Le traslocasi di undecaprenil fosfato conferiscono idoneità microbica condizionale

Natura volume 613, pagine 721–728 (2023) Citare questo articolo

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La parete cellulare microbica è essenziale per il mantenimento della forma cellulare e la resistenza ai fattori di stress esterni1. Il componente strutturale principale della parete cellulare è il peptidoglicano, un glicopolimero con legami incrociati peptidici situati all'esterno della membrana cellulare1. La biosintesi e la struttura del peptidoglicano rispondono alle mutevoli condizioni ambientali come pH e salinità2,3,4,5,6, ma i meccanismi alla base di tali adattamenti non sono completamente compresi. I precursori del peptidoglicano e di altri glicopolimeri della superficie cellulare vengono sintetizzati nel citoplasma e quindi rilasciati attraverso la membrana cellulare legati al trasportatore lipidico riciclabile undecaprenil fosfato7 (C55-P, noto anche come UndP). Qui identifichiamo le famiglie di proteine ​​transmembrana contenenti DUF368 e DedA come traslocasi C55-P candidate, colmando una lacuna critica nella conoscenza delle proteine ​​necessarie per la biogenesi dei polimeri della superficie cellulare microbica. I batteri Gram-negativi e Gram-positivi privi della loro proteina affine contenente DUF368 hanno mostrato difetti della parete cellulare e della vitalità alcalino-dipendenti, insieme a livelli aumentati di C55-P sulla superficie cellulare. Le interazioni genetiche sintetiche dipendenti dal pH tra proteine ​​contenenti DUF368 e membri della famiglia DedA suggeriscono che l'utilizzo del trasportatore C55-P è dinamico e modulato da input ambientali. L'attività del trasportatore C55-P era richiesta dall'agente patogeno del colera per la crescita e il mantenimento della forma cellulare nell'intestino. Proponiamo che l’affidamento condizionato ai trasportatori fornisca resilienza nel riciclo dei trasportatori lipidici, rafforzando l’idoneità microbica sia all’interno che all’esterno dell’ospite.

I lipidi undecaprenil fosforilati (C55) hanno un ruolo essenziale come molecole carrier riciclabili nella biogenesi dei glicopolimeri della superficie cellulare microbica7. Durante la biosintesi del peptidoglicano, le subunità pentapeptidiche del peptidoglicano legate allo zucchero che sono assemblate nel citoplasma batterico sono legate covalentemente al C55-P per il trasporto transmembrana7 (Fig. 1a). Dopo che il precursore del peptidoglicano legato al trasportatore (lipide II) è stato spostato dal lembo interno a quello esterno della membrana da MurJ8, la successiva incorporazione del muropeptide nel peptidoglicano polimerizzato lascia dietro di sé il pirofosfato C55 (C55-PP). Il riciclo del trasportatore viene avviato dall'idrolisi di C55-PP a C55-P da parte delle fosfatasi associate alla membrana tra cui UppP (noto anche come BacA) e le proteine ​​del dominio PAP2 PgpB, YbjG e LpxT7. Quindi, C55-P viene presumibilmente rivolto nuovamente nella faccia citosolica della membrana per completare il riciclo. Studi strutturali preliminari hanno proposto che UppP possa anche funzionare come translocasi C55-P9,10, ma le proteine ​​responsabili dell'internalizzazione di C55-P non sono state ancora identificate. Il riciclo del C55-P è un passaggio chiave nella biosintesi del peptidoglicano e di altri glicopolimeri della superficie cellulare, inclusi gli acidi teicoici di parete, alcune modifiche dei lipopolisaccaridi e le capsule7. Dato il suo ruolo critico e ad ampio raggio nel mantenimento della superficie cellulare, il riciclo del C55-P è considerato un obiettivo importante per le terapie antimicrobiche e sono stati identificati antibiotici naturali che inibiscono questo processo11.

a, Utilizzo e riciclaggio di C55-P nei batteri. I siti di azione antibiotica rilevanti per la Fig. 3 sono indicati con barre rosse. Le frecce tratteggiate rappresentano più passaggi enzimatici e/o di trasporto. L'esagono grigio rappresenta gli zuccheri variabili legati al C55-P per l'assemblaggio del glicopolimero a valle. LPS, lipopolisaccaride; PG, peptidoglicano. b, Conservazione di DUF368 in phyla batterici selezionati (in posizione verticale) e generi (corsivo). I segmenti colorati e le etichette associate denotano phyla selezionati con sostanziale conservazione DUF368. È indicata la frazione di genomi di clade unici sequenziati che codificano per una proteina contenente DUF368. c, d, strutture previste del nastro (c) e della superficie elettrostatica colorata (d) di VCA0040. Scala di colori, da −10 a 10 kcal (mol e−). e,f, Crescita (e) e morfologia (f) di V. cholerae di tipo selvatico (WT), Δvca0040 e Δvca0040 + vca0040 (cromosomicamente complementato) in terreno LB. g, pH medio di colture LB notturne di V. cholerae. h, crescita di V. cholerae nel mezzo M9 tamponato al pH indicato. i, Gli effetti del surnatante esaurito tamponato (terreno privo di cellule dopo 24 ore di crescita a 30 °C da una coltura 1:1.000) sulla morfologia di V. cholerae in fase logaritmica. j, Gli effetti del pH sulla crescita di V. cholerae (in alto) e sulla morfologia (in basso) durante la fase logaritmica in terreno LB tamponato con Na2HPO4 50 mM. NB, terreno non tamponato. e,g,h, I dati sono la media ± sd di n = 3 colture per ceppo o condizione. f,i,j, Immagini rappresentative da n = 3 colture per ceppo o condizione. Barre di scala, 3 μm (f) e 5 μm (i,j).