Токсины нуклеотидилтрансферазы MenT расширяют акцепторные стебли тРНК и могут ингибироваться за счет асимметричного связывания антитоксина.

Nature Communications, том 14, номер статьи: 4644 (2023) Цитировать эту статью

1087 доступов

21 Альтметрика

Подробности о метриках

Микобактерия туберкулеза, бактерия, ответственная за туберкулез человека, имеет геном, кодирующий удивительно большое количество систем токсин-антитоксин, функции которых в значительной степени неизвестны. Недавно мы показали, что геном M. Tuberculosis кодирует четыре широко распространенные системы нуклеотид-антитоксин нуклеотидилтрансферазного семейства MenAT. В этом исследовании мы характеризуем MenAT1, используя секвенирование тРНК, чтобы продемонстрировать активность модификации тРНК MenT1. Активность MenT1 блокируется MenA1, коротким белком-антитоксином, не связанным с киназой MenA3. Рентгеноструктурный анализ показывает блокировку консервативной складки MenT за счет асимметричного связывания MenA1 через два протомера MenT1, образуя гетеротримерный комплекс токсин-антитоксин. Наконец, мы также демонстрируем модификацию тРНК токсином MenT4, что указывает на консервативную активность во всем семействе MenT. Наше исследование подчеркивает различия в предпочтениях мишени тРНК токсинами MenT, избирательное использование нуклеотидных субстратов и разнообразные способы антитоксиновой активности MenA.

Системы токсин-антитоксин (ТА) состоят из небольших генетических модулей, кодирующих повреждающий токсин и его антагонистический антитоксин. Они широко распространены в геномах бактерий и архей, а также на мобильных генетических элементах и ​​обычно индуцируются стрессом1,2,3,4,5. Системы ТА играют роль в защите от фаговой инфекции, поддержании геномных областей и в некоторых случаях способствуют вирулентности бактерий и устойчивости антибиотиков4,6,7,8,9. Было показано, что в щадящих условиях роста активность токсина блокируется родственным ему антитоксином, и на рост бактерий это не влияет. Однако при определенных условиях, таких как фаговая инфекция или потеря плазмиды, баланс токсина и антитоксина нарушается. В результате свободные токсины воздействуют на важные клеточные процессы или структуры, включая трансляцию, репликацию, метаболизм или клеточную оболочку, вызывая ингибирование роста или гибель клеток2,10.

Микобактерия туберкулеза, бактерия, ответственная за туберкулез человека, имеет геном, который кодирует значительное количество более чем 86 ТА-систем11,12. Этот набор систем ТА включает в себя множество примеров из хорошо консервативных семейств ТА, которые, как правило, индуцируются в соответствующих стрессовых условиях, включая гипоксию, поглощение макрофагов или воздействие антибиотиков13,14. Было показано, что многие из предполагаемых токсинов M.tuberculosis являются токсичными при экспрессии в M.tuberculosis, M.smegmatis и/или E.coli, в то время как их вредное воздействие эффективно ингибируется совместной экспрессией соответствующего антитоксина13,15. Соответственно, было высказано предположение, что активированные токсины могут модулировать рост M. Tuberculosis при определенных условиях, тем самым способствуя выживанию человека-хозяина11,15,16. Тем не менее, за исключением нескольких систем ТА, которые были протестированы и показали, что они способствуют инфицированию хозяина17,18,19, их клеточная функция остается в значительной степени неизвестной. Кроме того, высокотоксичная природа некоторых из этих токсинов позволяет предположить, что их антибактериальные механизмы могут быть использованы для идентификации новых мишеней для лекарств или, альтернативно, путем прямого применения в качестве внутриклеточных противомикробных препаратов20,21,22,23,24.

Члены семейства ТА-систем MenAT в M. Tuberculosis кодируют токсин с консервативным белковым доменом, подобным нуклеотидилтрансферазе (NTase) (DUF1814), и родственный антитоксин, который может принадлежать к различным семействам белков25,26. Было показано, что среди членов семейства MenAT M.tuberculosis MenT1 (Rv0078A), MenT3 (Rv1045) и MenT4 (Rv2826c) ингибируют рост M. smegmatis при сверхэкспрессии, тогда как MenT2 (Rv0836c) не проявляет заметного эффекта25. Токсины MenT принадлежат к семейству белков абортивной инфекции (AbiEii) Streptococcus agalactiae, которые содержат четыре консервативных сигнатурных мотива26. N-концевые мотивы I и II обнаружены в ДНК-полимеразе β и, как предполагается, координируют ион металла для связывания и переноса нуклеотидов. С-концевой мотив III подобен мотиву тРНК-НТаз, которые добавляют 3'-CCA-мотив к незрелым тРНК, и может быть важен для укладки оснований с субстратами. С-концевой мотив IV уникален для белков DUF1814 и, как предполагается, образует каталитический сайт с мотивом III26,27. На сегодняшний день токсин MenT3 является наиболее изученным представителем этого семейства. Было показано, что MenT3 (также называемый TglT) ингибирует трансляцию путем переноса пиримидинов на 3'-CCA-конец акцепторных стеблей тРНК (предпочтительно к Ser-тРНК in vitro), тем самым предотвращая дальнейшее аминоацилирование25. Примечательно, что такая активность, как предполагалось, нейтрализуется антитоксином MenA3, действующим как специфическая киназа, фосфорилирующая MenT3 по остатку каталитического сайта Ser7827. Этот предложенный способ ингибирования привел к классификации MenAT3 как системы ТА VII типа3,28. Рентгеновские структуры MenT3 и MenT4 показывают, что оба являются мономерными двухдольными глобулярными белками со сходством в их общей складке, особенно в их предполагаемом активном сайте25. Кроме того, структуры антитоксина MenA4 и близкого гомолога AbiEi обнаруживают наличие N-концевых крылатых ДНК-связывающих доменов спираль-поворот-спираль, соединенных коротким линкером с C-концевыми киназными доменами, участвующими в нейтрализации токсина29,30,31. Было показано, что in vivo menAT2 индуцируется при воздействии нитрозативного стресса и необходим для патогенеза M.tuberculosis у морских свинок32. Напротив, о MenAT1 практически ничего не известно. Система MenAT1 кодирует ожидаемый NTase-подобный токсинный белок MenT1 (15% аминокислотный сходства с MenT3) вместе с очень коротким предполагаемым антитоксином из 68 аминокислот, названным MenA1, первоначально идентифицированным как предполагаемый SymE-подобный токсин типа I и предсказанный быть неупорядоченным и лишенным ДНК-связывающего домена12. Предыдущая работа показала, что MenT1 токсичен при экспрессии в M. smegmatis и что его токсичность эффективно ингибируется совместной сверхэкспрессией MenA125. Интересно, что сверхэкспрессия MenT1 не показала заметной токсичности в E. coli, что резко контрастирует с MenT3 или AbiEii25,33.