Der Tuberkulose-Erreger setzt sein Toxin durch ein neuartiges Proteintransportsystem frei

Tuberkulose

Bildnachweis: Pixabay / CC0 Public Domain

Vor sechs Jahren beschrieb Michael Niederweis, Ph.D., das erste Toxin, das jemals für den tödlichen Erreger Mycobacterium tuberculosis gefunden wurde. Dieses Toxin, Tuberkulose-nekrotisierendes Toxin oder TNT, wurde zum Gründungsmitglied einer neuen Klasse von zuvor nicht erkannten Toxinen, die in mehr als 600 Bakterien- und Pilzarten vorhanden waren, wie durch Proteinsequenzähnlichkeit bestimmt. Das Toxin wird freigesetzt, wenn M. tuberculosis-Bakterien überleben und in ihrem menschlichen Makrophagenwirt wachsen, den Makrophagen abtöten und das Entweichen und die Ausbreitung der Bakterien ermöglichen.

132 Jahre lang stand das Fehlen eines identifizierten Toxins bei M. tuberculosis im Gegensatz zu fast allen anderen pathogenen Bakterien, deren Toxine zu Krankheit oder Tod beitragen. M. tuberculosis infiziert 9 Millionen Menschen pro Jahr und tötet mehr als 1 Million.

In einer weiteren bahnbrechenden Arbeit beschreiben Forscher und Kollegen der Universität von Alabama in Birmingham, wie zwei kleine ESX-Proteine, die von den M. tuberculosis-Bakterien hergestellt werden, die Sekretion von TNT durch Porenbildung in den Membranen vermitteln, die die Bakterien umhüllen. Dieser Befund kann breite Anwendung finden, da ein charakteristisches Drei-Aminosäuren-Motiv, das auf EsxE und EsxF gefunden wird – Tryptophan / beliebige Aminosäure / Glycin, in Kurzform als WXG bekannt – auch auf vielen anderen kleinen Mycobacterium-Proteinen und auf dem großen WXG100 gefunden wird Superfamilie bakterieller Proteine, die EsxE und EsxF ähneln.

“Hier zeigen wir zum ersten Mal, dass kleine Esx-Proteine ​​der WXG100-Familie eine wichtige molekulare Funktion innerhalb der Mtb-Zelle haben, indem sie die Toxinsekretion vermitteln”, sagte Niederweis, Professor an der UAB-Abteilung für Mikrobiologie. “Unsere Ergebnisse legen einen dynamischen Mechanismus der Porenbildung durch kleine Esx-Proteine ​​nahe, der auf andere Mitglieder der großen WXG100-Proteinfamilie anwendbar sein könnte. Somit stellt unsere Studie nicht nur einen wesentlichen Fortschritt in unserem Verständnis der Sekretion von TNT und wahrscheinlich anderer Proteine ​​dar bei M. tuberculosis, beschreibt aber auch eine biologische Funktion von Esx-Paralogs bei M. tuberculosis und deren Homologen in der großen WXG100-Proteinfamilie in grampositiven Bakterien. “

TNT ist eine von zwei Domänen im Außenmembranprotein CpnT von M. tuberculosis; Die Aktivität der TNT-Domäne von CpnT im Cytosol des Makrophagen induziert den Makrophagen-Tod durch Hydrolyse von NAD +. M. tuberculosis hat eine innere Membran und eine äußere Membran, und ein Protein muss durch jede Schicht gelangen, um außerhalb des Bakteriums sekretiert zu werden. Wie CpnT zur äußeren Membran gelangt, war unbekannt.

EsxE und EsxF sind Teil desselben Gensegments wie CpnT, und die UAB-Forscher stellten die Hypothese auf, dass die beiden kleinen Proteine ​​an der Sekretion des Toxins beteiligt sein könnten.

Durch die Erzeugung verschiedener Stämme, denen entweder EsxE oder EsxF fehlte, zeigten sie, dass beide Proteine ​​für die Translokation von CpnT auf die Zelloberfläche von M. tuberculosis und für die Sekretion von TNT in das Cytosol von mit M. tuberculosis infizierten Makrophagen notwendig waren. Darüber hinaus sind EsxE und EsxF oberflächenzugängliche Proteine ​​auf M. tuberculosis als membranassoziierter Komplex.

Um mehr über den Mechanismus dieser Translokation zu erfahren, stellte das UAB-Team Mutanten jedes Esx-Proteins her, wobei die Tryptophan-Aminosäure des einzelnen WXG-Motivs auf jedem Protein durch die Aminosäure Alanin ersetzt wurde. Die Mutanten zeigten, dass ein intaktes WXG-Motiv auf EsxE und EsxF für eine effiziente CpnT-Translokation zur äußeren Membran von M. tuberculosis und die anschließende TNT-Sekretion in das Cytosol infizierter Makrophagen erforderlich war.

Die Reinigung der wasserlöslichen EsxE- und EsxF-Proteine ​​zeigte, dass sie EsxE-EsxF-Dimere bildeten, und fünf dieser Dimere wurden aus elektronenmikroskopischer Sicht zu sternförmigen Strukturen zusammengesetzt. Jedes hatte einen Durchmesser von etwa 10 Nanometern und eine zentrale Pore von 3 Nanometern.

Experimente mit planaren Lipiddoppelschichten waren der Schlüssel zum Verständnis der molekularen Funktion von EsxE-EsxF, da sie zeigten, dass die EsxE-EsxF-Poren Kanäle durch Lipidmembranen bildeten.

Schließlich zeigten die Forscher, dass die WXG-Motive für die Porenbildung und Membranunterbrechung durch den EsxE-EsxF-Komplex und die durch Motive vermittelte Assemblierung von funktionellen EsxE-EsxF-Oligomeren erforderlich waren. Dies definiert nun eine biochemische Rolle für das zuvor rätselhafte WXG-Motiv.

“EsxE und EsxF bilden die ersten bekannten Außenmembrankomponenten, die die Proteinsekretion bei M. tuberculosis vermitteln”, sagte Niederweis. “Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass EsxE und EsxF für die TNT-Sekretion ausreichen, da in allen bekannten bakteriellen Proteinsekretionssystemen eine Energiequelle erforderlich ist. Daher ist es möglich, dass EsxE-EsxF mit anderen Proteinen oder Proteinkomplexen assoziiert, um einen CpnT-Export zu erzielen und TNT-Sekretion. “

Die UAB-Forscher schlagen zwei Modelle für den Transport von CpnT durch EsxE und EsxF vor. Im ersten Fall bilden die EsxE-EsxF-Heterodimere eine Pore in der inneren Membran und dann eine weitere Pore in der äußeren Membran, um Transmembrankanäle zu erzeugen. “Alternativ”, sagte Niederweis, “wird der innere Membrankanal über Filamentbildung erweitert, um das Periplasma zu überspannen, und verbindet sich mit EsxE-EsxF-Poren in der äußeren Membran, wodurch EsxF auf der Zelloberfläche freigelegt wird. In diesem Modell wird das mutmaßliche EsxE-EsxF.” Der Kanaltunnel ermöglicht den Export des CpnT-Polypeptids in die äußere Membran von M. tuberculosis und die anschließende Sekretion von TNT und EsxE-EsxF. “

Co-Autoren mit Niederweis in der Studie “Porenbildende Esx-Proteine ​​vermitteln die Toxinsekretion durch Mycobacterium tuberculosis”, veröffentlicht in Naturkommunikationsind Uday Tak und Terje Dokland, UAB-Abteilung für Mikrobiologie.

“Diese Arbeit war eine bemerkenswerte Leistung eines herausragenden Doktoranden, Uday Tak, der fast alle diese Experimente selbst durchgeführt hat”, sagte Niederweis. Uday Tak erhielt seinen Ph.D. im November 2020 und ist jetzt Postdoktorand an der University of Colorado-Boulder.


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Ein neuartiges Toxin für M. tuberculosis


Mehr Informationen:
Uday Tak et al., Porenbildende Esx-Proteine ​​vermitteln die Toxinsekretion durch Mycobacterium tuberculosis, Naturkommunikation (2021). DOI: 10.1038 / s41467-020-20533-1

Journalinformationen:
Naturkommunikation

Bereitgestellt von der University of Alabama in Birmingham

Zitat: Der Tuberkulose-Erreger setzt sein Toxin durch ein neuartiges Proteintransportsystem frei (2021, 8. April), das am 9. April 2021 von https://phys.org/news/2021-04-tuberculosis-pathogen-toxin-protein.html abgerufen wurde

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Mehr Informationen:
Uday Tak et al., Porenbildende Esx-Proteine ​​vermitteln die Toxinsekretion durch Mycobacterium tuberculosis, Naturkommunikation (2021). DOI: 10.1038 / s41467-020-20533-1

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Naturkommunikation

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