Figur 1. Den bakteriella flagellen. (A) Elektronmikrofotografi av en Salmonellacell. (B) Elektronmikrofotografi av Salmonella flagellum. (C) Schematiskt diagram av flagellumet. Flagellen består av minst tre delar:baskroppen som en dubbelriktad roterande motor, kroken som universalknut och glödtråden som en spiralskruv. Kredit:Osaka University
Forskare från Osaka University använder röntgenkristallografi och elektronmikroskopi för att lösa sammansättningen av exportportapparaten i Salmonella. De nya detaljerna i denna nanomaskin förväntas klargöra hur bakterier infekterar eukaryota celler och presentera nya molekylära mål för läkemedelsupptäckt.
En av de äldsta nanomaskinerna inom biologin är det bakteriella flagellumet. Denna apparat är evolutionärt väsentlig, ger bakterier förmågan att röra sig. Flagellen har stor likhet med en annan bakteriestruktur, det injicerande, vilket som namnet antyder är hur vissa bakterier levererar sitt innehåll för att infektera en värd. En ny studie av forskare vid Osaka University avslöjar hur en specifik struktur i flagellum och injektisom, exportportkomplexet, dynamiskt monterar och hur förhindrande av denna sammansättning kan göra bakterier ofarliga. Studien kan ses i PLOS Biologi .
Docent Tohru Minamino vid Graduate School of Frontier Biosciences har under många år studerat exportportkomplexet med hjälp av elektronmikroskopi. Hans intresse för detta komplex är främst att konstruera nya nanomaskiner, men han har insett att samma forskning kan ha medicinska konsekvenser.
"Det finns många strukturella och funktionella likheter mellan flagellära och injicerbara proteiner. De kan vara bra mål för att hämma bakterieinfektioner, " han sa.
Figur 2. Modell för FliP-ringstrukturen. FliP bildar en homo-hexamer. FliO-komplexet fungerar som en ställning som binder till FliP för att underlätta bildandet av FliP-ringar. Kredit:Osaka University
Exportkomplexet i Salmonella flagellum består av fem transmembranproteiner. Dessa kommer att monteras sekventiellt för att bilda exportporten, börjar med proteinet FliP. Exportporten i Salmonella-injektisom tros sammansättas på liknande sätt med hjälp av fem homologa proteiner. Minamino visar att även om det inte är en del av portstrukturen, ett sjätte transmembranprotein, FliO, är viktigt för att påbörja monteringen av porten.
"FliO fungerar som en ställning för FliP för att bilda en ringstruktur. Utan denna ring, de andra transmembrana proteinerna kommer inte att följa med in i gate-komplexet, " han sa.
Elektronmikroskopbilder visade att FliO-ställningen får FliP att bilda en hexamer, vilket tillåter efterföljande transmembranproteiner att ansluta sig till sammansättningen. Elektrostatiska beräkningar identifierade vilka specifika aminosyror i FliP som var kritiska för FliO-FliP-interaktionerna och FliP-FliP-interaktionerna, tillhandahålla kandidatmål för experimentella läkemedel. För att visa att FliO är nödvändigt för exportporten och inte strukturen, Minamino visade att överuttrycket av FliP kan kringgå FliO-defekten och fortsätta att slutföra exportportapparaten.
Även om FliO gör det möjligt för FliP att bilda en hexamer, det homologa FliP-proteinet i injektisomet, SpaP, bildar en pentemer och en hetero-hexamer tillsammans med SpaR, det homologa FliR-proteinet. Beräkningsanalys föreslog att FliP också kunde ta denna struktur.
Figur 3. Modell för monteringsprocessen av den flagella exportapparaten. Monteringen av exportportkomplexet börjar med FliP-ringbildning med hjälp av FliO-komplexet, följt av monteringen av FliQ, FliR, och FlhB och slutligen av FlhA under MS-ringbildning i det cytoplasmatiska membranet. När C-ringstrukturen är klar, det cytoplasmatiska ATPas-ringkomplexet bildas vid flagellbasen, tillåter exportsubstrat att gå in i den centrala kaviteten i FliP-ringkomplexet. Kredit:Osaka University
"Ett betydande antal av FliP-ringpartiklarna vi analyserade kunde tilldelas femfaldig rotationsanalys, så att de kunde bilda pentamerer. Vi är övertygade om att FliP är en bra modell för SpaP, sa Minamino.
Identifiering av det första steget för montering av exportgrind, nämligen oligmeriseringen av FliP genom FliO-interaktioner, föreslår ett potentiellt sätt att störa patologin hos bakterier som Salmonella.
"Våra fynd tyder på att FliP-homologer av injektisomen är lovande läkemedelsmål, sa Minamino.
