Ny strukturell mekanism för membranmodifiering orsakad av proteinet MakA från Vibrio cholerae

Alla typer av levande celler är beroende av funktionella membran. Proteiner som bildar porer i biologiska membran finns i många olika sammanhang, inklusive vissa bakteriella toxiner som främjar infektioner och kan orsaka skador på målceller och organeller.

Forskning inom professor Sun Nyunt Wais forskargrupp vid Institutionen för molekylärbiologi resulterade i den ursprungliga upptäckten av proteinet MakA som ett motilitetsassocierat utsöndrat toxin från V. cholerae med hjälp av modellorganismen Caenorhabditis elegans och in vitro-odlade däggdjurscellmodeller. När MakA utsöndras med två andra Mak-proteiner bildar det MakA/B/E trekomponent porkomplex i däggdjurscellmembran såsom nyligen avslöjats genom biokemiska analyser och strukturell karakterisering med röntgenkristallografi i samarbete med forskargruppen ledd av universitetslektor Karina Persson vid Kemiska institutionen. Detta är typiskt för de proteiner som kallas "de α-porbildande toxinerna", en superfamilj av membranporbildande proteintoxiner.

MakA kan även på egen hand fästa vid målcellsmembran och tas upp av odlade däggdjursceller via endocytos där det ackumuleras i det endolysosomala membranutrymmet. Endolysosomer är organeller med surt pH som bryter ned cellulära makromolekyler och återvinner cellulära byggmaterial.

Det nya forskningsarbetet ger starka belägg för hur MakA interagerar med membran under sura förhållanden. Det visade sig att MakA-proteinet verkar skapa tubliknande strukturer och orsaka läckage i det sura endolysosomala utrymmet och att det inte fungerar korrekt. Sura förhållanden gjorde att MakA genererade oligomerer och ändrade membran till rörliknande strukturer, vilket fick celler att förlora sina membran. När MakA band till liposomer från cellers lipidextrakt vid lågt pH bildades de tubliknande strukturerna. (se bilder nedan från Nadeem et al., eLife 2022;11:e73439).

Dessa studier avslöjar dynamiken i tubulär tillväxt, som sker på ett pH-, lipid- och koncentrationsberoende sätt. En modell av den detaljerade protein-lipid strukturen erhölls genom Cryo-EM analys. MakA aktiviteten är ett fascinerande exempel på en strukturell process för ombildning av membranet utlöst av pH-beroende förändring i proteinets konformation. Det kommer att vara av intresse för ett brett spektrum av forskare som arbetar med värd-patogen-interaktioner, membranmodifiering och makromolekylär struktur hos medicinskt signifikanta bakteriella patogener. Ur perspektivet av proteinteknologi och nanorörsbildning, föreslås att dessa upptäckter om hur MakA orsakar bildning av lipid/proteinspiralstrukturer kan bli relevanta för protein/membranteknik och syntetisk biologi.

Forskningen genomfördes vid Umeå universitet tack vare samarbetet mellan flera ytterligare UCMR-anslutna forskargrupper som bidragit med sina olika kompetenser.

Projektet har haft stor nytta av stöd från lokala och nationella forskningsinfrastrukturer: Protein Expertise Platform (PEP), Biochemical Imaging Centre Umeå (BICU), Umeå Core Facility for Electronic Microscopy (UCEM) och National Microscopy Infrastructure (NMI).

Forskningen stöddes av anslag från Vetenskapsrådet, Cancerfonden, Kempestiftelserna, Medicinska fakulteten vid Umeå universitet, Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, Europeiska forskningsrådet, SciLifeLab National Fellows-programmet och Laboratoriet för Molekylär Infektionsmedicin Sverige (MIMS).

Liposomer av lipidextrakt från epitelceller vid pH 6,5 före behandling med MakA

BildUmeå Universitet

Liposomer av lipidextrakt från epitelceller vid pH 6,5 efter behandling med MakA. De svarta markörerna representerar 500nm

BildUmeå universitet

Cryo-EM-mikrografi av MakA-filament som kommer från eller slutar i en membranös vesikel

BildUmeå Universitet