Как отключить «социальную сеть» холерного вибриона

Бактерии используют форму коммуникации, подобную «социальным сетям», — чувство кворума. Оно позволяет им отслеживать плотность популяции и коллективно менять поведение. Поскольку чувство кворума критически важно для поведения патогенных бактерий, таких как Vibrio cholerae (возбудитель холеры), его понимание может помочь найти способ его нарушить для терапевтических целей.

В основе чувства кворума лежит секреция сигнальных молекул — автоиндукторов. Их обнаруживают рецепторы других бактерий, которые запускают внутриклеточный ответ через регуляторные белки, такие как LuxO. В новом исследовании, опубликованном в PLOS Biology, группа учёных из Принстонского университета под руководством Фредерика Хьюсона и Бонни Басслер раскрыла молекулярный механизм, с помощью которого LuxO регулирует патогенность V. cholerae.

LuxO относится к суперсемейству белков AAA+ ATPase и, как ожидалось, формирует кольцевую структуру («пончик») из шести молекул. Было известно, что активная (но не неактивная) форма LuxO связывается с определёнными генами-мишенями, активируя их транскрипцию. Однако оставалось неясным, как фосфорилирование LuxO рецепторами чувства кворума регулирует эту активность.

Структура и механизм ингибирования

Каждая молекула LuxO состоит из трёх доменов:

• N-концевого ресиверного (R) домена,
• центрального каталитического (C) ATPase домена,
• C-концевого ДНК-связывающего (D) домена.

Исследователи определили кристаллическую структуру версии LuxO из родственной бактерии V. angustum, лишённой D-домена. Они обнаружили, что C-домены шести молекул LuxO формируют ожидаемое кольцо, а R-домены расположены снаружи этого кольца.

Ключевым открытием стала необычная линкерная область между R- и C-доменами. В неактивном состоянии, когда R-домен не фосфорилирован, этот линкер и часть R-домена физически блокируют активный каталитический сайт в C-домене. Мутации в линкере или на границе R- и C-доменов предотвращали это ингибирование, делая молекулу LuxO постоянно «включённой».

Сравнение с другими белками AAA+ ATPase позволяет предположить, что фосфорилирование R-домена вызывает его смещение, которое освобождает каталитический сайт LuxO. Это необходимо для активации транскрипции генов-мишеней.

Терапевтический потенциал

Раскрытый механизм ингибирования является совершенно новым для регуляции белков AAA+ и открывает путь для фармакологического вмешательства. Ключевая роль LuxO в каскаде чувства кворума и его наличие у многих видов вибрионов делают его привлекательной мишенью для лекарств против холеры и родственных заболеваний.

В качестве доказательства концепции авторы также проанализировали механизм действия ранее идентифицированного ими низкомолекулярного ингибитора вирулентности V. cholerae — соединения AzaU. Они показали, что AzaU также связывается с активным сайтом LuxO, имитируя аспекты автоингибиторного механизма и «выключая» производство факторов вирулентности.