Bakterier i “päls” avslöjar proteinhemligheter

Chaperoner används också för att styra fiberbildning, dvs. när flera proteiner ska bindas ihop till en lång fibertråd. I det fallet är det önskade resultatet att proteinerna sätts ihop, till skillnad mot oönskad aggregering som leder till sjukdomar.

Hos många smittsamma bakterier finns specifika chaperoner som kontrollerar produktion av hårliknande fibrer. Dessa använder bakterierna för att haka sig fast vid vävnad och därmed orsaka infektioner. Varianter av den vanliga tarmbakterien E. coli kan med hjälp av sådana fibrer fästa vid cellerna i urinvägarna och orsaka urinvägs-infektioner. Liknande strategier används flitigt av bakterier som orsakar öron-, näsa-, halsinfektioner, hjärnhinneinflammationer, eller diarréer hos både djur och människa.

En grupp forskare, professor Stefan Knight, forskare Anton Zavialov och doktorand Jenny Berglund, vid institutionen för molekylär biovetenskap vid SLU Ultuna, i Uppsala, har nyligen gjort en banbrytande upptäckt som avslöjar hur smittsamma bakterier använder chaperoner för att styra proteinveckning och fiberproduktion. Resultaten har tagits fram i samarbete med kollegor vid universitetet i Reading, England.

Forskarna studerade det s.k. F1-antigenet som bildar en kapsel av tunna fibrer på ytan av pestbakterien Yersinia pestis. Denna mycket farliga bakterie anses ligga bakom de omfattande pestepidemier som från medeltiden (Digerdöden) och ett halvt millennium framåt orsakade stort mänskligt lidande och krävde miljontals människoliv. Sjukdomen är idag ovanlig och kan behandlas effektivt med antibiotika om den upptäcks på ett tidigt stadium. Men ökande inrapportering av böldpest, uppkomsten av antibiotikaresistenta stammar, och risken för att pestbakterien skulle kunna användas av terrorister i biologisk krigföring, har gjort att intresset för pestbakterien ökat på senare år. För närvarande finns inget säkert och effektivt vaccin mot pest, men nya vacciner baserade på F1-antigenet finns på utvecklingsstadiet och kan bli tillgängliga inom några år.

Med hjälp av genetisk och röntgenkristallografisk metodik lyckades SLU-forskarna fånga in och avbilda ett avgörande steg i processen att tillverka de tunna fibrer som F1-kapseln består av. Fibrerna är uppbyggda av många hundra antikroppsliknande proteinmolekyler (“subenheter”), länkade till varandra i en tunn pärlbandsliknande tråd. Ett speciellt chaperonprotein ser till att subenheterna snabbt antar sin korrekta form genom att binda till dem och hjälpa dem att vecka sig. Om inte chaperonet finns tillgängligt veckar sig inte subenheterna som de ska utan trasslar istället ihop sig med ödesdigra konsekvenser för bakteriecellen. Tillverkningen av fibrerna sker sedan genom att chaperonet transporterar subenheterna en och en till bakteriens cellmembran där de kopplas samman till en fiber.

Genom att isolera ett komplex av en subenhet bunden till chaperonet, och även den minsta tänkbara F1-fibern bestående av två ihoplänkade fibersubenheter, lyckades forskarna karaktärisera formen på fibersubenheterna före och efter det att de byggts in i fibern. Resultaten avslöjade oanade detaljer om hur ett chaperonprotein kan kontrollera veckning och hopkoppling av proteiner.

Helt oväntat visade det sig att de chaperonbundna subenheterna inte var färdigveckade utan att den slutliga kompakta formen uppkommer först när de släpper från chaperonet och inlemmas i fibern. Chaperonet tycks fungera som ett trafikljus för veckningen. I ett första steg är ljuset grönt och chaperonet tillåter subenheten att snabbt vecka sig. När subenheten är nästan färdigveckad blir det rött ljus och chaperonet blockerar det sista steget i veckningen. Samtidigt hindras subenheterna från att koppla ihop sig med varandra och bilda en fiber inne i cellen. När chaperonet med sin last anländer till membrankanalen kan ljuset slå om till grönt igen; subenheterna lossnar från chaperonet, veckas klart och kopplas ihop till en fiber. På detta sätt styr chaperonet processen så att fibrer bara tillverkas vid rätt tidpunkt och på rätt plats.

När proteiner veckas frigörs energi. I det nu publicerade arbetet föreslår forskarna att den energi som frigörs när subenheterna släpper från chaperonet och veckas klart används för att driva tillverkningen av fibrer. Detta skulle förklara hur denna process kan ske utan tillförsel av kemisk energi.

De nya resultaten kan komma till användning för utveckling av nya vaccin och nya strategier för att bekämpa bakterieinfektioner. De nyvunna insikterna om hur chaperoner styr proteinveckning och aggregering kan på sikt även bidra till ökad förståelse av bakgrunden till sjukdomar orsakade av fel i proteinveckningsprocessen.

Kontaktinformation
För ytterligare information
kontakta professor Stefan Knight via e-post stefan.knight@molbio.slu.se
eller telefon 018-471 45 54.

Se även tidskriften Cells hemsida: www.cell.com