Клетки бактерий Yersinia entomophaga «взрываются», чтобы высвободить токсин

Токсины, продуцируемые грамотрицательными бактериями, должны преодолеть несколько барьеров, чтобы выйти из клетки — внутреннюю фосфолипидную мембрану, слой пептидогликана и содержащую липополисахариды внешнюю мембрану. Как подобный процесс может протекать в случае крупных токсинов белковой природы? Немецкие ученые нашли ответ на этот вопрос. Они показали, что в популяции бактерий рода Yersinia присутствует особая группа клеток, которые лизируются, чтобы высвободить токсин.

Бактерия Yersinia entomophaga поражает насекомых, и ее инсектицидное действие опосредовано единственным белковым токсином YenTc. Токсины группы Tc, включая YenTc, состоят из нескольких субъединиц и имеют массу 2,4 МДа, что лишь немного уступает массе бактериальной рибосомы. Подобно другим токсинам грамотрицательных бактерий, токсин Tc должен преодолеть обе мембраны и клеточную стенку, чтобы выйти наружу. Как показали ученые из Института молекулярной физиологии Макса Планка (Германия), YenTc высвобождается путем контролируемого лизиса части клеток, причем этот процесс опосредован pH-зависимой системой секреции типа 10 (T10SS).

Авторы работы изучили, как условия окружающей среды влияют на высвобождение токсина. Выделение YenTc в подкисленной среде происходило гораздо хуже, следовательно, секреция YenTc зависит от pH среды. Подъем pH среды с 5,5–6,0 до 7,0–8,0 поспособствовал большей секреции токсина. Интересно, что у многих насекомых, которые могут быть хозяевами Y. entomophaga, передний отдел средней кишки имеет кислую среду, а задний — щелочную, где и обитает бактерия.

С помощью масс-спектрометрии ученые выяснили, что в секретируемой фракции, содержащей YenTc, содержатся атипичные внеклеточные белки. Помимо YenTc, в секретируемой фракции присутствуют другие токсины и факторы вирулентности, а также ферменты, модифицирующие хитин. При этом практически все белки, содержащиеся во фракции, не имели сигнальных последовательностей, необходимых для секреции. Следовательно, YenTc высвобождается с целым белковым коктейлем по крайне неспецифичному механизму. Выключение разных систем секреции, описанных для Y. entomophaga, показало, что ни одна из них не участвует в выделении YenTc.

Чтобы выяснить, каким же образом YenTc выходит наружу, исследователи сшили субъединицы YenTc — YenA1 или YenA2 — с sfGFP и наблюдали за секрецией токсина. Оказалось, что лишь малая доля клеток Y. entomophaga экспрессирует YenTc, причем клетки, экспрессирующие токсин, отличались от других клеток морфологически после логарифмической фазы роста: они были чуть крупнее и менее подвижны. Наблюдение за pH-зависимой индукцией секрецией YenTc показало, что клетки, синтезирующие YenTc, подверглись резким перестройкам и буквально за несколько минут распались на везикулы, и находящийся в цитоплазме YenA2-sfGFP вышел во внеклеточную среду. Морфология клеток, не экспрессирующих YenTc, не изменилась. Таким образом, высвобождение YenTc происходит путем контролируемого лизиса особой субпопуляции клеток.

Авторы работы сочли, что особая функциональная и морфологическая дифференцировка этой субпопуляции клеток напоминает поведение солдат термитов Globitermes sulphureus, способных взрываться для защиты колонии. Поэтому они назвали клетки, высвобождающие YenTc, «клетками-солдатами».

В секретируемом протеоме Y. entomophaga присутствует эндолизин PepB. Он очень близок к компоненту системы секреции T10SS бактерии Serratia marcescens, который расщепляет кросс-сшивки в пептидогликановом слое. Дальнейшие эксперименты показали, что именно T10SS необходима для выделения токсина YenTc. Компоненты T10SS кодируются единым опероном, которые ученые обозначили как YenLC, причем экспрессия YenTc и YenLC синхронизируется при помощи фактора, известного как RoeA, который входит в состав YenLC.

Кроме того, с помощью криоэлектронной микроскопии ученые подробно исследовали функционирование T10SS и высвобождение YenTc из «клеток-солдат». Они пошагово визуализировали этот pH-активируемый процесс и показали, что полноразмерный токсин собирается в цитоплазме клетки.

Авторы исследования отметили, что литический механизм действия T10SS был описан впервые. Кроме того, и другие патогенные бактерии могут использовать стратегию «клеток-солдат», которые лизируются и тем самым высвобождают токсин.

О-гликаны слизи не дают холерному вибриону вырабатывать токсин