2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Dot-Icm-Membrankomplex bei der Arbeit
Forscher des California Institute of Technology haben eine dreidimensionale Struktur des Membranproteinkomplexes des Bakteriums Legionella pneumophila veröffentlicht, das am Abtransport von Toxinen und Antibiotikaresistenzgenen beteiligt ist. Die Struktur eines solchen Komplexes wurde zunächst in situ, also direkt in der Bakterienmembran, aufgeklärt. Der Artikel wurde im Magazin EMBO Reports veröffentlicht.
Gram-negative Bakterien, zu denen Legionellen gehören, sind von einer Doppelmembran umgeben, sodass sie, um durch sie hindurch in die äußere Umgebung zu transportieren, einen komplexen Sekretionsapparat erworben haben. Sekretionssysteme sind Nanomaschinen aus mehreren Untereinheiten, die mit Energieaufwand größere Moleküle wie Proteine und DNA in die Umwelt schleudern können. Pathogene Bakterien verwenden sie, um Giftstoffe und verschiedene Proteine zu transportieren, die ihnen helfen, auf dem Wirt zu parasitieren. Auch für den horizontalen Gentransfer, also den DNA-Austausch, werden Sekretionssysteme verwendet. So breiten sich Antibiotikaresistenzen aus. Es werden sechs Arten von Sekretionssystemen unterschieden, und die multifunktionalste davon ist das Sekretionssystem vom Typ IV, das mehrere Subtypen von Proteinkomplexen umfasst.
Legionellen, die in dieser Studie als Modellobjekt dienten, sind ein pathogenes Bakterium und verursachen eine schwere Form der Lungenentzündung (Legionellose oder Legionärskrankheit). Es lebt in den Zellen des Immunsystems, und um erfolgreich zu parasitieren, sondert es etwa dreihundert verschiedene Proteinmoleküle in die Wirtszelle ab. Dafür verwendet Legionella den Dot/Icm-Komplex, der eine Unterart des IVB-Sekretionssystems ist. In Abwesenheit eines Komplexes hört das Bakterium auf, pathogen zu sein. Es ist möglich, dass Inhibitoren von Sekretionssystemen eine vielversprechende Klasse von Antibiotika darstellen, die die Freisetzung von Virulenzfaktoren durch Bakterien und den Austausch von Antibiotikaresistenzgenen verhindern, aber für ihre effektive Entwicklung liegen keine ausreichenden Daten zum Wirkmechanismus dieser Systeme vor und deren Struktur. Im Jahr 2014 veröffentlichte die Zeitschrift Nature die Struktur eines ähnlichen E. coli-Komplexes, rekonstruiert aus einzelnen Proteinen, doch in einem neuen Artikel konnten Forscher des Caltech den Sekretionsapparat direkt in der Bakterienmembran untersuchen. Dazu verwendeten die Autoren die Methode der elektronischen Kryotomographie. Mehrere 2D-elektronenmikroskopische Bilder von gefrorenen Bakterienmembranen wurden mithilfe von Software kombiniert. Als Ergebnis der Bildverarbeitung von 386 Partikeln wurde ein gemitteltes Tomogramm des Komplexes erhalten, dessen Auflösung von den Autoren auf 2,5-4,5 Nanometer geschätzt wurde. Diese Auflösung ermöglicht es, die Gesamtstruktur des Komplexes und seine Lage in der Membran zu beurteilen. Um sicherzustellen, dass der Dot/Icm-Komplex aufgelöst wird, verglichen die Wissenschaftler Bilder von „wilden“Bakterien und solchen ohne Komplexe, in deren Membran solche Strukturen nicht beobachtet wurden.
Die Struktur des Dot-Icm-Komplexes in der Membran und seine schematische Darstellung
Die Autoren der Arbeit verglichen das in der Arbeit erhaltene dreidimensionale Modell des Sekretionsapparates von Legionellen mit dem kürzlich veröffentlichten Modell des Cag-Komplexes eines anderen pathogenen Bakteriums Helicobacter pylori, das zum IVA-Subtyp gehört (dieses Modell wurde auf dem Basis des rekonstruierten Komplexes, dh in vitro). Trotz der fehlenden Ähnlichkeit in den DNA-Sequenzen, die die Untereinheiten der Komplexe kodieren, stellte sich heraus, dass sie in der dreidimensionalen Struktur ziemlich ähnlich waren.
