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バクテリオファージの構造と機能

バクテリオファージの解剖学と感染メカニズムの概要。

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目次

バクテリオファージ、通称ファージは、特にバクテリアをターゲットにするウイルスだよ。めっちゃ豊富で、地球上で最も一般的な生物の一種なんだ。ほとんどのファージは、二本鎖DNAを含むカプシドっていう保護シェルを持ってて、デザインが異なる尾を持ってる。尾は長くて収縮できるもの、長くて柔軟なもの、または短いものなど、ファージの種類によって変わるんだ。

バクテリオファージの構造

尾は重要な役割を果たしてて、ファージがバクテリアの宿主に付着して、ウイルスDNAを宿主の細胞に届けるのを助けるんだ。たとえば、尾の端には宿主を認識する部位があって、ファージがバクテリアの細胞壁に付着して侵入できるようになってる。

長い尾を持つファージでは、カプシドと尾の形成が独立して行われるんだ。カプシドがDNAで満たされたら、機能的な尾とつながって、バクテリアの細胞から飛び出す直前に完全なウイルスができるんだよ。

尾のタイプは、その構造によって特徴付けられる。たとえば、ミオファージはいろんな構造でキャップされた尾を持ってることがあるし、シフォファージは特定のタンパク質を使って尾を完成させることが多いよ。

尾タンパク質の役割

ファージの構造に関与する多くのタンパク質の中で、尾タンパク質は不可欠なんだ。尾を作るのを助けたり、尾の形成を調整する役割があるよ。特に重要なタンパク質で、テールコンプリーションプロテイン(TCP)って呼ばれるやつがあって、これは尾とカプシドの接続部分に見られることが多いんだ。TCPは尾が正しく発育して、ちゃんと機能するようにするのが重要なんだ。

研究では、尾のタンパク質はファージのDNAにあるそれらの遺伝子とよく合致してることが示されてる。つまり、タンパク質の形や配置は、ファージがどう作られているかの手がかりをくれるんだ。

例: ファージT5

E. coliバクテリアを感染させるファージT5は、シフォファージに分類されるよ。その遺伝物質の中には、いろんな尾タンパク質に対応する遺伝子があって、TRP(テールタンパク質)用の遺伝子やTCP用の遺伝子が含まれてる。

最近の実験では、TrPタンパク質が尾の近位端にリング状の構造を形成していて、TTP(テールチューブタンパク質)によって形成された別のリングの上に座ってることが確認されたよ。この強い相互作用は、尾の安定性と機能にとって重要なんだ。

クライオEM研究からの洞察

ファージT5の構造を詳細に理解するために、研究者たちはクライオ電子顕微鏡(cryo-EM)という技術を使ったんだ。この方法で、生物の構造を非常に高解像度で視覚化できるんだ。

研究者がT5の尾を見たとき、TrPが六角形の形を形成して、TTPと密接に相互作用していることがわかったよ。でも、この部分にはTCPの明確な密度がなかったから、TCPがこの構造にどこにいるのか特定するのは難しかったみたい。

テールコンプリーションプロテイン

いくつかの研究では直接視覚化されてないけど、TCPは質量分析など他の方法で検出されてて、ファージ全体に存在することが示されてるんだ。尾構造の中での正確な位置はまだ不明だけど、研究者たちはそれが重要な役割を果たすと考えてるよ。

TCPは、ファージの尾と頭の接続を安定させる役割があると考えられてて、感染の際にファージが宿主の細胞にDNAを効果的に届けるのを確実にするんだ。

バクテリアレセプターとの相互作用

ファージは感染を始めるために、バクテリアの特定のレセプターに結びつく必要があるんだ。T5の場合、E. coliのFhuAっていうレセプターに結びつくんだ。この相互作用が尾の形に変化をもたらして、ファージがバクテリアにDNAを注入できるようになるんだよ。

T5がFhuAと相互作用すると、尾の先端の構造に大きな変化が起こるんだ。これは、ファージがバクテリアの壁を貫通してDNAを注入しようとする際にかかる機械的ストレスが原因みたい。

テープメジャータンパク質

T5のもう一つの重要な部分が、テープメジャータンパク質(TMP)だよ。このタンパク質は尾のチューブを満たす役割があると言われてて、尾の長さを決定するのに重要な役割を果たすんだ。以前の研究では、TMPはトリマーとして存在することが示唆されてるけど、その正確な構造はまだ完全には確認されてないんだ。

科学者たちは、TMPが感染の過程で排出されたり、放出されたりすることを発見したよ。この動作は、ファージが宿主に遺伝物質を届けるのを可能にする一連のイベントの一部なんだ。

TCPのファージ間の保存

TCPは、さまざまなタイプのファージの間で保存が確認されてるタンパク質なんだ。これは、さまざまなファージに類似のバージョンのTCPが存在してて、共通の進化的起源と機能を示唆してるんだ。

TCPタンパク質は重要だけど、その具体的な役割を理解するのは難しいんだ。いくつかの研究では、TCPがファージ構造の組み立てを助ける可能性があるって示唆されてるし、他の研究では宿主との相互作用を促進する役割を果たすかもしれないって言われてるよ。

結論: ファージ構造の重要性

ファージの構造、カプシド、尾、関連タンパク質の詳細な研究は、これらのウイルスがどう働くのかについて多くを明らかにしてくれるよ。ファージ内のタンパク質の組み立てや相互作用を理解することは、抗生物質耐性バクテリア感染を標的にした医療にファージを利用する新しい可能性を開くんだ。

受容体との相互作用、尾タンパク質の役割、TCPに関する謎は、ファージがバクテリアを感染させる方法についての理解を深めるのに寄与してる。この発見は、ファージに関する知識を深めるだけでなく、遺伝子治療や生物制御などのさまざまな分野での応用の道を開くんだ。

もっと研究が進むにつれて、ファージ生物学の複雑さが明らかになっていくし、これらのウイルスが微生物環境でどのように繁栄し、生き延びるかの巧妙なメカニズムがわかるようになるんだ。ファージは、健康と病気管理に大きな影響を与える興味深い研究対象だよ。

オリジナルソース

タイトル: About bacteriophage tail terminator and tail completion proteins: structure of the proximal extremity of siphophage T5 tail

概要: Bacteriophages are viruses infecting bacteria. The vast majority of them bear a tail, allowing host recognition, cell wall perforation and DNA injection into the host cytoplasm. Using electron cryo-microscopy (cryo-EM) and single particle analysis, we determined the organisation of the tail proximal extremity of siphophage T5 that possess a long flexible tail, and solved the structure of its tail terminator protein (TrP) p142 (TrP142). It allowed to confirm the common evolutionary origin between T5 TrPp142 and other known or putative TrPs from siphophages, myophages and bacterial tail-like machines, despite very poor sequence conservation. By also determining the structure of T5 tail proximal extremity after interaction with T5 bacterial receptor FhuA, we showed that no conformational changes occur in TrPp142 and confirmed that the infection signal transduction is not carried by the tube itself. We also investigated the location of T5 tail completion protein (TCP) p143 (TCPp143) and showed, thanks to a combination of cryo-EM and structure prediction using Alphafold2, that it is not located at the capsid-to-tail interface as suggested by its position in the genome, but instead, very unexpectedly, on the side of T5 tail tip, and that it appears to be monomeric. Based on structure comparison with other putative TCPs predicted structures, this feature could not be shared by other TCPs. The stoichiometry of the Tape Measure Protein is also discussed. ImportanceBacteriophages, viruses infecting bacteria, are the most abundant living entities on Earth. They are present in all ecosystems where bacteria develop and are instrumental in the regulation, diversity, evolution and pathogeny of microbial populations. Moreover, with the increasing number of pathogenic strains resistant to antibiotics, virulent phages are considered as a serious alternative or complement to classical treatments. 96% of all phages present a tail that allows host recognition and safe channelling of the DNA to the host cytoplasm. We present the atomic model of the proximal extremity of siphophage T5 tail, confirming structural similarities with other phages. This structure, combined to results previously published further explored, also allowed a review and a discussion on the role and localisation of a mysterious tail protein, the Tail Completion Protein, which is known to be present in the phage tails, but that was never identified in a phage structure.

著者: Cecile Breyton, R. Linares

最終更新: 2024-10-16 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.10.16.618446

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.10.16.618446.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

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