Processo di traslocazione della membrana rivelato da strutture in situ di secretine del sistema di secrezione di tipo II

Nature Communications volume 14, numero articolo: 4025 (2023) Citare questo articolo

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La secretina GspD è il canale della membrana esterna del sistema di secrezione batterica di tipo II (T2SS) che secerne diverse tossine che causano malattie gravi come diarrea e colera. GspD deve traslocare dalla membrana interna a quella esterna per esercitare la sua funzione e questo processo è un passaggio essenziale per l'assemblaggio di T2SS. Qui, indaghiamo due tipi di secretine scoperte finora in Escherichia coli, GspDα e GspDβ. Mediante la media del subtomogramma della criotomografia elettronica, determiniamo le strutture in situ degli stati intermedi chiave di GspDα e GspDβ nel processo di traslocazione, con una risoluzione compresa tra 9 Å e 19 Å. Nei nostri risultati, GspDα e GspDβ presentano modelli di interazione della membrana e modi di transizione dello strato di peptidoglicano completamente diversi. Da ciò, ipotizziamo due modelli distinti per la traslocazione della membrana di GspDα e GspDβ, fornendo una prospettiva completa sulla biogenesi della membrana interna ed esterna delle secretine T2SS.

I sistemi di secrezione, che sono complessi proteici localizzati nell'involucro delle cellule batteriche, vengono utilizzati dai batteri per produrre substrati correlati alla virulenza che facilitano la sopravvivenza e la patogenicità1. Tra i sistemi di secrezione, il sistema di secrezione di tipo II (T2SS) è ampiamente presente e funzionale nelle specie di proteobatteri, inclusi Escherichia coli non patogeni (E. coli), E. coli enterotossigenico (ETEC), E. coli enteropatogeno (EPEC), Vibrio cholerae, Klebsiella pneumoniae e Aeromonas hydrophila2. I substrati T2SS nei batteri non patogeni possono facilitare l'assorbimento dei nutrienti dall'ambiente o la simbiosi con piante o animali, mentre nei batteri patogeni, i substrati T2SS possono favorire l'adesione agli ospiti, intossicare le cellule ospiti e sopprimere l'immunità nell'ospite, causando varie malattie3. Considerate le diverse funzioni del substrato di T2SS e la sua stretta rilevanza per la virulenza e le malattie, conoscerne la struttura e il meccanismo di funzionamento è necessario per comprendere le funzioni dei batteri e sviluppare strategie antimicrobiche.

Il componente della membrana esterna di T2SS è la secretina, che costituisce una grande struttura di canali, che si collega allo scaffold proteico sulla membrana interna e controlla l'ultimo passaggio del trasporto del substrato2. L'analisi filogenetica delle secretine T2SS delle specie Proteobacteria ha dimostrato due tipi: le secretine di tipo Klebsiella trovate in Klebsiella e Dickeya; e secretine di tipo Vibrio trovate in Vibrio, ETEC ed EPEC4. Le strutture dei due tipi di secretina appaiono entrambe come canali cilindrici contenenti i domini N0-N3, il dominio della secretina con una regione di gate centrale e il dominio S5,6,7,8,9,10. Ma sono diversi nella regione transmembrana: le secretine di tipo Vibrio hanno circa 20 amminoacidi aggiuntivi tra le eliche α7 e α8, formando un anello che si estende verso l'alto e verso l'interno verso l'asse centrale del canale come un tetto, costituendo un cap gate, mentre le secretine di tipo Klebsiella non hanno il cap gate5,6,7,8,9,10. Ciò causa direttamente differenze nell'altezza delle regioni transmembrana proposte dei due tipi di secretina, che possono conferire loro modi diversi di interagire con la membrana. La struttura in situ di T2SS è stata visualizzata nella Legionella pneumophila, che ha indicato l'architettura di T2SS e l'interazione di membrana della secretina11. Tuttavia, la risoluzione è limitata a pochi nanometri, ostacolando l’osservazione di maggiori dettagli della struttura. Lo studio delle strutture ad alta risoluzione delle secretine in situ potrebbe rivelare possibili processi biologici che si verificano nell'ambiente cellulare e offrire una comprensione più completa del loro processo e dei meccanismi di assemblaggio. Questo ambiente non può essere simulato accuratamente in vitro e può avere un impatto significativo sul comportamento della secretina.