия между которыми усилены за счет дополнительных водородных связей и солевых мостиков, которые и делают белок термостабильным.

Видео 2. Модель портального белка капсида фага P23-45

Оказалось, что конформация портального комплекса зрелых икосаэдрических капсидов и сферических капсидов различается, чем, вероятно, и обусловлены их различия в способности к упаковке ДНК (к слову, в условиях in vitro изредка ДНК упаковывается и в прокапсиды). Более того, капсид непосредственно влияет на работу портального белка, изменяя его способность к взаимодействию с терминазой.

Помимо очевидного преимущества большого капсида — способности к упаковке более длинной ДНК — у термостабильных вирусов он может обеспечивать дополнительный уровень защиты генетического материала, который необходим в условиях высоких температур: большой капсид сам по себе более стабилен, и кроме того, его способность к плотной упаковке ДНК минимизирует ее контакт с неблагоприятной внешней средой.

Изучение термостабильных вирусов интересно не только с точки зрения фундаментальной науки: термостабильная АТФаза, загружающая ДНК в капсид, может найти применение в биотехнологических разработках, требующих высокоточной ферментативной активности при высоких температурах.

Литература

  1. Пожиратели бактерий: убийцы в роли спасителей;
  2. Stone N., Demo G., Agnello E., Kelch B.A. (2019). Principles for enhancing virus capsid capacity and stability from a thermophilic virus capsid structure. bioRxiv;
  3. Oliver W. Bayfield, Evgeny Klimuk, Dennis C. Winkler, Emma L. Hesketh, Maria Chechik, et. al.. (2019). Cryo-EM structure and in vitro DNA packaging of a thermophilic virus with supersized T=7 capsids. Proc Natl Acad Sci USA. 201813204.

Комментарии