Лей Чжан, доктор философии, и Майкл Нидервейс, доктор философии, из Университета Алабамы в Бирмингеме сделали то, что они назвали «важным шагом» в понимании того, как микобактерии туберкулеза получают железо от человека-хозяина — процесс, необходимый для патогенез этой бактерии. Туберкулез ежегодно убивает более 1 миллиона человек, но без железа М.tuberculosis не может расти.

В целом бактерии усваивают железо хорошо изученным образом. Они производят молекулы, называемые сидерофорами, что в переводе с греческого означает «носитель железа», и используют молекулярные насосы для выведения сидерофоров наружу через внутреннюю и внешнюю мембраны. Сидерофоры обладают способностью очень прочно связывать железо. Затем эти удерживающие железо сидерофоры переносятся обратно в бактерии. Внутри железо высвобождается для использования в основных ферментах.

Однако семейство Mycobacteriaceae, в которое входят микробные возбудители туберкулеза и проказы, сильно отличается от бактерий, таких как E. coli, где механизм, участвующий в транспорте сидерофоров, тщательно изучен.

За последнее десятилетие исследователи из лаборатории Niederweis в UAB расширили знания о сидерофорах для M. tuberculosis или Mtb. В 2013 г. они описали два небольших мембранных белка, которые необходимы для секреции сидерофоров Mtb, благодаря их связи с известными насосами оттока для включения системы экспорта сидерофоров во внутреннюю мембрану.

В 2014 году они описали, как двойной мутант этих двух небольших белков сделал Mtb чрезвычайно чувствительным к крошечным концентрациям микобактина сидерофора Mtb, явление токсичности, которое они назвали отравлением сидерофорами.

В 2020 году они описали, как мутация другого гена Mtb, rv0455c, показала тот же фенотип, что и делеция двух малых белков — отравление сидерофорами в присутствии микобактина. Кроме того, ген rv0455c расположен близко к местоположению гена двух небольших белков, которые необходимы для оттока сидерофоров. Следовательно, исследователи UAB предположили, что rv0455c также может функционировать при секреции сидерофоров.

Это было правильно, как они сообщают в исследовании Nature Communications : «Периплазматический стянутый белок необходим для секреции сидерофора и вирулентности Mycobacterium tuberculosis».

Используя различные генетические и биохимические подходы, они показали, что ген rv0455c необходим для роста Mtb в среде с низким содержанием железа, и что секреция двух сидерофоров Mtb — микобактина и карбоксимикобактина — резко снижена у делеционного мутанта rv0455c.

Хотя некоторое количество белка Rv0455c обнаруживается вне растущих клеток Mtb, Zhang и Niederweis обнаружили, что генетически сконструированный вариант Rv0455c, предназначенный для закрепления во внутренней мембране Mtb, был функциональным при секреции сидерофоров, подтверждая внутриклеточную роль Rv0455c. Делеция Rv0455c из вирулентного штамма Mtb серьезно нарушила репликацию M.tuberculosis у мышей, демонстрируя важность секреции Rv0455c и сидерофоров во время заболевания.

Ген rv0455c в Mtb не имеет гомологии последовательности с генами таких бактерий, как E. coli, но это один из основных генов, обнаруженных в Mycobacteria, с высокой степенью гомологии среди различных гомологов. До настоящего исследования Rv0455c был аннотирован как белок с неизвестной функцией.

Исследователи обнаружили, что гены, гомологичные rv0455c из M. smegmatis, M. leprae и M. haemophilium, были полностью функциональными в Mtb, восстанавливая его рост в присутствии микобактина. Кристаллическая структура гомологичного белка из M. smegmatis показала дисульфидную связь в белке, создающую «стянутую» структуру, и белок представляет собой два поверхностных участка аминокислот, которые эволюционно консервативны среди микобактерий.

Механистическая функция Rv0455c до сих пор неизвестна, и этот белок не имеет глубокой щели, обычно обнаруживаемой в белках, связывающих сидерофоры. Тем не менее, Rv0455c может играть важную структурную роль в системе секреции сидерофоров Mtb, говорят исследователи, возможно, действуя как важный вспомогательный белок или соединяя экспортеры сидерофоров во внутренней мембране с предполагаемым каналом внешней мембраны.

«Это исследование представляет собой важный шаг вперед в понимании системы секреции сидерофоров Mtb, белки которой не имеют сходства с другими системами секреции сидерофоров бактерий», — сказал Нидервейс. «Кроме того, мы идентифицируем отравление сидерофорами как важный механизм значительной потери вирулентности мутанта Mtb, лишенного гена rv0455c, подтверждая секрецию сидерофора в качестве мишени лекарства и раскрывая новый механизм для предполагаемых противотуберкулезных препаратов».