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Dec 29, 2023

Nature Communications 13권, 기사 번호: 7241(2022) 이 기사 인용

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Klebsiella 점보 근세포 фKp24는 숙주 세포와 상호 작용하는 꼬리 섬유의 비정상적으로 복잡한 배열을 표시합니다. 이 연구에서는 저온 전자 현미경 방법, 단백질 구조 예측 방법, 분자 시뮬레이션, 미생물학 및 기계 학습 접근법을 결합하여 фKp24의 캡시드, 꼬리 및 꼬리 섬유를 탐색합니다. 우리는 4.1 Å 및 3.0 Å 해상도에서 캡시드와 꼬리의 구조를 결정합니다. 우리는 세포 표면 부착 시 꼬리 섬유가 분기되고 극적으로 재배열되는 것을 관찰합니다. 이 복잡한 구성에는 фKp24에 넓은 범위의 협막 다당류(CPS) 유형의 Klebsiella pneumoniae를 감염시킬 수 있는 기능을 제공하는 탈중합효소 활성이 있는 14개의 추정 꼬리 섬유가 포함됩니다. 우리의 연구는 фKp24가 캡슐화된 박테리아 병원체의 다양한 표면에 어떻게 적응하는지에 대한 구조적, 기능적 통찰력을 제공하며, 이는 범약물 내성 K. pneumoniae 균주에 대한 파지 치료법 개발에 유용합니다.

질병을 일으키는 박테리아는 인간의 건강에 점점 더 큰 위협을 가하고 있습니다. 많은 세균 감염은 항생제로 효과적으로 치료할 수 있지만, 항생제 내성(AMR)으로 인해 치료 효과가 점점 더 낮아지고 있습니다. 최근 연구에서는 2019년 6가지 주요 병원체에서 AMR과 관련된 357만 명이 사망했다고 보고했습니다1. 이들 중에는 세계보건기구(WHO)가 새로운 항생제 개발을 위한 우선순위 1(중요)으로 인정한 병원체인 Klebsiella pneumoniae가 있습니다2. K. pneumoniae는 인간, 특히 면역력이 저하된 개인에게 폐렴, 요로 감염, 균혈증 및 기타 전염병을 일으킬 수 있습니다3. K. pneumoniae 임상 분리균의 대다수는 일반적으로 숙주의 면역 체계로부터 보호를 중재하는 중요한 병독성 인자로 간주되는 뚜렷한 캡슐을 발현합니다4. 유전적으로 구별되는 100개 이상의 피막 유전자좌 유형이 있으며, 그 중 77개의 잘 특성화된 화학 구조가 혈청형 분석(K 유형)5에 사용됩니다.

다약제 내성 K. pneumoniae가 표준 치료 항생제에 둔감하더라도 여전히 박테리오파지 감염에 취약합니다. 박테리오파지, 줄여서 파지는 박테리아를 감염시키는 바이러스입니다. Klebsiella 특정 파지는 자연 숙주를 성공적으로 감염시키고 죽일 수 있습니다. 그러나 이러한 파지의 대부분은 일차 파지 수용체 역할을 하는 이 종의 가변 피막 다당류(CPS)로 인해 일반적으로 균주 특이성이 높습니다. 파지 ΦK64-1 또는 vB_KleM-RaK26,7을 포함한 캡슐 의존성 Klebsiella 파지는 성공적인 파지 흡착을 가능하게 하는 CPS 분해 효소 도메인(코인 캡슐 탈중합효소)을 포함하는 수용체 결합 단백질(RBP) 역할을 하는 꼬리 섬유 또는 꼬리 스파이크를 갖추고 있습니다. 그리고 감염8. 단순화를 위해 앞으로는 "꼬리 섬유"라는 용어를 사용합니다.

>200kbp의 DNA 게놈을 가진 꼬리 박테리오파지는 점보 파지9로 정의됩니다. 점보 파지의 가장 주목할만한 구조적 특징은 게놈을 캡슐화하는 대형 캡시드입니다. 최근에 기술된 vB_KpM_FBKp24(ψKp24) 점보 근세포는 다양한 디폴리머라제 도메인을 포함하는 최소 9개의 꼬리 섬유를 암호화하며 이는 확장된 숙주 범위를 나타냅니다. 게놈 분석에 따르면 фKp24는 알려진 다른 파지11와 매우 제한적인 유사성을 갖고 있으므로 Vanleeuwenhoekviridae(ICTV 분류 진행 중)라는 새로운 계열을 구성합니다. 또한, 투과전자현미경을 통해 바닥판에 있는 꼬리 섬유의 독특하고 복잡한 구조가 밝혀졌습니다. 그러나 이 독특한 꼬리 섬유 세트의 구조와 기능에 대한 더 자세한 통찰력은 현재 부족합니다.

фKp24의 특이한 구조에 대한 통찰력을 얻기 위해 우리는 다양한 구조적 방법을 사용하여 캡시드, 꼬리 및 꼬리 섬유를 분석했습니다. 우리는 AlphaFold212 단백질 구조 예측 및 분자 역학(MD) 시뮬레이션과 결합된 저온 전자 현미경(cryo-EM) 단일 입자 분석(SPA)을 사용하여 고도로 정렬된 파지 캡시드 및 꼬리에 대한 원자 모델을 생성했습니다. 데이터는 ψKp24 캡시드의 특이한 특징, 특히 단일 MCP에 의한 전체 캡시드의 구성 및 육각형 중앙에 기공의 존재를 나타냅니다. 우리는 저온전자단층촬영(cryo-ET)을 사용하여 유연하고 무질서한 꼬리 섬유의 구조에 대한 통찰력을 얻었습니다. 이 분석은 단층 촬영 데이터의 정량적 분석을 위해 복잡한 꼬리 섬유를 자동으로 추적하도록 신경망을 훈련시키는 기계 학습 접근 방식의 도움을 받았습니다. 우리의 분석에 따르면 감염 과정에서 꼬리 섬유가 뚜렷하게 재배열되는 것으로 나타났습니다. 또한 우리는 K. pneumoniae 균주의 K-혈청형 컬렉션을 사용하여 ψKp24의 감염성을 테스트했는데, 이는 꼬리 섬유에 의해 표적화되는 비정상적으로 광범위한 CPS 유형 패널을 보여줍니다.