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.