Высокий

Dec 29, 2023

Nature Communications, том 13, номер статьи: 7241 (2022) Ссылаться на эту статью

4355 Доступов

3 цитаты

104 Альтметрика

Подробности о метриках

Гигантский миофаг Klebsiella φKp24 демонстрирует необычно сложное расположение хвостовых волокон, взаимодействующих с клеткой-хозяином. В этом исследовании мы объединяем методы криоэлектронной микроскопии, методы прогнозирования структуры белка, молекулярное моделирование, микробиологические подходы и подходы машинного обучения для изучения капсида, хвоста и хвостовых волокон φKp24. Мы определяем структуру капсида и хвоста с разрешением 4,1 Å и 3,0 Å. Мы наблюдаем, что хвостовые волокна разветвляются и резко перестраиваются при прикреплении к поверхности клетки. Эта сложная конфигурация включает четырнадцать предполагаемых хвостовых волокон с деполимеразной активностью, которые обеспечивают φKp24 способность инфицировать широкую панель типов капсульных полисахаридов (CPS) Klebsiella pneumoniae. Наше исследование дает структурное и функциональное представление о том, как φKp24 адаптируется к различным поверхностям капсулированных бактериальных патогенов, что полезно для разработки подходов к фаговой терапии против пан-лекарственно-устойчивых штаммов K. pneumoniae.

Болезнетворные бактерии представляют все большую угрозу здоровью человека. Хотя многие бактериальные инфекции можно эффективно вылечить с помощью антибиотиков, устойчивость к противомикробным препаратам (УПП) все чаще приводит к неэффективности лечения. Недавнее исследование сообщило о 3,57 миллиона смертей, связанных с УПП от шести ведущих патогенов в 2019 году1. Среди них Klebsiella pneumoniae, патоген, признанный Всемирной организацией здравоохранения приоритетом 1 (критическим) для разработки новых антибиотиков2. K. pneumoniae может вызывать пневмонию, инфекции мочевыводящих путей, бактериемию и другие инфекционные заболевания у людей, особенно у лиц с ослабленным иммунитетом3. Подавляющее большинство клинических изолятов K. pneumoniae имеют выраженную капсулу, которая обычно считается важным фактором вирулентности, опосредующим защиту от иммунной системы хозяина4. Существует более сотни генетически различных типов капсульных локусов, из которых 77 хорошо охарактеризованных химических структур используются при серотипировании (типы K)5.

Несмотря на то, что K. pneumoniae с множественной лекарственной устойчивостью нечувствительны к стандартным антибиотикам, они остаются восприимчивыми к бактериофаговой инфекции. Бактериофаги, или сокращенно фаги, — это вирусы, поражающие бактерии. Фаги, специфичные для клебсиелл, могут успешно заражать и убивать своего естественного хозяина; однако большинство этих фагов обычно обладают высокой штаммоспецифичностью из-за вариабельных капсульных полисахаридов (CPS) этого вида, которые действуют как первичный фаговый рецептор. Капсулозависимые фаги Klebsiella, включая фаги ΦK64-1 или vB_KleM-RaK26,7, оснащены хвостовыми волокнами или хвостовыми шипами, служащими рецептор-связывающими белками (RBP), содержащими домены ферментов, разрушающих CPS (капсульные деполимеразы), которые обеспечивают успешную адсорбцию фага. и инфекция8. Для простоты в дальнейшем мы будем использовать термин «хвостовое волокно».

Хвостатые бактериофаги с геномами размером более 200 т.п.н. ДНК определяются как гигантские фаги9. Наиболее примечательными структурными особенностями гигантских фагов являются большие капсиды, инкапсулирующие их геном10. Недавно описанный гигантский миофаг vB_KpM_FBKp24 (φKp24) кодирует по меньшей мере девять хвостовых волокон, содержащих различные деполимеразные домены, что предполагает расширенный круг хозяев. Геномный анализ показал, что φKp24 имеет очень ограниченное сходство с любым другим известным фагом11 и, следовательно, представляет собой новое семейство, названное Vanleuwenhoekviridae (классификация ICTV находится в стадии разработки). Кроме того, трансмиссионная электронная микроскопия выявила уникальную сложную структуру хвостовых волокон базовой пластины. Однако более детальное понимание структуры и функций этого уникального набора хвостовых волокон в настоящее время отсутствует.

Чтобы понять необычную структуру φKp24, мы проанализировали его капсид, хвост и хвостовые волокна, используя различные структурные методы. Мы создали атомные модели для высокоупорядоченного капсида и хвоста фага, используя криоэлектронную микроскопию (крио-ЭМ), одночастичный анализ (SPA) в сочетании с предсказаниями структуры белка AlphaFold212 и моделированием молекулярной динамики (МД). Данные выявили необычные особенности капсида φKp24, в первую очередь состав всего капсида по одному MCP и наличие поры в центре шестиугольников. Понимание структуры гибких и неупорядоченных хвостовых волокон мы получили с помощью криоэлектронной томографии (крио-ЭТ). Этому анализу способствовали подходы машинного обучения, которые научили нейронную сеть автоматически отслеживать сложные хвостовые волокна для количественного анализа данных томографии. Наш анализ выявил выраженную перестройку хвостовых волокон в процессе заражения. Кроме того, мы проверили инфекционность φKp24, используя коллекцию K-серотипов штаммов K. pneumoniae, продемонстрировав необычно широкую панель типов CPS, на которые нацелены хвостовые волокна.