Структурный анализ и принципы архитектуры бактериальных амилоидных завитков.

СВЕЖИЕ НОВОСТИ

Jun 02, 2023

10 Разум

Jun 03, 2023

10 высокопроизводительных внедорожников, управлять которыми веселее, чем спортивными автомобилями

Jun 13, 2023

11 советов для повышения энергетики

Mar 21, 2023

13 распространенных вопросов, касающихся вращающихся уплотнений вала

Sep 21, 2023

23 лучших зеленых овоща (+ польза для здоровья)

ОТПРАВИТЬ ЗАПРОС

ПРЕДСТАВЛЯТЬ НА РАССМОТРЕНИЕ

Aug 26, 2023

Структурный анализ и принципы архитектуры бактериальных амилоидных завитков.

Том «Природные коммуникации»

Nature Communications, том 14, номер статьи: 2822 (2023) Цитировать эту статью

1301 Доступов

13 Альтметрика

Подробности о метриках

Прошло два десятилетия с момента первоначального предположения, что амилоиды являются не только (токсичными) побочными продуктами непреднамеренного каскада агрегации, но также могут вырабатываться организмом для выполнения определенной биологической функции. Эта революционная идея родилась из осознания того, что большая часть внеклеточного матрикса, удерживающего грамотрицательные клетки в устойчивой биопленке, состоит из белковых волокон (curli; tafi) с перекрестной β-архитектурой, кинетикой нуклеации-зависимой полимеризации и классической тинкториальные свойства амилоида. Список белков, которые, как было показано, образуют так называемые функциональные амилоидные волокна in vivo, значительно расширился за последние годы, но подробные структурные данные не следовали такими же темпами, отчасти из-за связанных с этим экспериментальных барьеров. Здесь мы объединяем обширное моделирование AlphaFold2 и криоэлектронную трансмиссионную микроскопию, чтобы предложить атомную модель протофибрилл завитков и их более высокие способы организации. Мы обнаружили неожиданное структурное разнообразие строительных блоков завитков и архитектур фибрилл. Наши результаты позволяют рационализировать чрезвычайную физико-химическую устойчивость кёрли, а также более ранние наблюдения за межвидовой распущенностью кёрли, и должны способствовать дальнейшим инженерным усилиям по расширению репертуара функциональных материалов на основе кёрли.

Хотя когда-то это считалось неправдоподобной целью для структурной биологии, недавние разработки в области криоэлектронной микроскопии (криоЭМ) и спиральной обработки облегчили определение структуры амилоидных фибрилл с разрешением, близким к атомному. Множество экспериментально определенных структур амилоидов, полученных как in vitro, так и ex vivo, выявило ошеломляющее структурное разнообразие архитектур волокон, включая концепцию полиморфов волокон или штаммов с идентичными или близкородственными последовательностями2,3,4,5. Несмотря на различия в архитектуре протофибрилл и спиральной симметрии волокон, большинство амилоидных структур имеют несколько общих консервативных особенностей, которые позволяют нам расширить определение амилоидной складки за пределы традиционной пословицы о перекрестных бета-клетках. Насколько нам известно, все описанные в настоящее время амилоидные структуры состоят из повторяющейся стопки сложных, змеевидных, плоских структур β-цепей, которые стабилизируются мотивами стерической застежки-молнии, в которых встречно-пальцевые боковые цепи остатков образуют обширные ван-дер-ваальсовые, электростатические, гидрофобные и водородные структуры. склеивание контактов. Осевая укладка плоских пептидов путем стыковки нитей и образования β-аркад приводит к образованию протофибрилл, за которым обычно следует спиральное скручивание множества протофибрилл в удивительно стабильную спиральную суперструктуру. Именно эта спиральная симметрия с большим успехом используется в современных методах криоЭМ для разрешения структурных деталей широкого спектра амилоидных структур.

Большинство из этих структур принадлежат к подсемейству видов амилоида, которые коррелируют с множеством (нейро)дегенеративных, системных заболеваний отложения и неправильного сворачивания. По этой причине эти амилоидогенные белки в просторечии называются патологическими амилоидами (ПА). Общим для этих связанных с заболеванием амилоидов является то, что они представляют собой нефункциональное и неправильное сворачивание и агрегацию белков или белковых фрагментов, дестабилизированных от достижения их нативной структуры в результате мутации, условий окружающей среды или неправильной обработки. Существует вторая ветвь семейства амилоидов, встречающаяся во всех сферах жизни. Она состоит из белков, которые в ходе эволюции начали выполнять определенные биологические функции (такие как адгезия, хранение, каркас и т. д.), принимая амилоидное состояние, обеспечивая этим белкам термин «функциональные амилоиды» (FA)6,7,8. Подобно патологическим амилоидам, ЖК демонстрируют зависимую от нуклеации агрегацию в волокна с характеристиками перекрестного β. Загадочный вопрос заключается в том, включают ли пути FA определенные свойства, которые смягчают или не обеспечивают цитотоксическое усиление функциональных свойств, так часто связанное с патологическими отложениями амилоида. Для бактериальных амилоидных путей, таких как Curli и Fap, ясно, что вспомогательные белки обеспечивают своевременное и локализованное отложение амилоида, включая шаперон-подобные механизмы защиты, которые предотвращают или останавливают преждевременный амилоидогенез9,10. Однако гораздо менее изучено, включают ли структуры субъединиц и волокон ЖК также адаптивные свойства, снижающие цитотоксичность. Интересно, что в экспериментах in vitro имеются указания на то, что ЖК, продуцируемые различными патогенными бактериями, могут проявлять перекрестную реактивность с PAs11, а также сообщения о потенциально инфекционной индукции или усугублении патологических отложений амилоида за счет прямого перекрестного посева или косвенного (воспалительного) воздействия на людей. и животные, подвергшиеся воздействию бактериальных амилоидов12,13. Поскольку для FAs доступно лишь несколько структур14,15, на данный момент неясно, связаны ли FA структурно с PA и образуют ли они отдельную ветвь амилоидной архитектуры. Неясно также, каков молекулярный механизм этой межвидовой амилоидной распущенности FA/PA.

90 as high accuracy predictions, between 70 and 90 as good backbone predictions, and pLDDT <70 as low confidence and to be treated with caution31. All models share a similar β-solenoid architecture, wherein curlin repeats fold into strand-β-arc-strand motifs that stack vertically to produce an in-register double, parallel β-sheet structure with a single strand stagger (i.e., 2.4 Å) between both sheets (Fig. 2, Supplementary Fig. 2). This topology fits with our cryoEM observations on mature curlin fibrils, which we discuss in detail below. It also means that variations in the number of repeats correlate linearly to the long-axis dimension of a CsgA monomer, and that the curliome spans a continuum of solenoidal monomers./p>10 independent sample preparations./p>5 independent sample preparations./p>6 and higher; Table S2, Supplementary Fig. 15)45. Known structures including β-solenoid domains include, amongst others, antifreeze and ice binding proteins, phage tail spikes, adhesins, Leu-rich repeat proteins, glycosidases, S-layer proteins (Table S2; Supplementary Fig. 15,a). Our search did not identify any polymerizing or amyloid-like proteins. Instead, the β-solenoid domains form a structural scaffold for the protein monomers, rather than a polymerization unit. In these β-solenoid proteins, structural imperfections in the terminal solenoid motif(s) or additions of sterically blocking domains prevents polymerization by head-to-tail or tail-tail/head–head interactions of the monomers. Notably, a structural similarity against the human Alphafold protein structure database identifies several proteins showing open-edged β-solenoid domains (Supplementary Table 2; Supplementary Fig. 15b), including extracellular matrix proteins such as mucins and keratin associated proteins, or suprabasin and uncharacterized protein FLJ40521. It is unclear, however, whether these β-solenoid domains support polymerization in these proteins. In curli, the structural preservation and complementarity throughout the β-solenoid is guaranteed by a high degree of conservation of a limited number of key residues that partake in steric zipper contacts and the stabilization of β-arcade structures. In that respect, we note that Zhou and coworkers have shown that promiscuous cross-seeding can occur between curli produced in interspecies biofilms—a process that is likely dependent on a conserved curli architecture36. Also, extracellular matrix components such as curli have been proposed as a secreted public good, at least in single species biofilms46. The structural conservation in curli subunits may enable mixed fiber formation and thus allow multispecies contribution of curli monomers to the biofilm matrix. It is interesting to speculate that the solenoid polymorphisms found in the conformational curlin families defined in this work, i.e., CS, NCS and D, may result in some specificity of curlin cross-seeding and possibly in multispecies biofilm associations. In recent years, increasing attention has also gone to the potential cross-seeding activity of curli released by commensal and pathogenic Proteobacteria towards human pathological amyloids, with multiple reports indicating an in vitro and in vivo seeding or stimulatory activity towards α-synuclein amyloidogenity12,47,48. In this respect, it is interesting to note that our structural similarity of the human Alphafold protein structure database identifies several proteins with open-edged β-solenoid domains with high structural similarity to the curlin fold (Supplementary Table 2; Supplementary Fig. 15b), including extracellular and mucosal proteins like keratin associated proteins and mucins. This may warrant an increased attention to a potential interaction of mucosal matrix proteins and curli-producing commensals and pathogens in the intestinal and urinary tract./p>

Новости

Структурный анализ и принципы архитектуры бактериальных амилоидных завитков.