Processo de translocação de membrana revelado por estruturas in situ de secretinas do sistema de secreção tipo II

Nature Communications volume 14, número do artigo: 4025 (2023) Citar este artigo

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A secretina GspD é o canal da membrana externa do sistema de secreção bacteriano tipo II (T2SS) que secreta diversas toxinas que causam doenças graves, como diarreia e cólera. A GspD precisa se translocar da membrana interna para a externa para exercer sua função, e esse processo é uma etapa essencial para a montagem do T2SS. Aqui, investigamos dois tipos de secretinas descobertas até agora em Escherichia coli, GspDα e GspDβ. Pela média do subtomograma da criotomografia eletrônica, determinamos estruturas in situ dos principais estados intermediários de GspDα e GspDβ no processo de translocação, com resolução variando de 9 Å a 19 Å. Em nossos resultados, GspDα e GspDβ apresentam padrões de interação de membrana totalmente diferentes e formas de transição da camada de peptidoglicano. A partir disso, hipotetizamos dois modelos distintos para a translocação de membrana de GspDα e GspDβ, fornecendo uma perspectiva abrangente sobre a biogênese da membrana interna para externa das secretinas T2SS.

Os sistemas de secreção, que são complexos proteicos localizados no envelope das células bacterianas, são utilizados pelas bactérias para produzir substratos relacionados à virulência que facilitam a sobrevivência e a patogenicidade . Entre os sistemas de secreção, o sistema de secreção tipo II (T2SS) está amplamente presente e funcional em espécies de Proteobacteria, incluindo Escherichia coli não patogênica (E. coli), E. coli enterotoxigênica (ETEC), E. coli enteropatogênica (EPEC), Vibrio cholerae, Klebsiella pneumoniae e Aeromonas hydrophila2. Os substratos de T2SS em bactérias não patogênicas podem facilitar a absorção de nutrientes do ambiente ou a simbiose com plantas ou animais, enquanto em bactérias patogênicas, os substratos de T2SS podem auxiliar na adesão aos hospedeiros, intoxicar as células do hospedeiro e suprimir a imunidade no hospedeiro, causando várias doenças3. Com as diversas funções de substrato do T2SS e sua estreita relevância para virulência e doenças, é necessário conhecer sua estrutura e mecanismo de funcionamento para compreender as funções das bactérias e desenvolver estratégias antimicrobianas.

O componente da membrana externa do T2SS é a secretina, constituindo uma grande estrutura de canal, conectando-se à estrutura proteica na membrana interna e controlando a última etapa do transporte do substrato2. A análise filogenética das secretinas T2SS de espécies de Proteobacteria demonstrou dois tipos: as secretinas do tipo Klebsiella encontradas em Klebsiella e Dickeya; e secretinas do tipo Vibrio encontradas em Vibrio, ETEC e EPEC4. As estruturas dos dois tipos de secretina aparecem como canais cilíndricos contendo os domínios N0-N3, o domínio da secretina com uma região de porta central e o domínio S5,6,7,8,9,10. Mas são diferentes na região transmembrana: as secretinas do tipo Vibrio possuem cerca de 20 aminoácidos adicionais entre as hélices α7 e α8, formando uma alça que se estende para cima e para dentro até o eixo central do canal como um teto, constituindo um cap gate, enquanto as secretinas do tipo Klebsiella não possuem o cap gate5,6,7,8,9,10. Isto causa diretamente diferenças na altura das regiões transmembrana propostas dos dois tipos de secretina, o que pode proporcionar-lhes diferentes formas de interagir com a membrana. A estrutura in situ do T2SS foi visualizada em Legionella pneumophila, o que indicou a arquitetura do T2SS e a interação membranar da secretina11. Porém, a resolução é limitada a alguns nanômetros, dificultando a observação de mais detalhes da estrutura. O estudo de estruturas de alta resolução de secretinas in situ poderia revelar possíveis processos biológicos que ocorrem no ambiente celular e oferecer uma compreensão mais completa de seu processo e mecanismos de montagem. Este ambiente não pode ser simulado com precisão in vitro e pode ter um impacto significativo no comportamento da secretina.