May 26, 2023
세균성 아밀로이드 컬리의 구조 분석 및 건축 원리
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Nature Communications 14권, 기사 번호: 2822(2023) 이 기사 인용
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아밀로이드가 의도하지 않은 응집 폭포의 (독성) 부산물일 뿐만 아니라 정의된 생물학적 기능을 제공하기 위해 유기체에 의해 생산될 수도 있다는 초기 제안 이후 20년이 지났습니다. 그 혁신적인 아이디어는 그람 음성 세포를 지속적인 생물막으로 유지하는 세포외 기질의 상당 부분이 교차 β 구조, 핵 생성 의존적 중합 동역학 및 고전적인 단백질 섬유(curli; tafi)로 구성된다는 인식에서 탄생했습니다. 아밀로이드 착색 특성. 생체 내에서 소위 기능성 아밀로이드 섬유를 형성하는 것으로 밝혀진 단백질 목록은 수년에 걸쳐 크게 확장되었지만 부분적으로 관련된 실험 장벽으로 인해 상세한 구조적 통찰력은 비슷한 속도로 따르지 않았습니다. 여기서 우리는 광범위한 AlphaFold2 모델링과 극저온 전자 투과 현미경을 결합하여 컬리 원섬유의 원자 모델과 더 높은 조직 모드를 제안합니다. 우리는 컬리 빌딩 블록과 피브릴 아키텍처의 예상치 못한 구조적 다양성을 발견했습니다. 우리의 결과는 컬리의 극단적인 물리화학적 견고성과 종간 컬리의 무차별성에 대한 초기 관찰을 합리화할 수 있으며 컬리 기반 기능성 재료의 레퍼토리를 확장하기 위한 추가 엔지니어링 노력을 촉진해야 합니다.
한때 구조 생물학에서는 타당하지 않은 표적으로 간주되었지만, 최근 저온전자현미경(cryoEM) 및 나선형 처리의 발전으로 원자 분해능에 가까운 아밀로이드 원섬유의 구조 결정이 쉬워졌습니다1. 시험관 내에서 생성된 아밀로이드와 생체 외에서 분리된 아밀로이드의 실험적으로 결정된 수많은 구조는 섬유 다형체 또는 동일하거나 밀접하게 관련된 서열의 계통의 개념을 포함하여 섬유 구조의 당황스러운 구조적 다양성을 밝혀냈습니다2,3,4,5. 원섬유 구조와 섬유 나선형 대칭의 차이에도 불구하고 대부분의 아밀로이드 구조는 전통적인 교차 베타 격언을 넘어 아밀로이드 접힘의 정의를 확장할 수 있는 몇 가지 보존된 특징을 공유합니다. 우리가 아는 한, 현재 기술된 모든 아밀로이드 구조는 입체적 지퍼 모티프에 의해 안정화되는 복잡하고 구불구불한 평면형 β-가닥 배열의 반복적 적층으로 구성되며, 서로 맞물린 잔류 곁사슬이 광범위한 반데르발스, 정전기적, 소수성 및 수소를 생성합니다. 접점 접착. 가닥-가닥 도킹 및 β-아케이드 형성에 의한 평면형 펩타이드의 축방향 스태킹은 원섬유 형성을 유도하고, 일반적으로 여러 원섬유의 나선형 권선이 매우 안정적인 나선형 상부 구조로 이어집니다. 광범위한 아밀로이드 구조의 구조적 세부 사항을 해결하기 위해 현대 저온EM 접근법에서 큰 성공을 거둔 것은 바로 이 나선형 대칭입니다.
이러한 구조의 대부분은 다수의 (신경)퇴행성, 전신 침착 및 잘못된 접힘 질환과 상관관계가 있는 아밀로이드 종의 하위 계열에 속합니다. 이러한 이유로 이러한 아밀로이드 생성 단백질을 구어체로 병리학적 아밀로이드(PA)라고 합니다. 이러한 질병 관련 아밀로이드는 돌연변이, 환경 조건 또는 잘못된 처리로 인해 원래 구조에 도달하지 못하는 단백질 또는 단백질 단편의 비기능적이고 경로를 벗어난 잘못된 접힘 및 응집 현상을 나타낸다는 공통점이 있습니다. 생명의 모든 영역에서 발견되는 아밀로이드 계열의 두 번째 가지가 있습니다. 이는 아밀로이드 상태를 채택하여 전용 생물학적 역할(예: 부착, 저장, 비계 등)을 수행하도록 진화한 단백질로 구성됩니다. 기능성 아밀로이드(FA)라는 용어6,7,8. 병리학적 아밀로이드와 마찬가지로 FA는 교차 β 특성을 갖는 섬유로의 핵생성 의존적 응집을 보여줍니다. 수수께끼의 질문은 FA 경로가 병리학적 아밀로이드 침착과 일반적으로 연관되는 기능 특성의 세포독성 획득을 완화하거나 결여하기 위해 선택된 특성을 포함하는지 여부입니다. Curli 및 Fap과 같은 세균성 아밀로이드 경로의 경우, 보조 단백질이 조기 아밀로이드 생성을 예방하거나 중지하는 샤페론과 같은 보호 장치를 포함하여 시기적절하고 국지적인 아밀로이드 침착을 보장한다는 것이 분명합니다9,10. 그러나 FA 하위단위와 섬유질의 구조에 세포 독성을 낮추는 적응 특성이 포함되어 있는지 여부는 아직 잘 알려져 있지 않습니다. 흥미롭게도, 다양한 병원성 박테리아에 의해 생산된 FA가 PAs11과 교차 반응성을 나타낼 수 있다는 시험관 내 실험의 징후가 있으며, 인간에서 직접적인 교차 파종 또는 간접적(염증) 효과에 의해 잠재적으로 감염성 유도 또는 병리학적 아밀로이드 침착이 악화된다는 보고가 있습니다. 세균성 아밀로이드에 노출된 동물. FA에 사용할 수 있는 구조는 몇 가지뿐이므로 FA가 구조적으로 PA와 관련되어 있는지, 그리고 별도의 아밀로이드 구조를 형성하는지 여부는 현재로서는 불분명합니다. 종간 FA/PA 아밀로이드 무차별성에 대한 분자 메커니즘이 무엇인지도 명확하지 않습니다.
90 as high accuracy predictions, between 70 and 90 as good backbone predictions, and pLDDT <70 as low confidence and to be treated with caution31. All models share a similar β-solenoid architecture, wherein curlin repeats fold into strand-β-arc-strand motifs that stack vertically to produce an in-register double, parallel β-sheet structure with a single strand stagger (i.e., 2.4 Å) between both sheets (Fig. 2, Supplementary Fig. 2). This topology fits with our cryoEM observations on mature curlin fibrils, which we discuss in detail below. It also means that variations in the number of repeats correlate linearly to the long-axis dimension of a CsgA monomer, and that the curliome spans a continuum of solenoidal monomers./p>10 independent sample preparations./p>5 independent sample preparations./p>6 and higher; Table S2, Supplementary Fig. 15)45. Known structures including β-solenoid domains include, amongst others, antifreeze and ice binding proteins, phage tail spikes, adhesins, Leu-rich repeat proteins, glycosidases, S-layer proteins (Table S2; Supplementary Fig. 15,a). Our search did not identify any polymerizing or amyloid-like proteins. Instead, the β-solenoid domains form a structural scaffold for the protein monomers, rather than a polymerization unit. In these β-solenoid proteins, structural imperfections in the terminal solenoid motif(s) or additions of sterically blocking domains prevents polymerization by head-to-tail or tail-tail/head–head interactions of the monomers. Notably, a structural similarity against the human Alphafold protein structure database identifies several proteins showing open-edged β-solenoid domains (Supplementary Table 2; Supplementary Fig. 15b), including extracellular matrix proteins such as mucins and keratin associated proteins, or suprabasin and uncharacterized protein FLJ40521. It is unclear, however, whether these β-solenoid domains support polymerization in these proteins. In curli, the structural preservation and complementarity throughout the β-solenoid is guaranteed by a high degree of conservation of a limited number of key residues that partake in steric zipper contacts and the stabilization of β-arcade structures. In that respect, we note that Zhou and coworkers have shown that promiscuous cross-seeding can occur between curli produced in interspecies biofilms—a process that is likely dependent on a conserved curli architecture36. Also, extracellular matrix components such as curli have been proposed as a secreted public good, at least in single species biofilms46. The structural conservation in curli subunits may enable mixed fiber formation and thus allow multispecies contribution of curli monomers to the biofilm matrix. It is interesting to speculate that the solenoid polymorphisms found in the conformational curlin families defined in this work, i.e., CS, NCS and D, may result in some specificity of curlin cross-seeding and possibly in multispecies biofilm associations. In recent years, increasing attention has also gone to the potential cross-seeding activity of curli released by commensal and pathogenic Proteobacteria towards human pathological amyloids, with multiple reports indicating an in vitro and in vivo seeding or stimulatory activity towards α-synuclein amyloidogenity12,47,48. In this respect, it is interesting to note that our structural similarity of the human Alphafold protein structure database identifies several proteins with open-edged β-solenoid domains with high structural similarity to the curlin fold (Supplementary Table 2; Supplementary Fig. 15b), including extracellular and mucosal proteins like keratin associated proteins and mucins. This may warrant an increased attention to a potential interaction of mucosal matrix proteins and curli-producing commensals and pathogens in the intestinal and urinary tract./p>
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