Bakteriellt mikrofack
Bakteriella mikrokompartment ( BMC ) är organellliknande strukturer som finns i bakterier . De består av ett proteinskal som omsluter enzymer och andra proteiner . BMC är vanligtvis cirka 40–200 nanometer i diameter och är helt gjorda av proteiner. Skalet fungerar som ett membran, eftersom det är selektivt permeabelt. Andra proteinbaserade fack som finns i bakterier och archaea inkluderar encapsulin nanocompartments och gasvesiklar .
Upptäckt
De första BMC:erna observerades på 1950-talet i elektronmikrofotografier av cyanobakterier och fick senare namnet karboxysomer efter att deras roll i kolfixering fastställdes. Fram till 1990-talet ansågs karboxysomer vara en märklighet begränsad till vissa autotrofa bakterier. Men sedan identifierades gener som kodar för proteiner homologa med de i karboxisomskalet i operonerna pdu ( propandiol ) och eut ( etanolaminanvändning ) . Därefter visade transmissionselektronmikrofotografier av Salmonella -celler odlade på propandiol eller etanolamin närvaron av polyedriska kroppar liknande karboxisomer. Termen metabolosom används för att hänvisa till sådana katabola BMC (i motsats till den autotrofa karboxisomen).
Även om karboxisomen, propandiolanvändande (PDU) och etanolaminanvändande (EUT) BMC:er inkapslar olika enzymer och därför har olika funktioner, är generna som kodar för skalproteinerna mycket lika. De flesta av generna (som kodar för skalproteinerna och de inkapslade enzymerna) från experimentellt karakteriserade BMC är lokaliserade nära varandra i distinkta genetiska loci eller operoner. Det finns för närvarande över 20 000 bakteriegenom sekvenserade, och bioinformatiska metoder kan användas för att hitta alla BMC-skalgener och för att titta på vilka andra gener som finns i närheten, vilket ger en lista över potentiella BMC:er. Under 2014 identifierade en omfattande undersökning 23 olika loci som kodar för upp till 10 funktionellt distinkta BMC över 23 bakteriefyla . År 2021, i en analys av över 40 000 skalproteinsekvenser, visades det att minst 45 phyla har medlemmar som kodar för BMC, och antalet funktionella typer och subtyper har ökat till 68. BMC:s roll i det mänskliga mikrobiomet är också blir tydlig.
Skal
Proteinfamiljer som bildar skalet
BMC-skalet verkar icosaedriskt eller kvasi-icosahedriskt och bildas av (pseudo) hexameriska och pentamera proteinsubenheter . Strukturer av intakta skal har bestämts för tre funktionellt distinkta: BMC-typer, karboxisomer, GRM2-organellerna involverade i kolinkatabolism och en metabolosom med okänd funktion. Tillsammans visade dessa strukturer att de grundläggande principerna för skalmontering är universellt bevarade över funktionellt distinkta BMC:er.
BMC-skalproteinfamiljen
Huvudbeståndsdelarna i BMC-skalet är proteiner som innehåller Pfam00936-domän(er). Dessa proteiner bildar oligomerer som är hexagonala till formen och bildar skalets fasetter.
Enkeldomänproteiner (BMC-H)
BMC-H-proteinerna, som innehåller en enda kopia av Pfam00936-domänen, är den vanligaste komponenten i skalets facetter. Kristallstrukturerna för ett antal av dessa proteiner har bestämts, vilket visar att de sätts samman till cykliska hexamerer, vanligtvis med en liten por i mitten. Denna öppning föreslås vara involverad i den selektiva transporten av de små metaboliterna över skalet. De flesta BMC innehåller flera olika typer av BMC-H-proteiner (paraloger) som läggs ihop för att bilda fasetterna, vilket troligen återspeglar mängden metaboliter som måste komma in och ut ur skalet.
Tandem-domänproteiner (BMC-T)
En undergrupp av skalproteiner är sammansatta av tandem (sammanslagna) kopior av Pfam00936-domänen (BMC-T-proteiner), denna evolutionära händelse har återskapats i labbet genom konstruktionen av ett syntetiskt BMC-T-protein. Strukturellt karakteriserade BMC-T-proteiner bildar trimerer som är pseudohexameriska till formen. Vissa BMC-T-kristallstrukturer visar att trimererna kan staplas ansikte mot ansikte. I sådana strukturer är en por från en trimer i en "öppen" konformation, medan den andra är stängd - vilket tyder på att det kan finnas en luftslussliknande mekanism som modulerar permeabiliteten hos vissa BMC-skal. Denna grind verkar vara koordinerad över skalets yta. En annan undergrupp av BMC-T-proteiner innehåller ett [4Fe-4S]-kluster och kan vara involverat i elektrontransport över BMC-skalet. Metallcentra har också konstruerats till BMC-T-proteiner för att leda elektroner.
EutN/CcmL-familjen (BMC-P)
Tolv femkantiga enheter är nödvändiga för att täcka toppen av ett icosaedriskt skal. Kristallstrukturer av proteiner från EutN/CcmL-familjen (Pfam03319) har lösts och de bildar vanligtvis pentamerer (BMC-P). Betydelsen av BMC-P-proteinerna vid skalbildning verkar variera mellan de olika BMC:erna. Det visades att de är nödvändiga för bildandet av skalet av PDU BMC eftersom mutanter i vilka genen för BMC-P-proteinet raderades inte kan bilda skal, men inte för alfa-karboxisomen: utan BMC-P-proteiner, karboxisomer kommer fortfarande att monteras och många är långsträckta; dessa mutanta karboxisomer verkar vara "läckande".
Utveckling av BMC och relation till virala kapsider
Även om BMC-skalet arkitektoniskt liknar många virala kapsider, har skalproteinerna inte visat sig ha någon strukturell eller sekvenshomologi med kapsidproteiner. Istället tyder strukturella och sekvensjämförelser på att både BMC-H (och BMC-T) och BMC-P, med största sannolikhet, har utvecklats från bona fide cellulära proteiner, nämligen PII-signalprotein respektive OB-faldigt domäninnehållande protein.
Skalets permeabilitet
Det är väl etablerat att enzymer är förpackade i BMC-skalet och att en viss grad av metabolit- och kofaktorsekvestrering måste ske. Men andra metaboliter och kofaktorer måste också tillåtas passera skalet för att BMC ska fungera. Till exempel, i karboxisomer måste ribulos-1,5-bisfosfat, bikarbonat och fosfoglycerat passera skalet, medan koldioxid- och syrediffusion uppenbarligen är begränsad. På samma sätt, för PDU BMC, måste skalet vara permeabelt för propandiol, propanol, propionylfosfat och potentiellt även vitamin B12, men det är tydligt att propionaldehyd på något sätt sekvestreras för att förhindra cellskador. Det finns vissa bevis för att ATP också måste passera vissa BMC-skal.
Det har föreslagits att den centrala poren som bildas i skalets hexagonala proteinplattor är ledningarna genom vilka metaboliter diffunderar in i skalet. Till exempel har porerna i karboxisomskalet en övergripande positiv laddning, vilket har föreslagits för att attrahera negativt laddade substrat såsom bikarbonat. I PDU-mikrofacket har mutagenesexperiment visat att poren i PduA-skalproteinet är vägen för inträde av propandiolsubstratet. För större metaboliter är en grindmekanism i vissa BMC-T-proteiner uppenbar. I EUT-mikrofacket regleras gating av den stora poren i EutL-skalproteinet av närvaron av det huvudsakliga metaboliska substratet, etanolamin.
Närvaron av järn-svavelkluster i vissa skalproteiner, förmodligen i den centrala poren, har lett till förslaget att de kan fungera som en ledning genom vilken elektroner kan skjutas över skalet.
Typer
Omfattande undersökningar av mikrobiella genomsekvensdata indikerade mer än 60 olika metaboliska funktioner inkapslade av BMC-skal. Majoriteten är involverade i antingen kolfixering (karboxisomer) eller aldehydoxidation (metabolosomer). En webbserver, BMC Caller, tillåter identifiering av BMC-typen baserat på proteinsekvenserna för BMC-lokuskomponenterna. BMC ringer
Karboxysomer: kolfixering
Karboxysomer kapslar in ribulos-1,5-bisfosfatkarboxylas/oxygenas (RuBisCO) och kolsyraanhydras i CO 2 -fixerande bakterier som en del av en CO 2 -koncentreringsmekanism. Bikarbonat pumpas in i cytosolen och diffunderar in i karboxisomen, där kolsyraanhydras omvandlar det till koldioxid, substratet för RuBisCO. Karboxysomskalet tros endast vara sparsamt genomsläppligt för koldioxid, vilket resulterar i en effektiv ökning av koldioxidkoncentrationen runt RuBisCO, vilket förbättrar CO 2 -fixeringen. Mutanter som saknar gener som kodar för karboxisomskalet uppvisar en fenotyp som kräver högt CO 2 på grund av förlusten av koncentrationen av koldioxid, vilket resulterar i ökad syrefixering av RuBisCO. Skalen har också föreslagits för att begränsa diffusionen av syre, och på så sätt förhindra oxygenasreaktionen, vilket minskar slösaktig fotorespiration.
Metabolosomer: aldehydoxidation
Förutom de anabola karboxisomerna har flera katabola BMC karakteriserats som deltar i den heterotrofa metabolismen via kortkedjiga aldehyder; de kallas gemensamt för metabolosomer.
2014 föreslogs att trots sin funktionella mångfald delar majoriteten av metabolosomer en gemensam inkapslad kemi som drivs av tre kärnenzymer: aldehyddehydrogenas, alkoholdehydrogenas och fosfotransacylas. Eftersom aldehyder kan vara toxiska för celler och/eller flyktiga, tros de vara sekvestrerade i metabolosomen. Aldehyden fixeras initialt till koenzym A av ett NAD+-beroende aldehyddehydrogenas, men dessa två kofaktorer måste återvinnas, eftersom de tydligen inte kan passera skalet. Dessa återvinningsreaktioner katalyseras av ett alkoholdehydrogenas (NAD+) och ett fosfotransacetylas (koenzym A), vilket resulterar i en fosforylerad acylförening som lätt kan vara en källa till substratnivåfosforylering eller gå in i central metabolism, beroende på om organismen växer. aerobt eller anaerobt. Det verkar som att de flesta, om inte alla, metabolosomer använder dessa kärnenzymer. Metabolosomer inkapslar också ett annat enzym som är specifikt för det initiala substratet av BMC, som genererar aldehyden; detta är det definierade signaturenzymet för BMC.
PDU BMC
Vissa bakterier kan använda 1,2-propandiol som kolkälla. De använder en BMC för att kapsla in flera enzymer som används i denna väg (Sampson och Bobik, 2008). PDU BMC kodas vanligtvis av ett 21 gen-lokus. Dessa gener är tillräckliga för montering av BMC eftersom de kan transplanteras från en typ av bakterie till en annan, vilket resulterar i en funktionell metabolosom hos mottagaren. Detta är ett exempel på bioteknik som också ger bevis till stöd för den själviska operonhypotesen. 1,2-propandiol dehydreras till propionaldehyd av propandioldehydratas, som kräver vitamin B12 som en kofaktor. Propionaldehyd orsakar DNA-mutationer och är som ett resultat giftigt för celler, vilket möjligen förklarar varför denna förening är sekvestrerad i en BMC. Slutprodukterna av PDU BMC är propanol och propionylfosfat, som sedan defosforyleras till propionat, vilket genererar en ATP. Propanol och propionat kan användas som substrat för tillväxt.
EUT BMC
Etanolaminutnyttjande (EUT) BMC är kodade i många olika typer av bakterier. Etanolamin klyvs till ammoniak och acetaldehyd genom inverkan av etanolamin-ammoniaklyas, som också kräver vitamin B12 som en kofaktor. Acetaldehyd är ganska flyktig, och mutanter som saknar BMC-skalet har observerats ha en tillväxtdefekt och frigör överskottsmängder av acetaldehyd. Det har föreslagits att sekvestrering av acetaldehyd i metabolosomen förhindrar dess förlust genom flyktighet. Slutprodukterna av EUT BMC är etanol och acetylfosfat. Etanol är sannolikt en förlorad kolkälla, men acetylfosfat kan antingen generera ATP eller återvinnas till acetyl-CoA och gå in i TCA-cykeln eller flera biosyntetiska vägar.
Bifunktionella PDU/EUT BMC:er
Vissa bakterier, särskilt de i släktet Listeria , kodar för ett enda lokus där gener för både PDU och EUT BMC är närvarande. Det är ännu inte klart om detta verkligen är en chimär BMC med en blandning av båda uppsättningarna av proteiner, eller om två separata BMC bildas.
Glycylradikal enzyminnehållande BMC (GRM)
Flera olika BMC-loci har identifierats som innehåller glycylradikalenzymer, som erhåller den katalytiska radikalen från klyvningen av S-adenosylmetionin. Ett GRM-lokus i Clostridium phytofermentans har visat sig vara involverat i fermenteringen av fukos och ramnos, som initialt bryts ned till 1,2-propandiol under anaeroba förhållanden. Enzymet glycylradikal föreslås dehydratisera propandiol till propionaldehyd, som sedan bearbetas på ett sätt som är identiskt med den kanoniska PDU BMC.
Planctomycetes och Verrucomicrobia BMC (PVM)
Distinkta linjer av Planctomycetes och Verrucomicrobia kodar för ett BMC-lokus. Lokuset i Planctomyces limnophilus har visat sig vara involverat i den aerobiska nedbrytningen av fukos och rhamnos. En aldolas tros generera laktaldehyd, som sedan bearbetas genom BMC, vilket resulterar i 1,2-propandiol och laktylfosfat.
Rhodococcus och Mycobacterium BMC (RMM)
Två typer av BMC-loci har observerats i medlemmar av Rhodococcus- och Mycobacterium -släktena, även om deras faktiska funktion inte har fastställts. Baserat på den karakteriserade funktionen hos en av generna som finns i lokaliseringen och de förutsagda funktionerna hos de andra generna, föreslogs det att dessa loci kunde vara involverade i nedbrytningen av amino-2-propanol. Aldehyden som genereras i denna förutsagda väg skulle vara den extremt giftiga föreningen metylglyoxal; dess sekvestrering i BMC kunde skydda cellen.
BMC med okänd funktion (BUF)
En typ av BMC-lokus innehåller inte RuBisCO eller något av kärnmetabolosomenzymerna och har föreslagits för att underlätta en tredje kategori av biokemiska transformationer (dvs varken kolfixering eller aldehydoxidation). Närvaron av gener som förutspås koda för amidohydrolaser och deaminaser kan indikera att denna BMC är involverad i metabolismen av kvävehaltiga föreningar.
hopsättning
Karboxysomer
Sammansättningsvägen för beta-karboxisomer har identifierats och börjar med proteinet CcmM kärnbildande RuBisCO. CcmM har två domäner: en N-terminal gamma-karboanhydrasdomän följt av en domän som består av tre till fem upprepningar av RuBisCO små subenhetsliknande sekvenser. Den C-terminala domänen aggregerar RuBisCO, troligen genom att ersätta de faktiska RuBisCO små subenheterna i L8-S8 holoenzymet, vilket effektivt tvärbinder RuBisCO i cellen till ett stort aggregat, kallat prokarboxisomen. Den N-terminala domänen av CcmM interagerar fysiskt med den N-terminala domänen av CcmN-proteinet, som i sin tur rekryterar de hexagonala skalproteinsubenheterna via en inkapslingspeptid på dess C-terminal. Karboxysomer är sedan rumsligt anpassade i den cyanobakteriella cellen via interaktion med det bakteriella cytoskelettet, vilket säkerställer deras lika fördelning i dotterceller.
Alfa-karboxisomsammansättningen kan vara annorlunda än den för beta-karboxisomer, eftersom de inte har några proteiner homologa med CcmN eller CcmM och inga inkapslingspeptider. Tomma karboxysomer har observerats i elektronmikrofotografier. Vissa mikrofotografier indikerar att deras sammansättning sker som en samtidig sammansmältning av enzymer och skalproteiner i motsats till det till synes stegvisa sätt som observeras för beta-karboxisomer. Bildandet av enkla alfa-karboxisomer i heterologa system har visat sig kräva bara Rubisco stora och små subenheter, det interna förankringsproteinet CsoS2 och det stora skalproteinet CsoS1A.
Fylogenetisk analys av skalproteinerna från båda typerna av karboxisomer indikerar att de utvecklades oberoende, var och en från metabolosomförfäder.
Metabolosomer
Metabolosomsammansättningen liknar sannolikt den för beta-karboxisomen, via en initial aggregering av proteinerna som ska inkapslas. Kärnproteinerna i många metabolosomer aggregerar när de uttrycks ensamma. Dessutom innehåller många inkapslade proteiner terminala förlängningar som är slående lika den C-terminala peptiden av CcmN som rekryterar skalproteiner. Dessa inkapslingspeptider är korta (cirka 18 rester) och förutsägs bilda amfipatiska alfa-helixar. Några av dessa spiraler har visats förmedla inkapslingen av naturliga enzymer i BMC, såväl som heterologa proteiner (såsom GFP).
Reglering (genetisk)
Med undantag för cyanobakteriella karboxysomer kodas BMC i alla testade fall i operoner som endast uttrycks i närvaro av deras substrat. Genetiska loci för majoriteten av funktionellt distinkta BMC-typer kodar för regulatorproteiner som kan ge information om BMC-funktion.
PDU BMC i Salmonella enterica induceras av närvaron av propandiol eller glycerol under anaeroba förhållanden, och endast propandiol under aeroba förhållanden. Denna induktion medieras av de globala regulatorproteinerna Crp och ArcA (avkänner cykliskt AMP respektive anaeroba tillstånd), och det regulatoriska proteinet PocR, som är den transkriptionella aktivatorn för både pdu och cob loci (operonen som är nödvändig för syntesen av vitaminer ) B12, en nödvändig kofaktor för propandioldehydratas).
EUT BMC i Salmonella enterica induceras via det regulatoriska proteinet EutR av samtidig närvaro av etanolamin och vitamin B12, vilket kan ske under aeroba eller anaeroba förhållanden. Salmonella enterica kan endast producera endogent vitamin B12 under anaeroba förhållanden, även om det kan importera cyanobalamin och omvandla det till vitamin B12 under antingen aeroba eller anaeroba förhållanden.
PVM BMC i Planctomyces limnophilus induceras av närvaron av fukos eller rhamnos under aeroba förhållanden, men inte av glukos. Liknande resultat erhölls för GRM BMC från Clostridium phytofermentans , för vilka båda sockerarterna inducerar generna som kodar för BMC såväl som de som kodar för fukos- och rhamnosdissimilatoriska enzymer.
Förutom karakteriserade regulatoriska system har bioinformatikundersökningar visat att det potentiellt finns många andra regulatoriska mekanismer, även inom en funktionell typ av BMC (t.ex. PDU), inklusive tvåkomponents regulatoriska system.
Relevans för global och mänsklig hälsa
Karboxysomer finns i alla cyanobakterier och många andra foto- och kemoautotrofa bakterier. Cyanobakterier är globalt viktiga drivkrafter för kolfixering, och eftersom de kräver karboxysomer för att göra det under nuvarande atmosfäriska förhållanden, är karboxisomen en viktig komponent i global koldioxidfixering.
Flera typer av BMC har varit inblandade i virulens av patogener, såsom Salmonella enterica och Listeria monocytogenes . BMC-gener tenderar att uppregleras under virulensförhållanden, och mutation av dem leder till en virulensdefekt som bedöms av konkurrensexperiment.
Biotekniska tillämpningar
Flera funktioner hos BMC gör dem tilltalande för biotekniska tillämpningar. Eftersom karboxysomer ökar effektiviteten av kolfixering, har mycket forskning ansträngts för att introducera karboxysomer och krävde bikarbonattransportörer i växtkloroplaster för att konstruera en kloroplastisk CO 2 -koncentreringsmekanism med viss framgång. Karboxysomer ger också ett exempel på hur kunskap om en BMC-sammansättningsväg möjliggör förenkling och minskning av antalet nödvändiga genprodukter för organellkonstruktion. Detta är ett särskilt viktigt övervägande för att införa kompartmentalisering i svåra att konstruera organismer som växter i växtsyntetisk biologi. Mer generellt, eftersom BMC-skalproteiner självmonterar, kan tomma skal bildas, vilket föranleder försök att konstruera dem för att innehålla skräddarsydd last. Upptäckten av inkapslingspeptiden på ändarna av vissa BMC-associerade proteiner ger ett sätt att börja konstruera anpassade BMC:er genom att fusionera främmande proteiner till denna peptid och samtidigt uttrycka detta med skalproteiner. Till exempel, genom att lägga till denna peptid till pyruvatdekarboxylas och alkoholdehydrogenas, har forskare konstruerat en etanolbioreaktor. Strategier för att inkapsla proteiner i syntetiska skal med användning av olika adapterdomäner och fusioner till ändarna av skalproteiner har också varit framgångsrika. Slutligen kontrollerar porerna som finns i skalproteinerna skalets permeabilitet: dessa kan vara ett mål för bioteknik, eftersom de kan modifieras för att tillåta korsning av utvalda substrat och produkter. Konstruktionen av permeabilitet har till och med utökats bortom metaboliter; skalproteinporer har modifierats för att leda elektroner.
Förutom potentialen för uppdelning av metabolism i bioteknik, har syntetiska BMC många potentiella tillämpningar som nanoterapeutika. Ytterligare tekniska framsteg, såsom förmågan att konstruera skal in vitro, möjliggör snabbt utvecklingen av BMC inom bioteknik.
Se även
externa länkar
- Mystiska bakteriella mikrofack avslöjade av biokemister
- Inte så enkelt trots allt. En renässans av forskning om prokaryotisk evolution och cellstruktur