Помимо спор, сахарная антроза экзоспория влияет на вегетативную регуляцию генов Bacillus anthracis в цис- и транс-системах.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5060 (2023) Цитировать эту статью

700 доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Ворс экзоспория Bacillus anthracis представляет собой самую внешнюю часть споры, которая взаимодействует с окружающей средой и системами-хозяевами. Изменения этого слоя могут повлиять на широкий спектр физиологических и иммунологических процессов. Уникальный сахар, антроза, обычно покрывает ворс экзоспория в самых дистальных его точках. Ранее мы определили дополнительные механизмы, делающие B. anthracis антрозо-негативным. В этой работе идентифицировано несколько новых штаммов муравьев - B. anthracis и исследовано влияние антроз-негативности на физиологию спор. Мы продемонстрировали, что живые аттенуированные вакцины Стерна, а также вакцины против сибирской язвы, полученные из культуральных фильтратов, генерируют антитела, нацеленные на небелковые компоненты спор. Роль антрозы как вегетативной сигнальной молекулы Стерна B. anthracis подтверждается с помощью люминесцентных анализов экспрессирующих штаммов, экспериментов по секвенированию РНК и анализа секреции токсина с помощью вестерн-блоттинга. Чистая антроза и индуцирующий споруляцию аналог нуклеозида декойинин оказывали сходное влияние на экспрессию токсина. Эксперименты по совместному культивированию продемонстрировали, что изменения экспрессии генов у B. anthracis зависят от внутриклеточного антрозного статуса (цис) в дополнение к антрозному статусу внеклеточных взаимодействий (транс). Эти результаты обеспечивают механизм того, как уникальный спороспецифичный остаток сахара влияет на физиологию, экспрессию и генетику вегетативного B. anthracis, оказывая влияние на экологию, патогенез и вакцинологию сибирской язвы.

Бактерия Bacillus anthracis вызывает сибирскую язву и может выжить в суровых условиях окружающей среды, образуя споры1. Эндоспору окружает рыхлый белковый слой, богатый углеводами, называемый экзоспорием2. Во время споруляции экзоспорий собирается вокруг предспоры, формируясь в материнской клетке за счет скоординированного усилия белков CotE, CotO и CotY3. Наружная часть экзоспория состоит из гликопротеинов, образующих слой, похожий на липучку, известный как ворс экзоспория. Ворс содержит выступающие стебли гликозилированных белков BclA и BclB, прикрепленных к белкам базального слоя ExsFA/BxpB и ExsFB4,5. Гликопротеиновый ворс экзоспория придает заряженную поверхность споре и представляет собой дистальную поверхность, опосредующую взаимодействие между покоящимися спорами и внешней средой, включая частицы почвы, клетки-хозяева животных и другие споры. При прорастании ворс экзоспория сбрасывается, и B. anthracis начинает прорастать, затем размножается в вегетативной форме, секретируя токсин сибирской язвы6.

Восемь белков были идентифицированы как важные компоненты экзоспория, приготовленного из экзоспории, промытой для удаления любых белков вегетативных клеток7. Белок BclA является основным белковым компонентом экзоспория и образует стеблеобразные ворсистые волокна, выступающие из поверхности экзоспория. Коллагеноподобные повторяющиеся области BclA различаются по длине между штаммами B. anthracis в зависимости от размера гена bclA. Эти полиморфизмы способствуют наблюдаемым изменениям толщины ворса на поверхности спор8. BclA присутствует в тримерных образованиях, где коллагеноподобные области плотно гликозилированы пентасахаридными повторами GalNAc-Rha-Rha-Rha-Ant9. Муравей — это моносахарид антроза, редкий сахар, встречающийся в немногих местах в природе. Оперон биосинтеза антрозы хорошо охарактеризован и состоит из четырех генов antA, antB, antC и antD10,11. Все гены участвуют в биосинтезе антрозы, при этом нокаут antA снижает измеримые уровни антрозы в спорах вдвое, а нокаут antB, antC или antD устраняет обнаруживаемые уровни антрозы в спорах11. Антроза не синтезируется другими Bacillus spp. и поэтому он однозначно присутствует на поверхности спор B. anthracis. Альтернативные остатки сахара обнаруживаются в спорах других видов Bacillus, например, цереоза, присутствующая в спорах Bacillus cereus12,13. Несмотря на то, что BclA находится на поверхности экзоспория, его вклад в патогенез неясен. BclA не требовался для полной вирулентности в экспериментах по заражению мышей высокими дозами Sterne4 или Ames14, в то время как в другом исследовании мутант ΔbclA Sterne 34F2 имел снижение LD50 на 50–70% по сравнению с Sterne 34F215 дикого типа. Дизайн исследования с высокими дозами может маскировать эффекты вирулентности нокаута bclA с молниеносным токсином и образованием капсул, которые могут быть выявлены в более чувствительных исследованиях LD50. Важно отметить, что нокаут BclA эффективно удаляет антрозу с поверхности спор, сохраняя при этом ее биосинтез в вегетативных клетках. Было показано, что нокаут BclA увеличивает связь с эпителиальными клетками, фибробластами и эндотелиальными клетками, но не с макрофагами16. Это было подтверждено другими исследованиями, которые показали, что споры, нокаутированные по BclA, не способны связываться с рецептором макрофагов CD14, в то время как удаление антрозы из BclA в спорах, нокаутированных по antC/degT, увеличивает связывание с рецептором CD14 за счет выявления остатков рамнозы17. Это согласуется с данными о том, что мыши, зараженные мутантными спорами bclA, сохраняют больше спор в бронхоальвеолярной жидкости легких после аэрозольного заражения14. Точная функция антрозы и ее вклад в патогенез оставались неясными, однако имеются данные, подтверждающие взаимодействие с почвенной средой и клетками иммунной системы. Ранее мы обнаружили, что удаление антрозы с поверхности спор снижает эффективность прорастания и увеличивает скорость споруляции на гетерологичной модели B. anthracis Sterne18. Помимо физиологических изменений, антрозонегативные споры имели половину LD50 в модели подкожного заражения мышей, что приводило к более быстрому наступлению смерти и более быстрому распространению в органах хозяина. Увеличение смертности также наблюдалось на второй модели животных при заражении личинок Galleria mellonella спорами18.