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Complesso YES di phiX174 |
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Molecola del mese di aprile 2024 Il batteriofago phiX174 produce una piccola proteina capace di uccidere i batteri.  IntroduzioneI virus batteriofagi sono i predatori naturali dei batteri. Un batteriofago si lega alla superficie del batterio e inietta il suo genoma che spesso è costituito da una singola catena di DNA. Questo genoma, poi, dirige la sintesi di centinaia di nuove copie del batteriofago che escono dalla cellula del batterio uccidendolo. I virus batteriofagi si trovano ovunque nell'ambiente e la maggior parte dei batteri hanno diversi tipi di batteriofagi che li attaccano. Per esempio, due dei batteriofagi più studiati, T4 e phiX174, attaccano il batterio Escherichia coli.  Rompere
la parete cellulareDopo che i virus batteriofagi si sono moltiplicati all'interno della cellula batterica devono affrontare una nuova sfida: uscire all'esterno. La cellula dei batteri, spesso, è circondata da una strato di peptidoglicano, una struttura molto robusta a forma di rete composta di proteine e zuccheri mostrata qui a lato in ciano tra le due membrane, verdi, di Escherichia coli. I batteriofagi hanno bisogno di proteine specializzate per rompere questa parete protettiva. Il batteriofago T4 usa l'enzima lisozima (mdm 9-2000) (che abbiamo anche noi nella saliva) per tagliare le catene di peptidoglicano. L'attacco di T4 ai batteri è mostrato nella prossima immagine qui sotto. Il batteriofago phiX174, invece, produce una piccola proteina, chiamata proteina E, che blocca gli enzimi che sintetizzano la parete di peptidoglicano Complesso YES con la proteina E La struttura PDB 8g02, illustrata nella prima immagine in alto, mostra la proteina E in azione legata all'enzima batterico transmembrana MraY, che ha un ruolo centrale nella sintesi del peptidoglicano. Il compito di MraY è quello di legare un lipide a dei pentapeptidi precursori del peptidoglicano. Il lipide permette ad un'altra proteina di spostare fuori dalla cellula i precursori e di legarli al peptidoglicano in crescita. La proteina E blocca questo processo legandosi a MraY nel suo sito attivo. La proteina E richiama poi una seconda proteina, la proteina chaperone SlyD, che circonda e protegge la proteina E e blocca del tutto il sito attivo di MraY. Questo complesso, chiamato YES, è mostrato qui in alto e include l'enzima MraY, la proteina E e SlyD.  Fago-terapiaDato che i virus batteriofagi uccidono i batteri possono diventare utili per trattare le infezioni. La fago-terapia è conosciuta da oltre un secolo, nel 1919 è stata usata per la prima volta per trattare la dissenteria. In seguito è caduta in disuso nella medicina occidentale dopo la scoperta della penicillina (mdm 5-2002) e di altri farmaci antibiotici. Gli antibiotici avevano alcuni vantaggi importanti, erano più facili da somministrare e potevano attaccare un più vasto spettro di batteri. Recentemente, però, lo sviluppo di batteri resistenti agli antibiotici ha riacceso l'interesse per la fago-terapia che può essere un'alternativa importante quando non ci sono antibiotici efficaci. Qui a fianco è mostrato come i virus batteriofagi T4 attaccano e uccidono i batteri di Escherichia coli. La prima cellula batterica è appena stata attaccata da T4 che sta iniettando il suo DNA genomico (bianco). Nella seconda cellula batterica si vede che T4 ha preso il controllo delle operazioni cellulari, ha distrutto quasi tutto il DNA batterico (porpora) e sta costringendo la cellula a produrre molte copie di se stesso. Nella terza cellula batterica si vede che il virus T4 ha prodotto una proteina che forma dei canali attraverso la membrana interna batterica che fanno passare l'enzima virale lisozima che taglia la parete cellulare di peptidoglicano (ciano). La cellula batterica, quindi, esplode liberando centinaia di nuovi virus batteriofagi.   Iniezione
di DNALe pareti cellulari dei batteri sono un problema anche nelle prime fasi dell'infezione del batteriofago. Molti batteriofagi, come T4, hanno delle code complesse che si legano alla superficie del batterio e iniettano il loro DNA attraverso la parete cellulare. PhiX174 usa un approccio più semplice. Produce una proteina che si avvolge formando un tubo tra le maglie del peptidoglicano e così forma un passaggio abbastanza grande per il DNA virale. Nel file PDB 4jpp si vede la porzione della proteina che forma il tubo. E' costituita da 10 catene proteiche ad alfa elica che si avvolgono tra loro per formare il canale. I due domini teminali della struttura a tubo sono apolari e quindi possono inserirsi nella membrana e sono adatti a perforare le due membrane, interna ed esterna, di Escherichia coli.  Esplorando
la strutturaMolti antibiotici attaccano gli enzimi batterici che costruiscono la parete di peptidoglicano. La penicillina, per esempio, blocca gli enzimi che uniscono tra loro i precursori del peptidoglicano e così impedisce che si formi il polimero a rete. L'antibiotico naturale muraimicina D2 si lega all'enzima MraY (file PDB 5ckr) e ne blocca il sito attivo in modo simile alla proteina E di phiX174.  Spunti per ulteriori esplorazioni Per saperne di più sui batteriofagi e su altri virus, andate in Esplorando la biologia strutturale dei virus Per esplorare gli aspetti biologico-strutturali della resistenza agli antibiotici andate su Risorse al PDB 101.  Bibliografia8g02: Orta, A.K., Riera, N., Li, Y.E., Tanaka, S., Yun, H.G., Klaic, L., Clemons Jr., W.M. (2023) The mechanism of the phage-encoded protein antibiotic from Phi X174. Science 381: eadg9091-eadg9091 Strathdee, S.A., Hatfull, G.F., Mutalik, V.K., Schooley, R.T. (2023) Phage therapy: From biological mechanisms to future directions. Cell 186, 17-31 5ckr: Chung, B.C., Mashalidis, E.H., Tanino, T., Kim, M., Matsuda, A., Hong, J., Ichikawa, S., Lee, S.Y. (2016) Structural insights into inhibition of lipid I production in bacterial cell wall synthesis. Nature 533: 557-560 4jpp: Sun, L., Young, L.N., Zhang, X., Boudko, S.P., Fokine, A., Zbornik, E., Roznowski, A.P., Molineux, I.J., Rossmann, M.G., Fane, B.A. (2014) Icosahedral bacteriophage Phi X174 forms a tail for DNA transport during infection. Nature 505: 431-435 |
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