Определен механизм подбора пары у бактерий при конъюгации

Конъюгация — это перенос плазмидной ДНК из одной бактериальной клетки в другую. Таким образом бактерии могут передавать друг другу, например, гены устойчивости к антибиотикам. В конъюгативный перенос ДНК вовлечены система секреции IV типа, релаксосома и конъюгативные пили. Для конъюгации донору необходима конъюгативная плазмида, кодирующая всю необходимую для процесса машинерию и другую информацию, которая передастся реципиенту.

В актуальной модели конъюгации грамотрицательных бактерий пиль — вырост поверхности клетки-донора — вытягивается и устанавливает контакт с клеткой-реципиентом. Затем он сокращается и притягивает реципиента к донору, что приводит к формированию тесного контакта между клетками. Стабилизацию бактериальной пары и эффективный перенос ДНК обеспечивает белок внешний мембраны донора TraN за счет связывания с особыми белками из группы поринов на внешней мембране реципиента. В частности, TraN со знаменитой F-плазмиды Escherichia coli взаимодействует с белком OmpA. Из всех этапов конъюгации наименее изученным остается стабилизация бактериальной пары. Ученые из Великобритании и США выяснили, как варианты TraN, кодируемые различными плазмидами, взаимодействуют с различными поринами реципиента.

Большинство исследований, посвященных конъюгации, выполнено на E. coli. Авторы новой работы обратились к клинически значимым патогенам. Так, резистентность к карбапенемам у Klebsiella pneumoniae распространяется за счет плазмиды pKpQIL. С помощью иммунофлуоресцентной микроскопии на K. pneumoniae, несущей pKpQIL с геном зеленого флуоресцентного белка, ученые показали, что TraN с этой плазмиды взаимодействует с порином OmpK36. Это взаимодействие было плазмидоспецифичным: в дальнейших экспериментах выяснилось, что, например, TraN с плазмиды R100-1, характерной для Shigella flexneri связывается с белком OmpW.

Чтобы понять природу этой специфичности, ученые с помощью программы AlphaFold предсказали структуры TraN_pKpQIL, TraN_R100-1 и TraN_F. Согласно полученным моделям, каждый из вариантов TraN содержит амфипатическую альфа-спираль, которая прикрепляется к внешней мембране реципиента. Расширенный N-концевой домен состоит в основном из бета-листов, связанных с бета-сэндвич-доменом. С-концевой домен представляет собой комбинацию альфа-спиралей и бета-листов, которые складываются и образуют внутридоменные контакты с N-концевым доменом. Все остатки цистеина в каждом варианте TraN могут участвовать во внутримолекулярных дисульфидных связях. Структурные различия в основном наблюдаются на «кончике» (tip) белка, который соответствует вариабельному региону последовательностей TraN (эта область отмечена на рисунке 2j в статье). Именно «кончик» отвечает за специфичность к рецептору и стабилизацию бактериальной пары. Криоэлектронная микроскопия показала, что для взаимодействия TraN_pKpQIL с OmpK36 необходимо встраивание бета-шпильки, расположенной на «кончике» TraN, в мономер тримера порина.

Комбинируя биоинформатический анализ со структурными предсказаниями AlphaFold, ученые идентифицировали четвертый структурный вариант TraN, который связывается с порином OmpF. На основе полученных результатов они разработали классификацию гомологов TraN на основе структурного сходства и связанных с ними рецепторов: TraNα (OmpW), TraNβ (OmpK36), TraNγ (OmpA), TraNδ (OmpF).

«Эти результаты — ключевой шаг вперед в понимании того, как формируются конъюгативные пары. Они позволят нам предсказать распространение новых плазмид резистентености среди опасных бактериальных патогенов», — говорит один из авторов статьи доктор Константинос Бейс, сотрудник отдела наук о жизни Имперского колледжа Лондона и Исследовательского комплекса в Харуэлле.