구조

Nature Communications 13권, 기사 번호: 7724(2022) 이 기사 인용

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박테리아 형질전환의 필수 단계는 그람 양성 박테리아의 두꺼운 펩티도글리칸 세포벽 또는 그람 음성 박테리아의 외막과 얇은 펩티도글리칸 층을 가로질러 주변세포질로 DNA를 흡수하는 것입니다. 형질전환 박테리아에 널리 보존되어 있는 DNA 결합 단백질인 ComEA가 이 흡수 단계에 필요합니다. 여기서 우리는 두 그람 양성 종인 Bacillus subtilis와 Geobacillus stearothermophilus에서 ComEA의 X선 결정 구조를 결정하여 그람 음성 박테리아에는 없는 도메인을 식별합니다. X선 결정학, 유전학 및 분석 초원심분리(AUC) 분석을 통해 이 도메인이 ComEA 올리고머화를 유도한다는 사실이 밝혀졌으며, 이는 우리가 변환에 필요하다는 것을 보여줍니다. 우리는 DNA와 ComEA DNA 결합 도메인 사이의 상호 작용을 특성화하기 위해 다중 파장 AUC(MW-AUC)를 사용합니다. 마지막으로, 우리는 ComEA DNA 결합 도메인과 DNA의 상호 작용에 대한 모델을 제시하여 ComEA 올리고머화가 그람 양성 박테리아의 두꺼운 세포벽을 가로질러 DNA 흡수를 유도하는 당기는 힘을 제공할 수 있음을 제시합니다.

형질전환에 대한 자연적인 능력은 그람 양성균과 그람 음성균뿐만 아니라 일부 고세균에서 널리 퍼져 있는 수평적 유전자 전달 메커니즘입니다(리뷰는 1,2 참조). 변환 과정은 흡수와 수송이라는 두 가지 주요 단계로 구성됩니다(그림 1A). 흡수는 그람 양성 박테리아의 두꺼운 펩티도글리칸 세포벽 또는 그람 음성 박테리아의 외막과 얇은 펩티도글리칸 층을 가로질러 주변세포질로 환경 변형 DNA(tDNA)가 이동하는 것입니다. 수송은 단일 가닥 tDNA가 주변세포질에서 세포질로 전이되어 염색체와 재결합하여 형질전환체를 생성하는 것입니다. 여기에 제시된 구조-기능 연구는 첫 번째 단계인 DNA 흡수에 중점을 둡니다.

A tpilus는 ComGC로 구성되며, 이 어셈블리에는 ATPase ComGA가 필요합니다. tpilus는 막 단백질 ComGB에 고정되어 있는 것으로 여겨집니다. 티필루스는 DNA에 약하게 결합하고 수축하여 주변세포질로 끌어당깁니다. 여기에서 DNA는 세포와의 결합을 안정화하고 DNA의 지속적인 흡수를 촉진하는 ComEA를 만나게 됩니다. ComEC는 DNA의 한 가닥을 분해하고 DNA를 세포질로 수송하기 위한 채널을 제공하는 것으로 제안되었습니다. 대표적인 그람 양성 박테리아인 B. subtilis의 ComEA의 B 도메인 구조. 대표적인 그람 음성 박테리아인 V. cholerae의 ComEA의 C 도메인 아키텍처. 잔기 1-24는 주변 세포질에서 자유롭게 확산되는 성숙한 ComEAVc를 생성하기 위해 절단되는 예측 분비 신호를 구성한다는 사실을 강조하기 위해 표시되지 않습니다. TM, 막횡단 영역 예측. 마젠타색 선은 본 연구에서 다루는 기능이 알려지지 않은 영역을 나타냅니다. HhH, 나선-머리핀-나선 모티프. 잔여물 번호 지정은 ComEAB 또는 ComEAVc에 해당합니다. 그림의 요소는 BioRender.com으로 생성되었습니다.

tDNA가 형질전환 선모(tpilus)와 상호작용할 때 세포 표면에서 흡수가 시작됩니다. tpilus와의 접촉 후, tDNA가 주변세포질로 이동하는 것은 널리 보존된 주변세포질 단백질 ComEA(그림 1A)와의 상호작용에 의해 주도됩니다. ComEA는 Bacillus subtilis의 형질전환 결핍에 대한 유전적 검사에서 발견되었습니다. 이는 이후 tDNA의 세포에 대한 안정적인 결합과 tDNA 흡수에 필요한 비특이적 DNA 결합 단백질인 것으로 나타났습니다3,4. B. subtilis 및 기타 그람 양성 박테리아에서 ComEA는 N 말단 막횡단 영역4에 의해 막에 결합됩니다. 이 막 앵커와 C-말단 DNA 결합 도메인은 ~110개의 아미노산으로 구성된 알려지지 않은 기능 영역으로 분리됩니다(그림 1B). 대조적으로 그람 음성균의 ComEA는 주변세포질에서 자유롭게 확산되는 단일(독립형) DNA 결합 도메인만 포함합니다5,6,7(그림 1C).