Фаги формируют «ядро» в бактерии-хозяине и доставляют туда необходимые белки

Распространение антибиотикорезистентности заставляет искать альтернативные способы борьбы с бактериальными инфекциями. Таким способом может стать терапия бактериофагами. Большие надежды возлагают на бактериофаги семейства Chimalliviridae, также известные как джамбо-фаги. Для них характерен очень большой геном, так что потенциально их можно изменить так, чтобы они доставляли антибиотики напрямую к источнику инфекции. Однако, чтобы эффективно применять эти фаги, нужно больше знать об их биологии.

Джамбо-фаги, попадая в цитозоль бактерии, окружают свои геномы белковыми «ядрами», преимущественно состоящими из белка хималлина (ChmA). Именно благодаря ChmA в ядро не проникают рибосомы, поддерживается разграничение трансляции и транскрипции. В ChmA-оболочке есть поры, через которые в ядро проникают малые молекулы, однако они не пропускают мРНК (которым необходимо попасть в цитозоль для трансляции) и белки (в частности, участвующие в репликации ДНК и транскрипции). Недавно был охарактеризован белок, осуществляющий выход мРНК в цитоплазму, однако механизм селективного импорта белков в фаговое ядро долгое время оставался неизвестным. Авторы новой работы, опубликованной в PNAS, определили, какой белок отвечает за ядерный импорт и выяснили, что служит сигналом ядерной локализации.

Авторы исследовали два близкородственных джамбо-фага, PhiPA3 и PhiKZ, которые инфицируют бактерии рода Pseudomonas. Некоторые ядерные белки двух фагов являются близкими гомологами. Ученые получили пять ядерных белков PhiPA3 (RecA, gp108, gp200, gp78 и gp257), сшитых с флуоресцентной меткой sfGFP, и удостоверились, что все они локализуются в ядре PhiPA3, однако в ядро PhiKZ смог попасть только один ядерный белок PhiPA3 — RecA. Таким образом, ядерный импорт белков обладает высокой видовой специфичностью даже в отношении близкородственных фагов. Фаги могут различать даже белки с высокой степенью гомологии, что указывает на наличие у ядерных фаговых белков видоспецифичных сигналов ядерной локализации. Более того, ядерный транспорт укороченных ядерных белков также был нарушен, что указывает на то, что ядерный импорт возможен только для правильно уложенных белков. По всей видимости, правильная поверхность белков играет важную роль в процессе ядерного импорта.

Чтобы определить, что именно необходимо для ядерного импорта белков у джамбо-фагов, ученые создали химерный белок, состоящий из сшитых ядерных белков gp104 и gp108, которые экспрессируются фагами PhiKZ и PhiPA3 соответственно. N-концы этих белков почти не различаются, а в средней и C-концевой частях имеются весомые различия. gp108 не проникает в ядро PhiKZ, однако по последовательности и структуре гомологичен gp104. Далее исследователи получали различные комбинации фрагментов gp104 и gp108 в составе химерного белка, чтобы установить, какие именно аминокислотные последовательности отвечают за селективность импорта. Оказалось, что аппарат белкового импорта различает всего лишь 10 и менее неконсервативных аминокислот в участке от 77 до 95 аминокислотных остатков gp104.

Предсказание белковой структуры gp104 с помощью AlphaFold показало, что этот неконсервативный участок находится на поверхности белка, который авторы назвали «участком узнавания». Поскольку другие ядерные белки не гомологичны указанному участку, авторы работы заключили, что для ядерного импорта у джамбо-фагов нужны последовательности с особой поверхностью, а не консервативные N- и C-концевые участки, как у большинства систем импорта.

В дальнейшем было показано, что за собственно ядерный импорт отвечает консервативный белок PicA. Флуоресцентно-меченный PicA располагается на ядерной периферии, а его мутации нарушают процесс ядерного импорта. Чтобы изучить, как PicA взаимодействует с транспортируемыми белками, ученые экспрессировали в инфицированных клетках флуоресцентно-меченные химерные белки на основе gp108 и gp104. Оказалось, что в инфицированных клетках эти химерные белки образовывали скопление на поверхности фагового ядра, то есть являлись промежуточными продуктами ядерного транспорта. Далее авторы установили, что PicA колокализуется с этими промежуточными продуктами. Таким образом, именно белок PicA осуществляет ядерный импорт белков. Далее исследователи показали, что PicA участвует не только в ядерном импорте: этот белок также задействован в созревании белкового ядра фага и репликации его генома.

Авторы исследования утверждают, что, так как единственное скопление белка PicA колокализуется с промежуточными продуктами транспорта, в ядре джамбо-фагов может быть только один комплекс для транспорта белков.

Гигантские бактериофаги формируют ядерную оболочку, чтобы защитить свой геном