Трехмерная реконструкция базальной пластинки бактериофага Т4

Трехмерная реконструкция аппарата инфицирования бактериофага Т4
М.В. Фильчиков1,2, В.А. Костюченко2, В.В. Месянжинов 2
1
2
Московский физико-технический институт (Государственный университет)
Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН
[email protected]
Бактериофаг Т4 является удобным модельным объектом для развития методов
молекулярной биологии и выяснения структурных основ инфекционности вируса.
Базальная пластинка бактериофага – это сложная молекулярная структура, cодержащая
не менее 15 различных белков, которая узнает рецепторы на поверхности клеток
хозяина (Esherichia coli) и осуществляет структурную перестройку хвоста вируса,
необходимую для инфицирования клеток [1, 2]. С помощью криоэлектронной
микроскопии, и последующим трехмерным реконструированием c использованием
вычислительного кластера под управлением операционной системы Linux (ядро 2.6.9) с
использованием системы обмена сообщениями LAM/MPI, удалось реконструировать
трехмерную структуру базальной пластинки фага с разрешением 11 Å (рис. 1).
Полученная структура имеет форму шатра, обладающего симметрией шестого порядка
относительно продольной оси хвоста вируса, в центре которого находится
молекулярная игла, которая пронизывает клеточную стенку хозяина в процессе
инфицирования (рис. 2, 3). К верхней части базальной пластинки прикреплен хвостовой
стержень, который имеет форму полой трубки, по которой осуществляется доставка
ДНК вируса в клетку (рис. 4).
Рис. 1. Трехмерная структура базальной
пластинки бактериофага Т4. Вид сбоку.
Рис. 2. Трехмерная структура базальной
пластинки бактериофага Т4. Вид снизу.
Рис. 3.
Трехмерная структура базальной
пластинки бактериофага Т4. Оттенками
показаны различные белки.
Рис. 4.
Структура базальной пластинки после
удаления электронной плотности белков с
известной структурой.
В реконструированную электронную плотность было осуществлено встраивание
белков с известной атомной структурой. Низ базальной пластинки образуют продукты
гена 11 и 12 [3, 4]; верхний уровень образован продуктами генами 9 и 8 [5, 6];
молекулярная игла, находящаяся на центральной продольной оси, образована
комплексом продуктов генов 5 и 27 [7]. (рис. 3).
a)
c)
b)
Рис. 5.
Предполагаемая форма белков с неизвестной
структурой.
a) продукт гена 7
b) продукт гена 10
c) комплекс продуктов генов 7 и 10
В состав базальной пластинки входит 15 белков, при этом атомные структуры
известны лишь для 6 из них. Однако, основываясь на биохимических данных и данных
иммуноэлектронной микроскопии, можно выделить электронную плотность в
структуре базальной пластинке, соответствующую белкам с неизвестной на
сегодняшний день структурой (рис. 4). Первая область (рис. 4), образующая ажурную
часть структуры базальной пластинки, предположительно является комплексом
продуктов генов (10)3-(7). Предполагаемый продукт гена 10 (рис. 5b) взаимодействует
с пальцевыми доменами продукта гена 11, а также с N- и C- концами коротких
фибрилл. Продукт гена 7 (рис 5а) взаимодействует с продуктом гена 10, образуя с ним
комплекс (рис 5с), участвующий в передаче сигнала к коротким хвостовым фибриллам.
Вторая область (рис. 4), электронная плотность на конце молекулярной иглы,
предположительно является продуктом гена 5а.
Литература
1. Crowther R.A., Lenk E.V., Kikuchi Y., and King J. (1977) Molecular reorganization in
the hexagon to star transition of the baseplate of bacteriophage T4. J. Mol. Biol. 116, 489523.
2. Leiman P.G., Kanamaru S., Mesyanzhinov V.V., Arisaka F., Rossmann M.G. (2003)
Structure and morphogenesis of bacteriophage T4. Cell 60, 2356-2370
3. Leiman P.G., Kostyuchenko V.A., Shneider M.M., Kurochkina L.P., Mesyanzhinov V.V.,
Rossman M.G. (2003) Structure of bacteriophage T4 gene product 11, the interface
between the baseplate and short tail fibers. J. Mol. Biol. 301, 975-985
4. van Raaij M.J., Schoehn G., Burda M.R. and Miller S. (2001) Crystal structure of a heat
and protease-stable part of the bacteriophage T4 short tail fibre. J. Mol. Biol. 314, 11371146.
5. Leiman P.G., Shneider M.M., Kostyuchenko V.A., Chipman P.R., Mesyanzhinov V.V.,
Rossman M.G. (2003) Structure and location of gene product 8 in the bacteriophage T4
baseplate. J Mol Biol..328, 821-833
6. Kostyuchenko V.A., Navruzbekov G.A., Kurochkina L.P., Strelkov S.V., Mesyanzhinov
V.V., Rossman M.G. (1999) The structure of bacteriophage T4 gene product 9: the trigger
for tail contraction. Structure Fold Des. 7, 1213-1222
7. Kanamaru S., Leiman P.G., Kostyuchenko V.A., Chipman P.R., Mesyanzhinov V.V.,
Arisaka F., Rossmann M.G. (2002) Structure of the cell-puncturing device of
bacteriophage T4. Nature 415, 553-557