Biogenesi di un metabolosoma batterico per l'utilizzo del propandiolo

Nature Communications volume 13, numero articolo: 2920 (2022) Citare questo articolo

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I metabolosomi batterici sono una famiglia di organelli proteici nei batteri. Chiarire come migliaia di proteine ​​si autoassemblano per formare metabolosomi funzionali è essenziale per comprenderne il significato nel metabolismo cellulare e nella patogenesi. Qui indaghiamo la biogenesi de novo dei metabolosomi di utilizzo del propandiolo (Pdu) e caratterizziamo i ruoli dei costituenti chiave nella generazione e nel posizionamento intracellulare dei metabolosomi funzionali. I nostri risultati dimostrano che il metabolosoma Pdu intraprende percorsi di assemblaggio sia "Shell first" che "Cargo first", a differenza dell'analogo strutturale β-carbossisoma che coinvolge solo la strategia "Cargo first". Gli assemblaggi del guscio e del carico avvengono indipendentemente ai poli della cellula. Il nucleo del carico interno è formato attraverso l'assemblaggio ordinato di più complessi enzimatici e presenta proprietà simili a quelle liquide all'interno dell'architettura del metabolosoma. I nostri risultati forniscono informazioni meccanicistiche sui principi molecolari che guidano l’assemblaggio del metabolosoma batterico e ampliano la nostra comprensione della biogenesi degli organelli simili a liquidi.

La compartimentazione delle vie metaboliche all'interno delle cellule eucariotiche e procariotiche migliora e regola l'energia e il metabolismo1. A differenza degli eucarioti che utilizzano organelli legati ai lipidi per svolgere specifiche funzioni metaboliche, molti batteri hanno sviluppato organelli proteici, chiamati microcompartimenti batterici (BMC), che consentono il funzionamento dei processi metabolici chiave nel citoplasma delle cellule batteriche2,3,4. Le BMC sono costituite da un guscio proteico a strato singolo che incapsula sia gli enzimi che i metaboliti. Il guscio poliedrico simile al virus funge da barriera fisica per controllare il passaggio dei metaboliti e facilita il catabolismo in un microambiente sequestrato5,6,7,8. Le caratteristiche strutturali e di assemblaggio altamente evolute dei BMC consentono agli speciali organelli batterici di svolgere un ruolo fondamentale nella fissazione della CO2, nell'infezione e nell'ecologia microbica in diverse specie batteriche2,9,10.

I BMC meglio caratterizzati sono i carbossisomi (BMC anabolici, inclusi α- e β-carbossomi basati sui tipi di Rubisco incapsulati), che migliorano la fissazione della CO2 in tutti i cianobatteri e molti chemioautotrofi11,12,13,14. Al contrario, il microcompartimento di utilizzo dell'1,2-propandiolo (1,2-PD) (Pdu BMC) è un modello per BMC catabolici o metabolosomi. Una fase critica della patogenesi della Salmonella è la colonizzazione del tratto gastrointestinale dei mammiferi, che richiede il catabolismo di una serie di fonti di carbonio, incluso 1,2-PD15. Il BMC Pdu svolge un ruolo vitale nella degradazione dell'1,2-PD durante la patogenesi gastrointestinale e promuove l'idoneità batterica in specifiche nicchie ambientali anossiche16,17,18,19,20,21,22.

L'architettura delle BMC Pdu è costituita da più di diecimila subunità proteiche di 18-20 tipi diversi tramite l'autoassemblaggio intrinseco delle proteine23,24,25,26. Sulla base delle conoscenze attuali, il guscio Pdu BMC nel batterio patogeno Salmonella enterica sierotipo Typhimurium (S. Typhimurium) contiene nove tipi di paraloghi proteici: PduA, PduB, PduB′, PduM, PduN, PduJ, PduK, PduT e PduU27,28 . La proteina esamerica PduJ è la proteina del guscio più abbondante all'interno del Pdu BMC in S. Typhimurium LT2, seguita da PduA e PduBB′24. PduB e PduB' sono codificati da geni sovrapposti e PduB ha un'estensione di 37 aminoacidi N-terminale che è assente da PduB′29. La proteina pentamerica PduN occupa i vertici del guscio poliedrico30. PduBB′, PduA o PduJ e PduN sono i componenti del guscio essenziali per la formazione e la struttura del BMC Pdu27,31. PduM è una proteina strutturale, molto meno abbondante di PduN24 e ha una funzione sconosciuta all'interno del Pdu BMC28. PduK è un'altra proteina minore del guscio all'interno del Pdu BMC24.