Инфекционные заболевания являются ведущей причиной глобальной смертности. Во время инфекции бактерии испытывают множество различных стрессов—одни от самого хозяина, другие от ко-колонизирующих микробов, а третьи от методов лечения, используемых для лечения инфекции. В этой гонке вооружений, чтобы перехитрить своих конкурентов, бактерии развили механизмы, чтобы оставаться живыми перед лицом невзгод. Одним из таких механизмов является строгий путь реагирования. Понимание того, как контролируется активация пути строгого ответа, может дать ключ к лечению инфекции.

В новом исследовании, опубликованном на этой неделе в Интернете в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, бывший аспирант Университета Карнеги-Меллон Сурья Д. Аггарвал и его советник, доцент биологических наук Луиза Хиллер, заметили, что делеция гена, участвующего в поверхностном ремоделировании, вызывает стресс-зависимый дефект роста у патогена человека, который трудно объяснить. Расшифровка биологического механизма, лежащего в основе этого дефекта, привела к международному сотрудничеству между Карнеги-Меллоном, Университетом НОВА-де-Лиссабон (Португалия) и Университетом Уорика (Великобритания). Эти совместные усилия объединили опыт команды Карнеги-Меллона в области патогенеза с опытом доцента Серхио Филипе из Университета НОВА-де-Лиссабон и доцента Университета Уорика Адриана Ллойда в области состава и биосинтеза клеточных стенок бактерий и связанных с ними биохимических процессов.

"Это был один из самых веселых и захватывающих проектов в моей карьере", - сказал Хиллер.

Совместный проект установил, что трансферные РНК (тРНК) служат решающим компонентом в контроле активации пути строгого ответа. тРНК играют важную роль в трансляции: они помогают декодировать генетическую информацию в аминокислоты, строительные блоки белков.

Однако иногда они могут ошибиться, когда носитель тРНК и аминокислотный строительный блок не совпадают, что делает комбинацию токсичной. В стрессовых условиях ТРНК делают больше ошибок, и накопление этих ошибок является триггером для жесткой реакции. Этот биологический процесс сродни неисправности машины на сборочной линии, которая приводит к дефектам в конечном произведенном продукте.

Многие бактерии имеют на своей поверхности толстую клеточную стенку. Аминокислоты являются ключевым компонентом этой структуры, и это исследование показало, что белок, участвующий в добавлении аминокислот к этой клеточной стенке, фермент MurM, проявляет сильное предпочтение тРНК, загруженной несогласованными строительными блоками. Направляя эти токсичные блоки к синтезу клеточной стенки и удаляя их от трансляции, МурМ служит менеджером по контролю качества, который гарантирует, что поточная линия остается безошибочной и производственный процесс может продолжаться без сбоев.

В отсутствие МурМ клетки при стрессе активируют строгий ответ легче, чем родительский штамм. Эти результаты позволили предположить, что МурМ служит привратником этого пути реагирования на стресс.

"Это очень полезно, когда внезапно интригующие наблюдения объясняются простой и ясной моделью", - сказал Филипе. "Предположение о том, что клеточная стенка может быть использована для отвода накопления токсичных соединений, довольно захватывающе. Интересно, какие еще сюрпризы последуют от изучения поверхности бактериальных клеток".

"Чтобы исследовать это дальше, мы провели параллели между бактериями, которые мы изучаем, и другими видами, которые не кодируют МурМ", - сказал Аггарвал, который в настоящее время является постдокторантом в медицинском центре Нью-Йоркского университета Лангоне. В большинстве областей жизни, включая клетки человека, патологические последствия этих токсичных тРНК смягчаются AlaXp, ферментом, который также исправляет дефект, отделяя тРНК от неправильно связанного строительного блока.

Однако Streptococcus pneumoniae, бактерии в этом исследовании, а также множество других бактерий с толстыми клеточными стенками, не кодируют AlaXp. Аггарвал добавляет: "Мы хотели проверить, позволит ли искусственное введение дополнительного привратника в виде AlaXp в пневмококковые клеточные механизмы сохранить работоспособность поточной линии даже в отсутствие МурМ. Это направление исследований поставило нас на путь проверки того, связаны ли наблюдаемые нами стресс-зависимые дефекты роста с ролью белка в предотвращении накопления токсичных тРНК."

Проверка была проведена совместными усилиями. Исследования в КМУ использовали генетические инструменты, чтобы отделить роль МурМ в архитектуре клеточной стенки от ее роли в коррекции токсичных пар носителей-строительных блоков. Работа в Уорике использовала биохимические инструменты, чтобы выявить основные процессы, которые делают MurM оптимальным для коррекции токсичных молекул, в то время как исследования в Лиссабоне показали, как корректирующая активность фермента MurM влияет на архитектуру клеточной стенки. Цитируя Ллойда: "Этот международный консорциум смог сосредоточить разрозненные, но взаимосвязанные области знаний, чтобы определить, как ранее считавшиеся разрозненными области микробной биохимии сотрудничают, чтобы позволить важнейшему патогену справляться со стрессами, которые он испытывает во время инфекции. Эта работа обеспечивает шаговое изменение в нашем понимании устойчивости бактерий, поскольку они вызывают инфекцию."

Исследование предполагает, что МурМ является альтернативным эволюционным решением проблемы этих токсичных тРНК. Эти результаты предполагают, что синтез клеточной стенки играет важную роль в выживании бактерий, когда они сталкиваются с непредсказуемыми и враждебными условиями в организме хозяина. Связь между синтезом клеточной стенки и трансляционной точностью, вероятно, активна у многих других патогенов, что подразумевает эти результаты в биологии многих других патогенов.

Эта совместная работа закладывает основу для будущей работы по изучению молекулярной связи между двумя фундаментальными клеточными процессами-трансляцией и синтезом клеточной стенки, а также реакциями на стресс. Более того, центральное положение строгой реакции в выживании на стрессы и антибиотики предполагает, что эти результаты также прольют свет на пути, связанные с бактериальной лекарственной устойчивостью, что является серьезной проблемой для этого века.

ИСТОЧНИК