Bakterijski sistemi toksin-antitoksin, usmerjeni proti fagom

Uvod

Bakterije so v procesu koevolucije razvile različne sisteme za boj proti bakteriofagom. Tako lahko za zaustavitev razmnoževanja faga uporabljajo tudi sisteme celičnega samomora kot altruistični način obrambe ostalih celic v populaciji. Ti sistemi so postinfekcijski obrambni mehanizmi, ki preprečijo različne stopnje razvoja faga. Dva znana sistema izločanja fagov v bakterijah sta sistem zaustavitve infekcije (ang. 'abortive infection systems' ali Abi), in sistemi (moduli) toksin-antitoksin (TA). Ti sistemi so oblike naravne imunosti v bakterijah. Moduli TA aktivno sodelujejo pri več pomembnih celičnih procesih; stabilizaciji genov, celičnem samomoru, obrambi pred fagi in odzivu na stres.

Sistemi toksin-antitoksin

TA so majhni bicistronski operoni, ki se nahajajo na bakterijskih kromosomih ali plazmidih. V operonu je zapis za protein toksina, pred katerim je gen za antitoksin. Oba gena se prepisujeta s skupnega promotorja. Toksin lahko onesposobi pomembne celične procese (translacijo, replikacijo in formacijo celične stene), medtem ko zapis za antitoksin uravnava aktivnost toksina. Antitoksini nevtralizirajo delovanje svojih toksinov na različne načine. Antitoksini se degradirajo ob odzivu na določen dražljaj in omogočijo delovanje toksinov na svoja tarčna mesta, kar povzroči reverzibilno bakteriostazo ali celično smrt. Trenutno je znanih sedem razredov TA-sistemov (sistemi I, II, III, IV, V, VI in VII). Ločijo se glede na mehanizem nevtralizacije delovanja toksinov, ki ga uporabljajo antitoksini. Produkt gena za toksin je običajno protein, produkt gena za antitoksin pa nekodirajoča RNA (pri sistemih TA I in III) ali protein majhne molekulske mase (pri sistemih TA II, IV, V, VI in VII). Znani so primeri sistemov TA I, II, III in IV, ki delujejo proti fagom, za TA V, VI in VII pa takšna vloga še ni potrjena.

Sistem I

hok/sok

hok/sok uvrščamo med TA sisteme tipa I, pri katerem je antitoksin protismerna RNA, ki posredno prepreči prevajanje mRNA toksina. Operon hok/sok sistema se pri E. coli nahaja na plazmidu R1, sestavljajo pa ga trije geni: hok, ki zapisuje za toksin Hok, sok, ki zapisuje za antitoksin in mok, ki je modulator prepisovanja toksina.

Toksin in antitoksin

Hok mRNA vsebuje prepis genov hok in mok, 3'-konec slednjega se prekriva skoraj s celotnim genom hok. Sok-RNA se veže na Shine-Dalgarnovo zaporedje gena mok, katerega bralni okvir se prilega Hok mRNA in ta se zato ne more prevesti. hok/sok omogoča preživetje le celicam, ki so po bakterijski delitvi prejele kopijo plazmida R1. Po delitvi celice namreč vsaka hčerinska celica vsebuje še nekaj toksina Hok, ki je stabilnejši od pripadajočega antitoksina. Celica, ki nima plazmida z zapisom za mRNA antitoksina sok, propade.

Okužba z bakteriofagom

Ko bakteriofag T4 okuži bakterijo, s proteinom Alt ADP-ribozilira RNA-polimerazo in ji onemogoči prepisovanje bakterijskih genov. Razpolovni čas Sok-RNA je sorazmerno kratek (30 sekund), zato se njegova koncentracija hitro zmanjša. Hok mRNA, ki je protismerna Sok-RNA ne inhibira več, se na 3'-koncu skrajša za 70 nukleotidov in prepiše v aktiven toksin Hok, ki povzroči celično smrt zaradi depolarizacije celične membrane. Vse to se zgodi dovolj hitro, da litični cikel bakteriofaga ne more poteči.

Sistem II

mazEF

Sistem mazEF uvrščamo med bakterijske sisteme toksin-antitoksin tipa II, za katere je značilno, da je antitoksin protein, ki z direktno interakcijo inhibira toksični protein. Modul mazEF se pri bakteriji Escherichia coli nahaja na kromosomu in deluje pod nadzorom operona reI, ki poleg genov reIA, mazF, mazE in mazG vsebuje tudi tri promotorje; P1, P2 in P3. Slednja nadzorujeta prepisovanje genov mazF, mazE in mazG. Življenjska doba molekule toksina je daljša kot življenjska doba antitoksina, ki ga proteaza ClpA neprestano razgrajuje. V primeru sistema mazEF je razpolovni čas toksina nekaj ur, antitoksina pa le nekaj minut, zato je preživetje bakterije odvisno od neprestane sinteze antitoksina.

Toksin in antitoksin

MazF je sekvenčno specifična mRNA-interferaza, ki na mRNA, nevezani na ribosome, prepoznava nukleotidno zaporedje ACA, ki ga cepi na 3'- ali 5'-koncu prvega adenilatnega ostanka. Poleg tega MazF odcepi tudi prvih 43 nukleotidov na 3'-koncu ribosomske podenote 16S, ki predstavljajo anti-Shine-Dalgarnovo zaporedje, potrebno za vezavo na mRNA. Antitoksin MazE je zgrajen iz N-končne dimerizacijske domene in C-končne domene, ki se lahko namesto mRNA veže v aktivno mesto MazF in ga tako inhibira. Toksin in antitoksin tvorita heteroheksamerni kompleks MazEF, zgrajen iz enega dimera antitoksina, ki je ugnezden med dva dimera antitoksina. Razgradnja mRNA, do katere pride, ko toksin ni inhibiran, onemogoči sintezo proteinov, potrebnih za normalno delovanje celice, kar povzroči celično smrt.

Regulacija

Gen reIA zapisuje za protein ReIA, ki v primeru pomanjkanja aminokislin sintetizira gvanozin pentafosfat ali gvanozin tetrafosfat. (p)ppGpp deluje kot zaviralec transkripcije, kar vodi do zmanjšanja koncentracije antitoksina MazE. MazG, ki je produkt gena mazG, je nukleotid trifosfat pirofosfohidrolaza, ki razgrajuje (p)ppGpp in s tem bakterijski celici omogoča preživetje. Prisotna je tudi avtoinhibicija, ko se kompleks MazEF veže na promotorja P2 in P3 ter s tem inhibira prepisovanje.

Funkcija

Celična smrt ima pri E. coli pomen za preživetje celotne bakterijske kolonije. Sistem mazEF se namreč aktivira, ko so razmere za preživetje neugodne, na primer pri povišani temperaturi, pomanjkanju hranil, v prisotnosti antibiotikov ali ob okužbi z bakteriofagom. Bakteriofag P1 v bakterijo vnese gen za zapis proteina Doc, ki prepreči translacijo, kar vodi zmanjšanje koncentracije antitoksina in posledično v celično smrt. Smrt bakterijske celice onemogoči bakteriofagu, da bi prešel v litično fazo in se razširil po celotni bakterijski koloniji.

Sistem III

AbiQ

AbiQ je mehanizem, usmerjen proti fagom. Najden je bil na naravnem plazmidu bakterije Lactococcus lactis, grampozitivne bakterije, ki se uporablja v mlečni industriji, znana pa je tudi po tem, da je postala prva gensko spremenjena bakterija, uporabljena za zdravljenje hudih bakterijskih okužb. Mehanizem AbiQ je sistem toksin-antitoksin tipa III, ki temelji na direktni interakciji med proteinom toksina in RNA antitoksina, ki inhibira učinke toksina. Bakterija Lactococcus lactis se je izkazala za zelo uporabno, saj so z njenim modelom odkrili že 23 možnih obrambnih mehanizmov, od katerih je na molekularni ravni raziskanih le nekaj. Navadno je fenotip odpornosti mediiran z enim genom gostitelja. Obstajajo izjeme: AbiE, AbiG, AbiL, AbiT in AbiU so zakodirani z dvema genoma, sistem AbiR s štirimi geni. Večina teh genov je bila najdena na plazmidih. Njihovi načini delovanja so slabo raziskani, zaradi velike raznolikosti in nezadostnega biološkega poznavanja učinka bakteriofagov na bakterijo Lactococcus lactis.

Kodirajoč gen za mehanizem AbiQ, je bil izoliran iz naravnega plazmida pSRQ900 seva bakterije Lactococcus lactis W-37. Okužba celice, preprečena z AbiQ mehanizmom, vodi v kopičenje nerazvite oblike virusne DNA v gostitelju. V eni od raziskav so testirali učinkovitost AbiQ mehanizma proti trem gensko različnim litičnim fagom. AbiQ se je izkazal za zelo učinkovitega v primeru fagov p2 in c21. Ostali Abi mehanizmi so manj učinkoviti in AbiQ ne bi mogli konkurirati, razen če bi mutiran fag zaobšel ta obrambni mehanizem.

V mehanizmu AbiQ sodeluje protein ABIQ, ki je endoribonukleaza. Ta protein je sestavljen iz 172 aminokislinskih ostankov, regulirajo ga molekule RNA različnih inhibitorjev. V stresnih pogojih in ob okužbi s fagi lahko določen protein bakteriofaga destabilizira uravnalni kompleks tako, da interagira z antitoksinom ali pa da spremeni aktivnost samega proteina ABIQ. Sprostitev toksina omogoči cepitev faga in celične mRNA, s čimer zatre rast in širjenje fagov. Mehanizem AbiQ se lahko tudi optimizira z eno samo mutacijo v sekundarni strukturi molekule RNA. Boljše razumevanja delovanja različnih mehanizmov toksin-antitoksin je ključ do hitrega razvoja novih strategij, za preprečitev evolucije fagov.

ToxIN

Mehanizem AbiQ je po načinu delovanja podoben drugemu Abi mehanizmu, imenovanemu ToxIN. ToxIN najdemo na plazmidu bakterije Pectobacterium atrosepticum in prav tako spada med sisteme toksin-antitoksin tipa III. Antitoksin ToxI je sestavljen iz 36 nukleotidov nekodirajoče RNA, ki jo cepi toksin ToxN. Nastali manjši fragment RNA interagira s ToxN in skupaj tvorita trikotni heteroheksamerni kompleks, ki inhibira toksin. Sekundarna zgradba ToxI RNA je esencialna za aktivnost antitoksina. Pod stresnimi pogoji je ToxN prost in se usmeri na mRNA celice, kar vodi v zaustavitev celične rasti in prepreči replikacijo fagov. ToxIN torej ubije bakterijske celice okužene s fagi, tako da izloči ribonukleinski toksin ToxN.

Sistem IV

CbeA/CbtA

Toksin in antitoksin sta proteina, ki med seboj ne reagirata, temveč delujeta na isto tarčno mesto. Toksin in antitoksin tekmujeta za interakcijo s tem mestom, pri čemer toksin inhibira, antitoksin pa promovira opravljanje funkcije mesta. Antitoksin uravnava transkripcijo lastnega gena in gena za toksin. Možna je tudi posttranslacijska modifikacija toksina, ki privede do zmanjšane stabilnosti. Bakteriofagi lahko preprečijo abortivno infekcijo, ki temelji na sistemu toksin-antitoksin tip IV. Najbolj znan primer sistema toksin-antitoksin tega tipa je CbeA/CbtA v sevu K-12 bakterije E. coli. Toksin CbtA preprečuje polimerizacijo citoskeletnih proteinov MreB in FtsZ, kar onemogoči delitev celice. Antitoksin CbeA se veže neposredno na proteina MreB in FtsZ ter pospešuje njuno polimerizacijo. CbeA izniči delovanje toksina CbtA, podobno deluje tudi proti drugimi inhibitorjem polimerizacije citoskeletnih proteinov.

AbiEi/AbiEii

Drugi opisani sistem tipa IV je AbiEi/AbiEii v Streptococcus agalactiae. Sistem AbiEi/AbiEii je sicer prisoten v več kot 600 bakterijah in arhejah. Toksin AbiEii je nukleotid transferaza iz naddružine proteinov DUF1814, ki specifično prenaša GTP na še neznane celične lokacije. Antitoksin AbiEi je protein, ki promovira delovanje tarčnega mesta, kar uniči učinek toksina AbiEii na tarčno mesto. AbiEi je tudi transkripcijski regulator abiE operona, ki vsebuje gene za toksin AbiEii in antitoksin AbiEi, ki se prekrivata za štiri bazne pare. AbiEi ima v N-končni domeni (NTD) krilati motiv tipa vijačnica-zavoj-vijačnica (wHTH) in pozitivno nabito površino C-končne domene (CTD), kar omogoča represijo abiE operona. Dve molekuli AbiEi se vežeta na abiE promotor; njuni NTD se vežeta na visoko ohranjeni invertirani ponavljajoči se sekvenci IR1 ter IR2 iz enajstih baznih parov, CTD pa se vežeta na sosednji manj ohranjeni regiji. AbiEi nato dimerizira preko C-končnih domen. Nastali dimer povzroči zvitje promotorja abiE za 72°. Pozicije promotorja so na mestih od -35 do -10 zasedene in RNA-polimeraza se nanje ne more vezati. AbiEi poleg negativne avtoregulacije prepisovanja lastnega gena, prepreči tudi prepisovanje gena za toksin AbiEii in ga s tem inhibira. Znano je, da je sistem AbiEi/AbiEii pomembno sredstvo abortivne infekcije s pomočjo celičnega samomora, s čimer preprečuje proliferacijo fagov, njegov molekularni mehanizem pa ni znan.

Viri

- Ramisetti B. C. M. et al. mazEF-mediated programmed cell death in bacteria: "what is this?". Critical Reviews in Microbiology, 2015, 41:1, 89-100.

- Thisted T et al.Mechanism of Post-segregational Killing by the hok/sok System of Plasmid P1. Journal of Molecular Biolgy, 1992, 223, 41-54.

- Samson J. E. Structure and activity of AbiQ, a lactococcal endoribonuclease belonging to the type III toxin-antitoxin system. Mol. Microbiol. 87(4), 756-68 (2013).

- Short F. L. et al. The bacterial Type III toxin-antitoxin system, ToxIN, is a dynamic protein-RNA complex with stability-dependent antiviral abortive infection activity. Scientific Reports 8, 1013 (2018).

- Harms A. et al. Toxins, Targets, and Triggers: An Overview of Toxin-Antitoxin Biology. Cell, 2018, 70, 768-784.

- Hampton H. G. et al AbiEi Binds Cooperatively to the Type IV abiE Toxin-Antitoxin Operator Via a Positively-Charged Surface and Causes DNA Bending and Negative Autoregulation. Journal of Molecular Biology, 2018, 430, 1141-1156.