細菌と細胞が魅惑的なつながりを形成するにつれて王国が衝突する

生物学の教科書では、小胞体は核の近くにある別個のコンパクトな細胞小器官として描かれることが多く、タンパク質の輸送と分泌を担うことが一般に知られています。実際には、ER は広大かつ動的であり、細胞全体に広がり、他の細胞小器官との接触やコミュニケーションを確立することができます。これらの膜接触は、脂肪代謝、糖代謝、免疫応答などのさまざまなプロセスを制御します。

病原体が自らのライフサイクルを促進するために重要なプロセスをどのように操作し乗っ取っているかを探ることで、基本的な細胞機能について多くのことが明らかになり、十分に研究されていない病原体に対する実行可能な治療選択肢についての洞察が得られる可能性があります。

マサチューセッツ工科大学生物学部のラメイソン研究室による新しい研究が最近、 細胞生物学ジャーナル は、サイトゾル内で自由に生息する細菌性病原体であるリケッチア・パークリが、粗面小胞体と広範かつ安定した方法で相互作用し、これまで見られなかった細胞小器官との接触を形成できることを示しました。

これは、細胞内細菌性病原体と真核生物の膜との間の直接界間接触部位の既知の最初の例である。

ラメイソン研究所は、より毒性の強いリケッチア・リケッチの感染モデルとして R. parkeri を研究しています。 R.リケッチはマダニによって媒介され、ロッキー山紅斑熱を引き起こします。感染を治療せずに放置すると、臓器不全や死亡と同じくらい重篤な症状を引き起こす可能性があります。

リケッチアは偏性病原体であるため、研究が困難です。つまり、ウイルスと同様に生きた細胞内でのみ生存し、繁殖することができます。研究者は、R. parkeri のライフサイクルにおける基本的な疑問と分子の役割を解析するために創造力を働かせる必要がありますが、R. parkeri がどのように広がるのかについては不明な点が多く残されています。

分岐点まで迂回

BSG-MSRP-Bio プログラムの卒業生で当時大学院生だった筆頭著者のヤミレックス・アセベド・サンチェス氏は、細胞接合部に到達するリケッチアを観察しようとしていた際に、ER と R. parkeri の相互作用に偶然遭遇した。

リケッチア感染の現在のモデルでは、R. parkeri が細胞間の特殊な接触部位に移動し、隣接する細胞に飲み込まれて広がることによって細胞から細胞に広がります。ラメイソン研究所でも研究されているリステリア・モノサイトゲネスは、アクチン尾部を使って自身を隣接する細胞に強制的に推進させます。対照的に、R. parkeri はアクチン尾部を形成できますが、細胞接合部に到達する前にアクチン尾部を失います。どういうわけか、R. parkeri は依然として隣接する細胞に広がる可能性があります。

ER のあまり知られていない機能に関する MIT セミナーの後、アセベドサンチェス博士は、ER にヒッチハイクして細胞接合部に到達することで、リケッチアが隣接する細胞に広がるかどうかを観察する細胞株を開発しました。

その代わりに、彼女は予想外に高い割合の R. parkeri が約 55 ナノメートルの距離で ER に取り囲まれ、包まれているのを観察しました。真核細胞における小器官間コミュニケーションのための膜接触は幅10〜80ナノメートルの接続を形成するため、この距離は重要です。研究者らは、彼らが観察したのは免疫反応ではないと否定し、R. parkeriと相互作用するERの部分は依然としてERのより広範なネットワークに接続されていた。

「新しい生物学を学びたいなら、ただ細胞を観察すればいいと私は思っています」とアセベド＝サンチェスは言う。 「他の細胞小器官との接触を確立する細胞小器官を操作することは、感染中に病原体を制御するための優れた方法となる可能性があります。」

ER は数秒または数分間継続的に接続の切断と再構築を繰り返しているため、安定した接続は予想外でした。 ER が細菌の周囲に安定して会合しているのを見るのは驚きでした。感染する細胞のサイトゾルに自由に存在するサイトゾル病原体として、R. parkeri が膜に囲まれているのを見ることはまったく予想外でした。

小さなマージン

アセベドサンチェス氏は、ハーバード大学ナノスケールシステムセンターと協力し、集束イオンビーム走査型電子顕微鏡を使用して、より高い解像度で最初の観察を観察しました。 FIB-SEM では、細胞のサンプルを採取し、集束イオン ビームを照射して細胞のブロックの一部を削り取ります。各レイヤーで高解像度の画像が撮影されます。このプロセスの結果、画像のスタックが生成されます。

そこから、アセベドサンチェス氏は、画像のさまざまな領域 (ミトコンドリア、リケッチア、ER など) をマークし、機械学習プログラムである ORS Dragonfly と呼ばれるプログラムを使用して、1,000 枚ほどの画像を分類してそれらのカテゴリーを特定しました。次に、その情報を使用してサンプルの 3D モデルが作成されました。

Acevedo-Sánchez 氏は、R. parkeri の 5% 未満が ER との関係を形成したが、少量の特定の特徴が R. parkeri 感染にとって重要であることが知られていると指摘した。 R. parkeri は、アクチン尾部がある運動性と、アクチン尾部がない非運動性の 2 つの状態で存在できます。アクチン尾部を形成できない変異体では、R. parkeri は隣接する細胞に進むことができません。しかし、非変異体では、尾を持つ R. parkeri の割合は感染初期の約 2% から始まり、感染の最盛期でも 15% を超えることはありません。 。

ER は非運動性 R. parkeri とのみ相互作用し、尾部を形成できない変異体ではそれらの相互作用が 25 倍増加しました。

つながりを作る

共著者のAcevedo-Sánchez氏、Patrick Woida氏、Caroline Anderson氏も、ERとのつながりが媒介される可能性のある方法を調査した。他の細胞小器官とのER相互作用を媒介するVAPタンパク質は、感染中に他の病原体によって取り込まれることが知られている。

R. parkeri による感染中に、VAP タンパク質が細菌に動員されました。 VAPタンパク質がノックアウトされると、R. parkeriとERの間の相互作用の頻度が減少し、R. parkeriが感染中に独自の目的でこれらの細胞機構を利用している可能性があることが示されました。

アセベド＝サンチェス氏は現在、アッヴィの上級科学者として働いているが、ラメイソン研究室は、関与している可能性のある分子プレーヤー、これらの相互作用がどのように媒介されるか、そしてその接触が宿主や細菌のライフサイクルに影響を与えるかどうかを調査する研究を続けている。

生物学の上級著者で准教授のレベッカ・ラメイソン氏は、細菌とミトコンドリアは共通の祖先から進化したと考えられているため、これらの潜在的な相互作用は特に興味深いと指摘した。ラメイソン研究室は、R. parkeri がミトコンドリアと同じ膜接触を形成できるかどうかを研究してきましたが、まだ証明されていません。これまでのところ、このように挙動することが観察されている細胞質病原体は R. parkeri だけです。

「細菌が偶然ERにぶつかっただけではありません。これらの相互作用は非常に安定しています。ERは明らかに細菌の周囲を広範囲に包み込んでおり、依然としてERネットワークに接続されています」とラメイソン氏は言う。 「何か目的があるようですが、その目的が何なのかは謎のままです。」