Программируемая доставка белка с помощью бактериальной сократительной системы инъекции.

Nature, том 616, страницы 357–364 (2023 г.) Процитировать эту статью

154 тыс. доступов

8 цитат

1286 Альтметрия

Подробности о метриках

Эндосимбиотические бактерии развили сложные системы доставки, которые позволяют этим организмам взаимодействовать с биологией хозяина. Одним из примеров являются внеклеточные сократительные инъекционные системы (eCIS), представляющие собой макромолекулярные комплексы, подобные шприцам, которые вводят полезные белки в эукариотические клетки, пропуская иглы через клеточную мембрану. Недавно было обнаружено, что eCIS нацелены на клетки мышей1,2,3, что повышает вероятность того, что эти системы можно использовать для доставки терапевтических белков. Однако могут ли eCIS функционировать в клетках человека, остается неизвестным, а механизм, с помощью которого эти системы распознают клетки-мишени, плохо изучен. Здесь мы показываем, что отбор мишени с помощью кассеты вирулентности Photorhabdus (PVC) — eCIS из энтомопатогенной бактерии Photorhabdus asymbiotica — опосредован специфическим распознаванием целевого рецептора дистальным связывающим элементом хвостового волокна PVC. Кроме того, используя in silico структурно-ориентированную инженерию хвостового волокна, мы показываем, что PVC могут быть перепрограммированы на организмы, на которые изначально не нацелены эти системы, включая клетки человека и мышей, с эффективностью, приближающейся к 100%. Наконец, мы показываем, что PVC могут загружать разнообразные полезные белки, включая Cas9, редакторы оснований и токсины, и могут функционально доставлять их в клетки человека. Наши результаты показывают, что ПВХ являются программируемыми устройствами доставки белка, которые могут применяться в генной терапии, терапии рака и биоконтроле.

Для эндосимбиотических бактерий часто бывает выгодно секретировать факторы, которые модулируют биологию хозяина в пользу приспособленности симбионтов4. Однако многие такие факторы не могут легко пройти через клеточные мембраны; это привело к развитию сложных систем, которые активно доставляют полезные белки в клетки5. Одним из примеров являются сократительные инъекционные системы (СНИС), класс шприцеобразных наномашин, напоминающих хвосты бактериофагов6,7.

CISs представляют собой макромолекулярные комплексы, содержащие жесткую трубчатую структуру, заключенную в сократительную оболочку, которая прикреплена к базовой пластине и заострена белком-шипом8,9,10,11,12,13,14. Считается, что полезная нагрузка загружается в просвет внутренней трубки за шипом, образует слитые белки с трубкой или связывается с самим шипом, который — после распознавания клетки-мишени — проталкивается через мембрану посредством сокращения оболочки2,3,15. 16,17. Эта стратегия оказалась чрезвычайно успешной во всей биосфере, поскольку было показано, что CISs нацелены на организмы из всех трех сфер жизни12,18,19. CISs могут быть прикреплены к бактериальной мембране, образуя контактно-зависимую систему доставки, известную как система секреции типа VI8,20 (T6SS), или могут быть прикреплены к тилакоидной мембране цианобактерий (tCIS) для активации во время клеточного стресса. ответ13; наконец, они могут производиться в виде свободных комплексов (eCIS) и высвобождаться внеклеточно для доставки полезной нагрузки независимо от бактериального производителя21,22,23,24. eCIS широко распространены среди бактерий и архей и, как было показано, группируются как минимум в шесть подсемейств, из которых только два содержат охарактеризованные примеры21,22,23. Было показано, что полезные нагрузки eCIS демонстрируют множество естественных функций, включая модуляцию цитоскелета хозяина18,24, расщепление ДНК1, индукцию метаморфоза15,25 и токсичность хозяина22,24,26, что указывает на то, что эти системы были адаптированы для множества биологических ниш. Недавно было обнаружено, что eCIS нацелены на клетки мышей1,2,3, что повышает вероятность того, что эти системы можно использовать в качестве инструментов доставки белка. Однако активность eCIS еще предстоит продемонстрировать в клетках человека, и механизм, с помощью которого eCIS распознает клетки-мишени (что необходимо, если эти системы должны быть разработаны в устройства целевой доставки), еще предстоит выяснить.

В наших исследованиях активности eCIS мы сосредоточились на одном подтипе eCIS: PVC. PVCs – это eCIS, продуцируемые представителями рода Photorhabdus, которые существуют как эндосимбионты внутри энтомопатогенных нематод24. ЖЭ состоят из оперона размером примерно 20 т.п.н., содержащего 16 коровых генов (pvc1–16), необходимых для сборки функциональной инъекционной системы (рис. 1а). Сразу после pvc1-16 находятся полезные нагрузки Pdp1 и Pnf, которые, как и все eCIS, как полагают, проникают в клетки-мишени посредством сокращения оболочки PVC и последующей разборки комплекса шип-трубка (Рис. 1b).