細菌に感染するウイルスは、地球上で最も豊富に存在する生物学的実体です。たとえば、アメリカのバスルームにある 92 個のシャワーヘッドと 36 個の歯ブラシを対象とした最近の簡単な研究では、一般にバクテリオファージまたはファージと呼ばれる細菌ウイルスが 600 種類以上見つかった。小さじ一杯の沿岸海水には約 5,000 万個のファージが含まれています。
ほとんど注目されていませんが、ファージは人間に害を与えません。それどころか、これらのウイルスは、病原性細菌、特に抗生物質耐性感染症に関連する細菌を根絶するための生物医学として人気が高まっています。
雑誌に掲載された研究では ネイチャーコミュニケーションズ、 アラバマ大学バーミンガム校の Gino Cingolani 博士とイタリア、ミラノのミラノ大学の Federica Briani 博士は、ファージ DEV の完全な分子構造を説明しました。 DEV は、嚢胞性線維症やその他の疾患における日和見病原体である緑膿菌に感染して溶解します。 DEV は、前臨床研究で緑膿菌感染を根絶するために開発された実験用ファージ カクテルの一部です。
DEV の特異な特徴は、感染時に細菌内に排出されるキャプシド内に 3,398 アミノ酸のビリオン関連 RNA ポリメラーゼが存在することです。予想外なことに、シンゴラーニとブリアーニの研究は、ビリオン関連RNAポリメラーゼが、ファージが尾部繊維を使ってシュードモナス菌の表面に付着し、侵入した後にファージのDNAを頭部から引き出すゲノム排出モーターの一部であることを明らかにした。尾管を使用して細胞の外膜と内膜を動かします。
「我々は、DEV排出装置の設計原理がすべてのシトウイルス科ファージで保存されていると仮定しています」とCingolani氏は述べた。 「2024年10月の時点で、220を超えるシトウイルス科のゲノムが配列決定され、公開データベースで利用可能になっています。これらのゲノムにはほとんど注釈が付けられておらず、多くのオープンリーディングフレームには未知の機能があるため、私たちの研究は、構造コンポーネントを容易に特定するための道を切り開くものです。新しいシトウイルス科のファージが発見されました。」
シトウイルス科のファージは「生物学で最も研究が進んでいない細菌ウイルスの一部であり、ファージ療法での利用が増えている」とシンゴラニ氏は述べた。 「私たちは構造生物学を利用して構成要素を解読し、遺伝子産物をマッピングしています。これは、アミノ酸配列の進化が速すぎて従来の系統解析では不可能な場合に非常に重要です。」
研究者らは、極低温電子顕微鏡による局所再構成、生化学的手法、遺伝子ノックアウトを利用して、DEVの完全な分子構造を解明した。DEVのDNAゲノムには、巨大ビリオン関連RNAポリメラーゼを含む91個のオープンリーディングフレームがある。 「このvRNAPは、私たちが分析したすべてのシトウイルス科ゲノムで保存されている3つの遺伝子オペロンの一部です」とシンゴラニ氏は述べた。 「私たちは、これら 3 つのタンパク質が宿主内に放出されて、細胞エンベロープにわたるゲノム放出モーターを形成すると提案します。」
DEVや他の多くのファージの構造は、ニール・アームストロングの1969年の月面着陸船の極小版に似ており、大きな頭部またはカプシドを備えており、ゲノムと脚のような繊維が含まれており、ファージが細菌の表面に着陸する際にファージを支え、準備を整えている。生きた細菌細胞に感染します。
研究者らは、宿主の付着に関与するDEVのすべてのタンパク質キャプシド因子とテール成分の構造を決定した。彼らは遺伝子実験を通じて、DEVの長い尾部繊維が緑膿菌の感染に必須であるが、表面リポ多糖にO抗原が欠如している緑膿菌変異体の感染には必要ないことを示した。一般に、ウイルスは感染の最初のステップとしてさまざまな細胞表面分子に付着します。
この研究ではファージ構造の静止画像がいくつか提供されていますが、研究者らはDEV感染の動画を完全には理解していません。彼らは、その感染プロセスには 3 つのステップがあると想定しています。
ステップ 1 では、単一の DEV ファージが孤立して漂流すると、その柔軟な長い尾部繊維が変動して、シュードモナス リポ多糖表面分子に接触する機会が向上します。最初の接触の後、5 本の繊維すべてが付着してファージを細菌の外表面に垂直に近づけます。
ステップ 2 では、尾栓としても機能する短い尾繊維がシュードモナス属の二次受容体に触れ、機械的信号によって尾栓が解放されます。
これまで、gp73、gp72、gp71と呼ばれる3つのタンパク質は、ファージヘッドの尾部近くに格納されており、ファージヘッドから出るときに形状が劇的に変化します。ステップ 3 では、プラグがなくなると、3 つのタンパク質が頭部から細菌細胞のエンベロープ内に排出されます。リードタンパク質である gp73 は、その形状を折り畳んで、中心が空洞の外膜孔を形成します。その下では、gp72 が再び折り畳まれて、細菌の外膜と内膜の間の空間であるシュードモナスのペリプラズムにまたがる中空の管になります。最後に、gp71 は内膜を通過し、細菌の細胞質内で大きな RNA ポリメラーゼ モーターに再び折り畳まれ、中空の gp73 および gp72 チャネルを通ってファージ DNA をシュードモナス細胞に引き込みます。
生化学・分子遺伝学科の教授であるシンゴラニ氏は、この夏アラバマ大学システム理事会によって承認された新しい統合構造生物学センターの所長として最近UABに来ました。このセンターは、UABの研究者がタンパク質や核酸などの生体高分子の三次元構造を研究し、その機能や作用機序を解明するのに役立つだろう。
DEV 研究「シュードモナスファージ DEV の統合的構造解析によりゲノム排出モーターが明らかになる」における Cingolani および Briani との共著者は、UAB 生化学・分子遺伝学科の Ravi K. Lokareddy です。 Chun-Feng David Hou、ニュージャージー州ピスカタウェイ、ニュージャージー州立大学ラトガース校、フランチェスカ・フォルティ氏とデヴィッド・S・ホーナー氏、ミラノ大学。ペンシルベニア州フィラデルフィアのペンシルベニア大学ペレルマン医学部のステファノ・M・イグレシアスとフェンリン・リー。 UAB微生物学部のMikhail Pavlenok氏とMichael Niederweis氏。
支援は国立衛生研究所の助成金 GM100888、GM140733、OD030457 から行われました。および嚢胞性線維症研究財団 – Associazione Trentina Fibrosi Cistica ODV ピオ・ニコリーニ助成金 FFC#15/2021 を記念して。
ソース：
参考雑誌:
ロカレディ, ケンタッキー州他。 （2024年）。シュードモナスファージDEVの統合構造解析により、ゲノム排出モーターが明らかになった。 ネイチャーコミュニケーションズ。 doi.org/10.1038/s41467-024-52752-1。
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2024-10-23 01:16:00