Гигантските вируси изграждат клетъчно ядро, изненадващо подобно на нашето

Технологията за криоелектронна томография предоставя изглед на заразена с джъмбо фаг бактериална клетка (горе вляво) с подобно на ядро ​​отделение, очертано в синьо (горе вдясно). Близък план на клетката (долу вляво) разкрива новооткрития хималинов протеин и квадратната решетка на хималиновия протеин (долу вдясно), с жълто, подчертаващо отделен компонент на хималиновата черупка. Кредит: Villa Lab, UC San Diego

Хората не са единствените мишени на вирусите. Подобно на нас, бактериите се заразяват от много видове вируси. Всъщност през милиарди години бактериите и вирусите са участвали в непрекъсната еволюционна надпревара във въоръжаването за оцеляване, която включва безброй иновации и контраадаптации.

Напоследък биомедицинските учени засилиха интереса към вируси, известни като бактериофаги или фаги, които могат да заразяват и убиват опасни бактерии. Фагите, най-разпространените организми на планетата, вече са признати за обещаващо средство за борба с бактериите инфекция тъй като науката търси нови терапии за нарастващите вълни на резистентност към антибиотици. Учените биха искали да отключат тайните на еволюционните стратегии на фагите в техния продължаващ конфликт с бактериите.

Група от изследователи с различни специалности в кампуса на Калифорнийския университет в Сан Диего вече използва нови технологии, за да предложи прозрения за неразпознат преди това фаг биологични структури и процеси. Публикуване в списанието Природатате предлагат безпрецедентен поглед върху недостатъчно проучено семейство, известно като „джъмбо фаги“ и техните забележително еволюирали защити срещу бактерии.

Сред техните открития учените от лабораториите на Елизабет Вила, Кевин Корбет и Джо Полиано откриха, че джъмбо фаговите клетки изграждат екранирано отделение, което действа подобно на ядро ​​в човешки и животински клетки и защитава основния генетичен материал на вируса, който е необходим за репликацията и се разпространява. Изследователският екип характеризира структурата на подобно на ядрото отделение за първи път, използвайки водещи технологии, включително криоелектронна микроскопия и томография с възможно най-висока разделителна способност за клетъчни изображения.

Гигантските вируси изграждат клетъчно ядро, изненадващо подобно на нашето

Крио-ЕМ изображение на джъмбо фаг в сравнение с Т4 фагов вирус и рибозомна частица. Кредит: Villa Lab, UC San Diego

„Това е различен вид отделение – за разлика от всичко, което някога сме виждали в природата“, каза Вила, доцент в Училището по биологични науки на Калифорнийския университет в Сан Диего и изследовател в Медицинския институт Хауърд Хюз. „Успяхме да характеризираме това отделение – как се сглобява и функционира на най-основното ниво – от всеки атом до мащаба на целия организъм.“

Професорът Роми Амаро от Катедрата по химия и биохимия и нейните колеги след това приложиха най-съвременни изчислителни техники, за да симулират функциите на фаговата структура и забележителната гъвкавост. Изследователите открили, че отделението позволява определени ключови компоненти вътре, като същевременно служи като защитен механизъм срещу бактериални заплахи.

„Тези открития ни представят изцяло нова ера на фаговата биология“, каза Вила. „Черупката служи като нарастващ щит за защита, но също така трябва да внася и изнася някои неща и прави това с изключителна прецизност и селективност. Това е наистина странна биология.“

Изследователите открили, че подобната на ядрото обвивка на фага се сглобява от един протеин. Като се има предвид ролята му в защитата на фагите, те нарекоха протеина chimallin след щита, носен от древните ацтекски воини.

Гигантските вируси изграждат клетъчно ядро, изненадващо подобно на нашето

Изображение с флуоресцентна микроскопия разкрива бактериална клетка, заразена с джъмбо фаг, разкривайки мембраната на бактериалната клетка (червено), обвивката на ядрото на фага (зелено) и ДНК на фага (синьо). Кредит: Pogliano Lab, UC San Diego

Съавторът на изследването Джо Полиано, професор в катедрата по молекулярна биология, изучава тези фаги повече от 10 години. Той вярва, че фагите, образуващи ядра, могат да бъдат по-добри за фагови терапии срещу бактериални инфекции, тъй като те са еволюирали, за да бъдат естествено устойчиви на много видове бактериални защитни системи.

„Докато се придвижваме към разработването на фагови терапии, ще трябва да научим повече за това новооткрито фагово ядро, тъй като изглежда, че ги прави по-добри при атакуване на бактерии“, каза Полиано. Изследователи, включително Pogliano и Villa, ще си сътрудничат с експерти от Центъра за иновативни фагови приложения и терапия на UC San Diego, първият специализиран център за фагова терапия в Северна Америка. „Сега, когато знаем, че някои фаги имат щит, можем да го дадем на други фаги и да направим „супер фаги“, които са по-добри в терапията с фаги и преодоляването на бактериалната защита. Първата стъпка в този процес е разбирането на структурата на протеина chimallin, който изгражда щита, което е една от причините тази работа да е толкова важна.”

Професор Кевин Корбет, член на катедрата по клетъчна и молекулярна медицина, добави експертен опит в областта на биохимията и структурната биология към изследователския екип. Той описва откритията като пример за конвергентна еволюция, при която далечно свързани организми намират подобни начини за решаване на проблеми.

“Ядрената пора в еукариотите е гигантска, сложна структура с много отличителни начини за задържане на повечето протеини, но конкретно за внасяне на други. Това, което вероятно разглеждаме с джъмбо фага, е драматично по-прост метод за решаване на същия проблем”, каза Корбет. „Това е удивително креативно решение – подобно, но по-просто – за защита на генома му от външния свят чрез изграждане на стена, която да го отдели от бактериалната защита.“

Гигантските вируси изграждат клетъчно ядро, изненадващо подобно на нашето

Двадесет и четири индивидуални хималинови протеина се събират като куб вътре в клетки на заразени бактерии. Хиляди компоненти на хималин се събират в плочки, които в крайна сметка образуват квадратни листове от обвивката на ядрото на фага. Кредит: Villa Lab, UC San Diego

Съавторът Томас Лафлин, постдокторант по биологични науки, ръководи визуализацията на отделението за джъмбо фаги. Използвайки съоръжения и технологични ресурси, уникални за Калифорнийския университет в Сан Диего, и в координация със съавтор Амар Дийп и други членове на сътрудничещи лаборатории, те помогнаха да се характеризира отделението от мащаба на микроните до атомите, за да помогнат за дешифрирането на неговите функции.

Лафлин каза, че е бил най-изненадан от откриването, че отделението е образувано с множество копия на протеина chimallin, подредени като квадратна решетка или мрежеста конфигурация. Тъй като конфигурациите на пчелна пита (шестоъгълни) са много по-често срещани в природата, Лафлин и другите членове на екипа не са предвидили такава проста структура в основата на структурата на отделението.

Лафлин и другите изследователи казват, че техните открития за джъмбо фага и неговото отделение водят до много повече въпроси, включително как определени компоненти се обработват вътре и извън черупката.

„Вече знаем принципната структура на отделението за дипломиране фаг ядрото, но бихме искали да знаем как се сглобява в началото”, каза Лафлин. “Каква е биогенезата (или “предварителната история”) в ранните етапи на инфекцията? Как започва всичко след като вирусът инжектира своя геном в гостоприемника бактерии?”

The Природата пълният списък с автори на доклада включва Томас Лафлин, Амар Дийп, Ейми Причард (аспирант), Кристиан Сийц (аспирант), Яджие Гу, Ерай Енустун (аспирант), Сергей Суслов, Каника Хана (наскоро получила докторска степен), Ерика Birkholz (аспирант), Емили Армбрустър (аспирант), J. Andrew McCammon, Rommie Amaro, Joe Pogliano, Kevin Corbett и Elizabeth Villa.


Разбиране как бактериите са разработили нов защитен механизъм срещу фагова инфекция


Повече информация:
Thomas G. Laughlin et al, Архитектура и самосглобяване на ядрената обвивка на джъмбо бактериофага, Природата (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05013-4

Цитат: Гигантските вируси изграждат клетъчно ядро, изненадващо подобно на нашето собствено (2022 г., 3 август), извлечено на 3 август 2022 г. от https://phys.org/news/2022-08-giant-viruses-cell-nucleus-surprisingly.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяко честно отношение за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието се предоставя само за информационни цели.