Почвенные бактерии вырабатывают антибактериальные токсины в виде зонтиков

Стрептомицеты (Streptomyces) — бактерии из отдела актиномицетов (Actinomycetota), обитающие в почве, — вырабатывают различные антимикробные вторичные метаболиты. Многие из них применяют в медицине, например, нистатин, стрептомицин, тетрациклин и т.д. Американские ученые нашли у стрептомицетов новые антибактериальные токсины — белковые комплексы в виде зонтика.

В новой работе американские исследователи обнаружили с помощью биоинформатических методов новые полиморфные токсины у модельного стрептомицета S. coelicolor. Эта бактерия кодирует три белка (UmbC1, UmbC2 и UmbC3), содержащих повторы аланин-лейцин-фениаланин (ALF) и обладающие неизвестной функцией. Белки UmbC содержат сигнал транслокации (двойной аргинин TAT на N-конце), два набора по четыре ALF-повтора, два домена с мотивом спиральной катушки (coiled coil), токсичные и вариативные домены на C-конце. С помощью AlphaFold ученые предсказали, что ALF-повторы образуют между собой кольцо, а спиральные катушки — стебель. Общая длина белка составляет около 300 Å.

Иммунопрепитация с последующей масс-спектрометрией помогли ученым выявить белки, с которыми потенциально могут взаимодействовать UmbC. Они получили название UmbA (UmbA1–UmbA6) и UmbB (UmbB1–UmbB3). Партнерами UmbC также могут быть белки UmbD1 и UmbD3, которые относятся к семейству иммунных белков, а кодирующие их гены расположены сразу после генов umbC1 и umbC3.

Белки UmbA состоят из консервативного домена, по структуре похожего на трипсин, на N-конце, который соединен через спиральный линкер с одним (или несколькими в случае UmbA4) лектином. Что интересно, белки UmbA не обладают трипсиновой активностью, а только содержат похожий на него по структуре домен. Белки UmbB, напротив, по структуре не родственны никаким известным белкам. Они состоят из неупорядоченного домена на N-конце, который соединен через короткий спиральный линкер с β-сэндвичем из десяти цепей.

Исследователи предсказали структуру белкового комплекса, который образуют UmbA, UmbB и UmbC, и подтвердили ее с помощью криоэлектронной микроскопии. Вместе эти белки образуют структуру, похожую на зонтик, в честь чего ученые и дали название новым белкам. Общая длина белкового комплекса — около 300 Å, а ширина «зонтика» — около 250 Å. UmbC образует «ручку зонтика», а UmbB выступает адаптером между ним и пятью UmbA, которые связываются с UmbB через трипсиновый домен.

Зонтичный токсин — цитозиндезаминаза. Специфичность действия Umb1 ученые проверили на 140 бактериях, среди которых особенно широко были представлены стрептомицеты и другие актиномицеты, так как часто стрептомицеты вырабатывают антимикробные вещества для конкуренции с родственными им видами. Наибольшую активность супернатант S. coelicolor, содержащий зонтичные токсины, проявил против стрептомицетов S. ambofaciens и S. griseus, успешно подавив их рост.

Оказалось, что Umb2 может подавлять рост вегетативных гиф. Токсин не влияет на прорастание спор, однако их развитие останавливается на стадии ростковой трубки. Umb также может воздействовать на уже сформированный мицелий, вызвав остановку его роста. При этом зонтичный токсин не провоцирует лизис клеток. Транскриптомный и протеомный анализы показали, что Umb вырабатывается только в стадию жизненного цикла стрептомицетов, на которой они образуют вегетативные гифы. Это подтвердило гипотезу о том, что зонтичный токсин нужен бактериям для конкуренции с другими вегетативно живущими стрептомицетами, в отличие от малых антимикробных молекул, которые обычно воздействуют на более широкий спектр бактерий.

Дополнительный биоинформатический анализ показал, что еще в 1117 геномах бактерий (875 видов) присутствуют гены хотя бы одного компонента семейства Umb. Больше половины этих геномов принадлежит стрептомицетам, а остальные — различным порядкам актинобактерий. Таким образом, зонтичные токсины могут быть довольно широко распространенным средством конкуренции с другими бактериями. Исследователи предположили, что до сих пор эти токсины не были выявлены из-за их короткого времени жизни, так как они чувствительны к протеазам.

В будущем авторы планируют продолжить исследование зонтичных токсинов, чтобы узнать, как лектиновые домены UmbA участвуют в распознавании таргетных клеток, какую роль играет ручка токсина, как регулируется экспрессия генов umb и как эти токсины используют другие актиномицеты. Предположительно, зонтичные токсины можно применить в медицине, например, против туберкулезной палочки и дифтерийной коринебактерии, принадлежащих к актиномицетам.

Новый класс антибиотиков подавляет транспорт липополисахаридов