Ein Gen in Tuberkulose-Bakterien ist essentiell für die Sekretion und Virulenz von Siderophoren

Lei Zhang, Ph.D., und Michael Niederweis, Ph.D., von der University of Alabama in Birmingham haben einen „großen Schritt“ gemacht, um zu verstehen, wie Mycobacterium tuberculosis Eisen von seinem menschlichen Wirt aufnimmt – ein Prozess, der für die die Pathogenese dieses Bakteriums. Tuberkulose tötet jedes Jahr mehr als 1 Million Menschen, aber ohne Eisen kann M. tuberculosis nicht wachsen.

Im Allgemeinen erwerben Bakterien Eisen auf eine gut verständliche Weise. Sie produzieren Moleküle, die Siderophore genannt werden, was griechisch für „Eisenträger“ ist, und sie verwenden Molekularpumpen, um die Siderophore durch die inneren und äußeren Membranen auszuscheiden. Die Siderophore haben die Fähigkeit, Eisen sehr fest zu binden. Dann werden diese eisenbindenden Siderophore zurück in die Bakterien transportiert. Im Inneren wird das Eisen zur Verwendung in essentiellen Enzymen freigesetzt.

Die Familie der Mycobacteriaceae – zu der die mikrobiellen Erreger von Tuberkulose und Lepra gehören – unterscheidet sich jedoch stark von Bakterien wie E. coli, bei denen die am Siderophortransport beteiligte Maschinerie intensiv untersucht wurde.

In den letzten zehn Jahren haben Forscher im Niederweis-Labor der UAB das Siderophor-Wissen für M. tuberculosis oder Mtb erweitert. Im Jahr 2013 beschrieben sie zwei kleine Membranproteine, die für die Siderophor-Sekretion durch Mtb erforderlich sind, durch ihre Assoziation mit bekannten Efflux-Pumpen, um ein Siderophor-Exportsystem an der inneren Membran zu bilden.

Im Jahr 2014 beschrieben sie, wie eine Doppelmutante dieser beiden kleinen Proteine ​​das Mtb außerordentlich empfindlich gegenüber winzigen Konzentrationen des Mtb-Siderophors Mycobactin machte, ein Toxizitätsphänomen, das sie Siderophorvergiftung nannten.

Im Jahr 2020 beschrieben sie, wie die Mutation eines anderen Mtb-Gens, rv0455c, den gleichen Phänotyp zeigte wie die Deletion der beiden kleinen Proteine ​​– Siderophorvergiftung in Gegenwart von Mycobactin. Darüber hinaus befindet sich das rv0455c-Gen in der Nähe der Genstelle für die beiden kleinen Proteine, die für den Siderophor-Efflux essentiell sind. Daher stellten die UAB-Forscher die Hypothese auf, dass rv0455c auch bei der Siderophor-Sekretion funktionieren würde.

Das war richtig, wie sie im berichten Naturkommunikation Studie: „Ein periplasmatisches Cinched-Protein ist für die Siderophor-Sekretion und Virulenz von Mycobacterium tuberculosis erforderlich.“

Mithilfe verschiedener genetischer und biochemischer Ansätze zeigten sie, dass das rv0455c-Gen für das Wachstum von Mtb in eisenarmem Medium unerlässlich ist und dass die Sekretion der beiden Mtb-Siderophore – Mycobactin und Carboxymycobactin – in der rv0455c-Deletionsmutante drastisch reduziert ist.

Obwohl Mengen des Rv0455c-Proteins außerhalb wachsender Mtb-Zellen gefunden werden, fanden Zhang und Niederweis heraus, dass eine gentechnisch veränderte Rv0455c-Variante – die zur Verankerung in der Mtb-Innenmembran entwickelt wurde – bei der Siderophorsekretion funktionsfähig war, was eine intrazelluläre Rolle von Rv0455c unterstützt. Die Deletion von Rv0455c aus einem virulenten Mtb-Stamm beeinträchtigte die Replikation von M. tuberculosis bei Mäusen stark, was die Bedeutung von Rv0455c und der Siderophor-Sekretion während der Krankheit demonstriert.

Das rv0455c-Gen in Mtb hat keine Sequenzhomologie mit Genen in Bakterien wie E. coli, aber es ist eines der Kerngene, die in Mycobakterien gefunden werden, mit einem hohen Grad an Homologie zwischen den verschiedenen Homologen. Vor der aktuellen Studie war Rv0455c als Protein mit unbekannter Funktion annotiert worden.

Die Forscher fanden heraus, dass zu rv0455c homologe Gene aus M. smegmatis, M. leprae und M. haemophilium in Mtb voll funktionsfähig waren und sein Wachstum in Gegenwart von Mycobactin wiederherstellten. Die Kristallstruktur des homologen Proteins von M. smegmatis zeigte eine Disulfidbindung im Protein, wodurch eine „Cinch“-Struktur erzeugt wurde, und das Protein weist zwei Oberflächenflecken von Aminosäuren auf, die unter den Mycobakterien evolutionär konserviert sind.

Die mechanistische Funktion von Rv0455c ist noch unbekannt, und das Protein zeigt nicht die tiefe Spalte, die üblicherweise bei Siderophor-bindenden Proteinen gefunden wird. Rv0455c könnte jedoch eine wichtige strukturelle Rolle im Siderophor-Sekretionssystem von Mtb spielen, sagen Forscher, möglicherweise indem es als essentielles akzessorisches Protein fungiert oder die Siderophor-Exporter der Innenmembran mit einem mutmaßlichen Kanal der Außenmembran verbindet.

„Diese Studie stellt einen großen Schritt nach vorn dar, um das Mtb-Siderophor-Sekretionssystem zu verstehen, dessen Proteine ​​keine Ähnlichkeiten mit anderen bakteriellen Siderophor-Sekretionssystemen aufweisen“, sagte Niederweis. „Darüber hinaus identifizieren wir die Siderophorvergiftung als einen wichtigen Mechanismus des großen Virulenzverlusts der Mtb-Mutante, der das rv0455c-Gen fehlt, validieren die Siderophorsekretion als Wirkstoffziel und enthüllen einen neuen Mechanismus für mutmaßliche Tuberkulose-Medikamente.“