Взрывающиеся бактерии-камикадзе: как несколько «солдатских» клеток обеспечивают вирулентность популяции, жертвуя собой
Патогенные бактерии используют токсины для атаки клеток хозяина. Перед этим они должны экспортировать токсины из своей цитоплазмы с помощью специализированных систем секреции.
Группа под руководством Штефана Раунзера из Института молекулярной физиологии Макса Планка выяснила механизм секреции гигантских Tc-токсинов.
В ходе своего рода атаки камикадзе небольшая группа так называемых «солдатских» бактерий, набитых токсинами, высвобождает свой смертельный груз, взрываясь внутри хозяина. Нацеливание на такие субпопуляции в терапии может стать перспективной стратегией лечения болезней, вызываемых бактериями с растущей устойчивостью к антибиотикам. Исследование опубликовано в Nature Microbiology.
В грамотрицательных бактериях токсичным белкам необходимо преодолеть несколько клеточных барьеров. Механизм секреции многих мелких токсинов уже известен, но не для крупных, таких как Tc-токсины, продуцируемые бактериями Yersinia (включая возбудителей чумы и туберкулёза).
«Теперь нам удалось завершить картину и показать, как эти токсины поистине впечатляющим образом преодолевают три барьера, отделяющие внутреннюю среду бактерии от окружающей среды», — говорит Штефан Раунзер.
Взрывающиеся бактерии
В своей работе учёные исследовали секрецию токсина YenTc, продуцируемого насекомым патогеном Yersinia entomophaga. С помощью направленного редактирования генома они модифицировали токсин, чтобы визуализировать его секрецию.
«Наблюдать, как некоторые бактерии буквально взрываются, чтобы высвободить свои токсины, было настоящим моментом озарения», — говорит первый автор исследования Олег Сицель.
Тщательный протеомный анализ выявил pH-чувствительную систему секреции 10-го типа, ответственную за высвобождение токсина — класс аппарата экспорта белков, установленный лишь недавно.
Последующий криоэлектронно-томографический анализ визуализировал детали того, как эта система секреции экспортирует клеточное содержимое с помощью ранее неизвестного литического механизма действия, преодолевающего три барьера, окружающие грамотрицательные бактерии.
Становление клеткой-солдатом
Учёные обнаружили, что лишь небольшая специализированная субпопуляция бактериальных клеток производит и экспортирует токсины, платя за это высшую цену — смерть. Что заставляет эти «клетки-солдаты» сначала увеличиваться и производить смертельный коктейль токсинов, содержащий YenTc, а затем совершать самоубийство на благо своих собратьев?
Появление клеток-солдат зависит от температуры, питательных веществ и плотности клеток. Был обнаружен температурно-чувствительный генетический переключатель, который синхронизирует производство токсинов с производством системы секреции и превращает «нормальные» клетки в клетки-солдаты.
Массовое производство токсинов в сочетании с увеличенным размером клеток гарантирует, что лишь немногим особям нужно пожертвовать собой для большего блага бактериальной популяции — чрезвычайно эффективная стратегия.
«Мы предполагаем, что нормальные клетки превращаются в клетки-солдаты после попадания в организм насекомого в ответ на питательные вещества хозяина. Секреция токсина чувствительна к pH, что задерживает его высвобождение до тех пор, пока клетки-солдаты не достигнут щелочной задней средней кишки, своего главного театра военных действий», — говорит Раунзер.
«Эта стратегия секреции уникальна и примечательна. Поведение этих бактерий демонстрирует такие характеристики, как дифференциация и альтруизм, которые напоминают эусоциальные системы. Если это окажется более распространённым механизмом, мы, возможно, обнаружили слабое место бактерий: целенаправленное воздействие на клетки-солдаты может стать перспективной медицинской стратегией в борьбе с патогенными бактериями, особенно во времена роста устойчивости к антибиотикам», — заключает Раунзер.