PMC (Deutsch)
EMBO J 28, 821-829 (2009); online veröffentlicht am 8. April 2009
Viren sind winzige infektiöse Partikel, die aus einem protein-Mantel und eine Nukleinsäure-Kern. Sie existieren in einer Vielzahl von Formen und infizieren praktisch alle Lebewesen: Tiere, Pflanzen, Insekten und Bakterien. Ein Einblick in den Infektionsprozess könnte neue Therapiestrategien für virale und bakterielle Erkrankungen sowie die Lebensmittelkonservierung erleichtern. Ein Artikel von Aksyuk et al (2009), der in dieser Ausgabe veröffentlicht wurde, beleuchtet den immer noch mysteriösen Infektionsprozess., Es berichtet über die erste Kristallstruktur eines signifikanten Teils des Bakteriophagen-T4-Schwanzscheidenproteins. Zusammen mit Fittings in bestehende Kryo-EM-Rekonstruktionen schlägt es einen Mechanismus der Genomabgabe in die Wirtszelle für die Myoviridae-Phagen vor.
Viren können als mobile genetische Partikel betrachtet werden, die Anweisungen zur Reproduktion mit fremden zellulären Ressourcen enthalten. Die Menge an Viren, die in der Biosphäre existieren, ist enorm und variiert in ihren Virionformen, Genomen und Lebensstilen., Die Klassifizierung von Viren wird durch Wirtspräferenz, Virusmorphologie, Genomtyp und Hilfsstrukturen wie Schwänze oder Hüllen definiert. Viruspartikel außerhalb einer Wirtszelle (sogenannte Virionen) sind inerte Einheiten mit einem Genom, das von einer Schutzschicht umgeben ist.
Viren, die Bakterien angreifen, wurden „Bakteriophagen“ genannt. Der Begriff Phage stammt aus dem Griechischen Phagein, was übersetzt „essen“ bedeutet., Der Phageninfektionszyklus scheint einfach, aber äußerst effizient zu sein: Ein einzelner Phage injiziert sein Genom in eine Bakterienzelle und schaltet das Programm“ Zellen “ zu seinen Gunsten, so dass die Wirtszelle schließlich stirbt und etwa 100 neue Phagenpartikel freisetzt. Studien von Bakteriophagen wurden zu einem wesentlichen Bestandteil der Biologie, da ihre Allgegenwart eng mit Bakterien verbunden war. Analysen von Bakteriophagen – Genomsequenzen bieten die Möglichkeit, grundlegende Prinzipien der Genomorganisation, der Co-Evolution zu identifizieren sowie ihr Genom zu modellieren und zu modifizieren., Neuartige Studien zum Phagen – Lebenszyklus werden nicht nur seine Wechselwirkung mit biologischen Barrieren während der Virusübertragung und der Anpassung auf hoher Ebene aufdecken, sondern auch dazu beitragen, schwerwiegende klinische Probleme zu überwinden, die durch das Auftreten multiresistenter Bakterien, der sogenannten“Superbugs“, verursacht werden. Diese Vermutung beruht auf der Tatsache, dass Phagen, die bestimmte Bakterien infizieren, diese trotz ihrer Antibiotikaresistenz erkennen und infizieren können. In der Tat hat sich die exponentielle Wirkung des Phagen-Wachstums in Zellen als sehr wichtig bei der Bekämpfung bakterieller Erkrankungen erwiesen.,
Die Caudovirale Ordnung der Bakteriophagen ist durch doppelsträngige DNA (dsDNA)-Genome gekennzeichnet, die zwischen 18 und 500 kb lang sein können. Die zu Caudovirales gehörenden Phagen machen 95% aller in der wissenschaftlichen Literatur berichteten Phagen aus und repräsentieren höchstwahrscheinlich die Mehrheit der Phagen auf dem Planeten (Ackermann, 2006). Obwohl die Genomsequenzen sehr unterschiedlich sind, haben die Viruspartikel dieser Gruppe eine ganz ähnliche Organisation: Jedes Virion hat einen polyedrischen, überwiegend ikosaedrischen Kopf (Kapsid), der ein Genom enthält., Der Kopf ist durch einen Verbinder an einen Schwanz gebunden, und das entfernte Ende des Schwanzes ist mit einem speziellen System zum Durchstechen einer Bakterienmembran ausgestattet. Der Bakteriophagen-Schwanz und seine verwandten Strukturen sind wesentliche Werkzeuge des Phagen während des infektiösen Prozesses, der den Eintritt der viralen Nukleinsäure in die Wirtszelle sichert.
Rossmanns Gruppe beschäftigt sich seit vielen Jahren mit der Analyse verschiedener Viren und ein wesentlicher Teil ihrer Forschung widmet sich dem bakteriellen Virus T4, das zur Familie der Myoviridae gehört (Ackermann, 2006)., Myoviridae sind eine Familie von Bakteriophagen mit kontraktilen Schwänzen, die ∼25% aller bekannten Phagenpopulationen ausmachen. Die Schwanzkontraktion ist eine wesentliche Phase der zellulären Infektion durch diese Phagen, die dazu führt, dass das zentrale Schwanzrohr ähnlich einer Spritze durch die äußere Zellmembran gedrückt wird, wodurch ein Kanal für den DNA-Auswurf aus dem Kapsid in die Wirtszelle entsteht (Abbildung 1; Leiman et al., 2003).
Bakteriophagen T4. Der linke Bereich zeigt den Phage im erweiterten Zustand, während der rechte Bereich den Phage im kontrahierten Zustand anzeigt., Die mittlere Platte zeigt vergrößerte Fragmente des Schwanzes sowohl im verlängerten als auch im kontrahierten Zustand; Der obere Teil der mittleren Platte zeigt die Anpassung der Röntgenstruktur in die Karte. Rot schattierte Untereinheiten zeigen ihre Umlagerung im selben spiralförmigen Strang (angepasst an die freundlicherweise von Petr Leiman und Michael Rossmann zur Verfügung gestellten Figuren).
dsDNA Tailed phages zeichnen sich durch Ihre Sinnlosigkeit für die Kristallisation Studien, obwohl die Kristallstrukturen der einzelnen protein-Komponenten ermittelt wurden, für T4 Bakteriophagen, die von der Rossmann-lab., Strukturstudien anderer Phagen aus der Familie der Myoviridae wurden durch Variation und Diversität der Aminosäuresequenzen unter den Tailed Bakteriophagen behindert, wodurch die Vorhersage der strukturellen Organisation von Phagen-Elementen unzuverlässig wurde. Cryo-EM wurde das einzige verfügbare Werkzeug, das strukturelle Einblicke bei Subnanometerauflösung ermöglichte (6-10 Å; Jiang et al., 2006; Lander et al., 2008). Die Kombination von EM und Kristallographie ermöglichte auch die Identifizierung der Bakteriophagen-Baseplattenproteine T4, langer und kurzer Fasern sowie des Kapsidproteins (Leiman et al., 2004; Kostyuchenko et al., 2005).,
Die neue Arbeit von Aksyuk und Co-Autoren, die in dieser Ausgabe des EMBO Journal veröffentlicht wurde, bringt unser Verständnis dieses komplexen biologischen Systems weiter voran. Mit einem ähnlichen hybriden Ansatz lösen Aksyuk et al (2009) hier die Kristallstruktur eines kleinen proteaseresistenten Fragments (gp18PR) des Hüllenproteins gp18. Mit molekularem Ersatz bestimmen sie weiter die Struktur des größeren gp18M-Proteins, das drei der vier Domänen des Proteins umfasst., Die Anpassung des gp18M-Atommodells in vorhandene EM-Karten ermöglichte die Lokalisierung der einzelnen Proteinuntereinheiten innerhalb der Schwanzhülle und identifizierte auch Konformationsänderungen während der Schwanzkontraktion (zentrale Platte in Abbildung 1). Diese Ergebnisse legen die Wechselwirkungen von Untereinheiten innerhalb des Schwanzes nahe und bieten eine mechanistische Sicht auf die Phagenschwanzkontraktion während des Infektionsprozesses.,
Diese erste Bestimmung der Proteinstruktur der Schwanzscheide zusammen mit dem vergleichenden Modellierungsansatz beleuchtet den Prozess der T4-Bakteriophagen-Infektion und könnte in ähnlicher Weise auf verwandte Strukturstudien angewendet werden.