Эндоцитоз

Nature Communications, том 13, номер статьи: 5524 (2022) Цитировать эту статью

8144 Доступа

3 цитаты

107 Альтметрика

Подробности о метриках

Широко распространено мнение, что горизонтальный перенос генов у бактерий происходит посредством конъюгации, трансдукции и трансформации. Эти механизмы облегчают прохождение ДНК через защитную клеточную стенку с помощью сложного оборудования. Здесь мы сообщаем, что бактерии с дефицитом клеточной стенки могут поглощать ДНК и другой внеклеточный материал посредством процесса, подобного эндоцитозу. В частности, мы показываем, что L-формы нитчатого актиномицета Kitasatospora viridifaciens могут поглощать плазмидную ДНК, полисахариды (декстран) и липидные наночастицы размером 150 нм. Процесс включает инвагинацию цитоплазматической мембраны, что приводит к образованию внутриклеточных везикул, инкапсулирующих внеклеточный материал. На поглощение ДНК не влияет делеция генов, гомологичных comEC и comEA, которые необходимы для естественной трансформации у других видов. Однако поглощение ингибируется азидом натрия или инкубацией при 4 ° C, что позволяет предположить, что этот процесс зависит от энергии. Инкапсулированные материалы высвобождаются в цитоплазму при деградации мембраны везикул. Учитывая, что бактерии с дефицитом клеточной стенки считаются моделью ранних форм жизни, наша работа раскрывает возможный механизм приобретения первичными клетками пищи или генетического материала до изобретения бактериальной клеточной стенки.

Бактерии постоянно подвергаются изменяющимся условиям окружающей среды и полагаются на защиту своей клеточной оболочки. Клеточная оболочка состоит из клеточной мембраны и клеточной стенки, отделяющей внутреннюю среду от внешней. Клеточная мембрана представляет собой бислой фосфолипидов, который окружает цитоплазму и действует как селективный барьер. Клеточная стенка состоит из толстого слоя пептидогликана (ПГ) для грамположительных бактерий и более тонкого слоя ПГ, окруженного внешней мембраной для грамотрицательных бактерий. Слой пептидогликана представляет собой важную сетчатую структуру, которая не только обеспечивает защиту от механического стресса и тургорного давления, но также определяет форму и жесткость клеток.

Чтобы облегчить избирательное прохождение макромолекул через клеточную оболочку, бактерии развили специализированные и сложные транспортные системы1. Например, естественным образом трансформируемые бактерии для поглощения ДНК полагаются на белковые комплексы с компонентами, аналогичными пилям типа IV или системам секреции типа II. Активному транспорту ДНК через клеточную стенку способствует ретракция ворсинчатых структур, связывающих ДНК2,3. Затем ДНК-связывающие и порообразующие белки используются для перемещения ДНК через клеточную мембрану.

Хотя клеточная стенка является жизненно важной структурой для большинства бактерий, у некоторых бактерий клеточная стенка от природы отсутствует или они могут терять ее при определенных условиях. Примеры включают представителей Mollicutes, которые являются паразитами и живут в специфических осмотически защитных средах, таких как слизистые оболочки человека или ситовидные трубки флоэмы растений4. Длительное воздействие стрессоров окружающей среды, таких как агенты, воздействующие на клеточную стенку, приводит к образованию так называемых L-форм, то есть клеток, которые могут размножаться без клеточных стенок. Воспроизведение L-форм не зависит от канонического механизма деления, основанного на FtsZ5, и обусловлено дисбалансом в соотношении площади поверхности к объему клеток, вызванным усилением регуляции мембранного синтеза, приводящим к спонтанному образованию пузырьков, табулированию и везикуляции6,7. Эти примитивные клеточные характеристики делают L-формы привлекательной модельной системой для изучения эволюции ранней жизни8,9.

Некоторые нитчатые актиномицеты, такие как мицелиеобразующие Kitasatospora viridifaciens, обладают способностью временно сбрасывать клеточную стенку в условиях гиперосмотического стресса (рис. 1а)7. В отличие от L-форм, S-клетки не способны пролиферировать без клеточной стенки, хотя эти клетки способны вернуться к мицелиальному типу роста после восстановления клеточной стенки. Клетки с временным дефицитом клеточной стенки также можно создать искусственно из бактерий с оболочкой путем ферментативного удаления клеточной стенки, например, под действием лизоцима, который расщепляет пептидогликан. Это приводит к образованию протопластов или сферопластов, которые широко используются в целях генной инженерии, часто с использованием полиэтиленгликоля (ПЭГ), чтобы обеспечить проникновение ДНК в клетку10. Хотя эта трансформация на основе ПЭГ является широко используемым методом трансформации нитчатых актиномицетов, никогда не было однозначно показано, способны ли клетки K. viridifaciens со стенками или клетки с дефицитом естественной клеточной стенки к естественной генетической трансформации без использования ПЭГ. Неизвестно, как отсутствие клеточной стенки влияет на естественное поглощение макромолекул, таких как ДНК, из окружающей среды.