バクテリオファージ長尾繊維の受容体結合モジュールの分子解剖学

Molecular anatomy of the receptor binding module of a bacteriophage long tail fiber.

• Mohammad Z Islam
• Andrei Fokine
• Marthandan Mahalingam
• Zhihong Zhang
• Carmela Garcia-Doval
• Mark J van Raaij
• Michael G Rossmann
• Venigalla B Rao

抄録

尾状バクテリオファージ（ファージ）は、地球上で最も豊富な生命体の一つである。ファージは細菌に感染するための非常に効率的な分子機械をコードしていますが、ファージと細菌の間の初期の相互作用が不可逆的なウイルスの付着と感染につながることはあまり理解されていません。この情報は、今日の世界的な健康への大きな脅威である抗生物質耐性に対抗するために、新しい宿主特異性を持つ機械を設計するために非常に必要とされています。尾状のファージT4は、この目的のための特殊な装置、ロングテールファイバー（LTF）をコードしており、これによりウイルスは細菌の表面上を移動し、感染に適した場所を見つけることができます。その結果、ファージT4の感染効率は理論値である1に到達しています。 LTFの先端の原子構造は明らかになっていますが、その機能的な構造や、構造的に大きく異なる大腸菌の受容体分子であるリポ多糖（LPS）と外膜タンパク質C（OmpC）との相互作用がどのようにしてウイルスの移動に寄与しているのかは不明でした。ここで、私たちは、遺伝子産物37の三量体であるLTFのボール状の先端部が、LPSとOmpCの結合部位が対称的に交互に3つ並んでいることを発見しました。このことから、LTFと受容体との間には可逆的かつ動的な相互作用が存在することが示唆された。我々は、LTFが、6つの対称的な底板に取り付けられた6つのLTFの相互作用の角度や位置を調整することによって、ウイルスが細菌の上を「歩く」ことを可能にする「分子ピボット」として機能しているのではないかと推測している。

Tailed bacteriophages (phages) are one of the most abundant life forms on Earth. They encode highly efficient molecular machines to infect bacteria, but the initial interactions between a phage and a bacterium that then lead to irreversible virus attachment and infection are poorly understood. This information is critically needed to engineer machines with novel host specificities in order to combat antibiotic resistance, a major threat to global health today. The tailed phage T4 encodes a specialized device for this purpose, the long tail fiber (LTF), which allows the virus to move on the bacterial surface and find a suitable site for infection. Consequently, the infection efficiency of phage T4 is one of the highest, reaching the theoretical value of 1. Although the atomic structure of the tip of the LTF has been determined, its functional architecture and how interactions with two structurally very different Escherichia coli receptor molecules, lipopolysaccharide (LPS) and outer membrane protein C (OmpC), contribute to virus movement remained unknown. Here, by developing direct receptor binding assays, extensive mutational and biochemical analyses, and structural modeling, we discovered that the ball-shaped tip of the LTF, a trimer of gene product 37, consists of three sets of symmetrically alternating binding sites for LPS and/or OmpC. Our studies implicate reversible and dynamic interactions between these sites and the receptors. We speculate that the LTF might function as a "molecular pivot" allowing the virus to "walk" on the bacterium by adjusting the angle or position of interaction of the six LTFs attached to the six-fold symmetric baseplate.