Состав

Nature Communications, том 13, номер статьи: 7724 (2022) Ссылаться на эту статью

2175 Доступов

2 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Важным этапом бактериальной трансформации является поглощение ДНК периплазмой через толстую клеточную стенку пептидогликана грамположительных бактерий или через внешнюю мембрану и тонкий слой пептидогликана грамотрицательных бактерий. Для этого этапа поглощения необходим ComEA, ДНК-связывающий белок, широко консервативный у трансформируемых бактерий. Здесь мы определяем рентгеновские кристаллические структуры ComEA из двух грамположительных видов, Bacillus subtilis и Geobacillus stearothermophilus, идентифицируя домен, который отсутствует у грамотрицательных бактерий. Рентгенокристаллографический, генетический и аналитический анализ ультрацентрифугирования (AUC) показывает, что этот домен управляет олигомеризацией ComEA, которая, как мы показываем, необходима для трансформации. Мы используем многоволновую AUC (MW-AUC) для характеристики взаимодействия между ДНК и ДНК-связывающим доменом ComEA. Наконец, мы представляем модель взаимодействия ДНК-связывающего домена ComEA с ДНК, предполагая, что олигомеризация ComEA может обеспечивать силу притяжения, которая стимулирует поглощение ДНК через толстые клеточные стенки грамположительных бактерий.

Естественная компетентность к трансформации — это механизм горизонтального переноса генов, широко распространенный как у грамположительных, так и у грамотрицательных бактерий, а также у некоторых архей (обзоры см.1,2). Процесс трансформации состоит из двух основных этапов: поглощения и транспорта (рис. 1А). Поглощение — это перемещение трансформирующей ДНК окружающей среды (тДНК) в периплазму через толстую клеточную стенку пептидогликана грамположительных бактерий или внешнюю мембрану и тонкий слой пептидогликана грамотрицательных бактерий. Транспорт — это последующая транслокация одноцепочечной тДНК из периплазмы в цитоплазму, где она может рекомбинировать с хромосомой с образованием трансформанта. Представленные здесь структурно-функциональные исследования сосредоточены на первом этапе — поглощении ДНК.

A Тпилус состоит из ComGC, для сборки которого требуется АТФаза ComGA. Считается, что тпилус прикреплен к мембранному белку ComGB. Тпилус слабо связывается с ДНК и втягивается, втягивая ее в периплазму. Здесь ДНК сталкивается с ComEA, который стабилизирует связывание с клеткой и способствует дальнейшему поглощению ДНК. Предполагается, что ComEC разрушает одну цепь ДНК и обеспечивает канал для транспорта ДНК в цитоплазму. B Архитектура домена ComEA репрезентативной грамположительной бактерии B. subtilis. Архитектура домена C ComEA репрезентативной грамотрицательной бактерии V. cholerae. Остатки 1–24 не показаны, чтобы подчеркнуть тот факт, что они содержат предсказанный сигнал секреции, который расщепляется с образованием зрелого ComEAVc, который свободно диффундирует в периплазму. ТМ, предсказанная трансмембранная область. Пурпурная линия обозначает область неизвестной функции, которая рассматривается в этом исследовании. ХхХ, мотивы спираль-шпилька-спираль. Нумерация остатков соответствует ComEABs или ComEAVc. Элементы фигуры были созданы с помощью BioRender.com.

Поглощение инициируется на поверхности клетки, когда тДНК взаимодействует с трансформационным пилусом (тпилус). После этого контакта с тпилусом движение тДНК в периплазму обусловлено ее взаимодействием с широко консервативным периплазматическим белком ComEA (рис. 1А). ComEA был обнаружен в ходе генетического скрининга дефицита трансформации у Bacillus subtilis. Впоследствии было показано, что это неспецифический ДНК-связывающий белок, необходимый как для стабильного связывания тДНК с клеткой, так и для поглощения тДНК3,4. У B. subtilis и других грамположительных бактерий ComEA связан с мембраной N-концевой трансмембранной областью4. Этот мембранный якорь и С-концевой ДНК-связывающий домен разделены областью неизвестной функции, состоящей из ~110 аминокислот (рис. 1Б). Напротив, ComEA у грамотрицательных бактерий содержит только один (автономный) ДНК-связывающий домен, который может свободно диффундировать в периплазму5,6,7 (рис. 1C).