stringtranslate.com

вирус бациллы phi29

Структурная модель бактериофага Φ29 при атомном разрешении [1]

Вирус Bacillus Φ29 (бактериофаг Φ29) — это двухцепочечный ДНК- бактериофаг (dsDNA)с вытянутой икосаэдрической головкой и коротким хвостом, принадлежащий к роду Salasvirus , порядку Caudovirales и семейству Salasmaviridae . [2] [3] Они находятся в том же порядке, что и фаги PZA, Φ15, BS32, B103, M2Y (M2), Nf и GA-1. [4] [5] Впервые обнаруженный в 1965 году, фаг Φ29 является самым маленьким фагом Bacillus, выделенным на сегодняшний день, и входит в число самых маленьких известных фагов dsDNA. [2] [3]

Φ29 имеет уникальную структуру мотора упаковки ДНК, которая использует проголовчатую упаковочную РНК (pRNA) для управления транслокацией генома фага во время репликации . Эта новая структурная система вдохновила текущие исследования в области нанотехнологий , доставки лекарств и терапии . [6] [7] [8] [9]

В природе фаг Φ29 заражает Bacillus subtilis , вид грамположительных , образующих эндоспоры бактерий , которые встречаются в почве , а также в желудочно-кишечных трактах различных морских и наземных организмов , включая людей . [10]

История

В 1965 году американский микробиолог доктор Бернард Рейли открыл фаг Φ29 в лаборатории доктора Джона Спизизена в Университете Миннесоты . [11] [12] Благодаря своему небольшому размеру и сложной морфологии он стал идеальной моделью для изучения многих процессов в молекулярной биологии , таких как морфогенез , упаковка вирусной ДНК , репликация вирусов и транскрипция . [12] [13]

Структура

Схематическое изображение вириона фага Φ29 (поперечное сечение и вид сбоку).

Структура Φ29 состоит из семи основных белков : терминального белка (p3), белка головки или капсида (p8), белка волокон головки или капсида (p8.5), дистального хвостового выступа (p9), портального или соединительного белка (p10), белков хвостовой трубки или нижнего воротника (p11) и белков хвостовых волокон или придатков (p12*). [6]

Главное отличие структуры Φ29 от структуры других фагов заключается в использовании им пРНК в качестве двигателя упаковки ДНК. [6]

ДНК упаковочный двигатель

Упаковочный двигатель ДНК Φ29 упаковывает геном фага в прокапсид во время репликации вируса. [6] Упаковочный двигатель Φ29 структурно состоит из прокапсида и соединительных белков, которые взаимодействуют с пРНК, упаковочным ферментом (gp16) и упаковочным субстратом (геномной ДНК-gp3). [6] Поскольку процесс упаковки генома является энергоемким , он должен осуществляться с помощью работающего на АТФ двигателя, который преобразует химическую энергию в механическую посредством гидролиза АТФ . [6] [14] Упаковочный двигатель Φ29 способен генерировать приблизительно 57 пиконьютонов (пН) силы , что делает его одним из самых мощных биомоторов, изученных на сегодняшний день. [6]

пРНК

Φ29 pRNA — это очень универсальная молекула , которая может полимеризоваться в димеры , тримеры , тетрамеры , пентамеры и гексамеры . [15] Ранние исследования, такие как Андерсон (1990) и Троттье (1998), выдвигали гипотезу, что pRNA образует межмолекулярные гексамеры, но эти исследования имели исключительно генетическую основу, а не подход, основанный на микроскопии . [16] [17] [18] В 2000 году исследование Симпсона и др. использовало криоэлектронную микроскопию , чтобы определить, что in vivo только пентамер или меньший полимер может пространственно поместиться в вирусе. [18] В конечном итоге, кристаллография одиночной изоморфной замены с аномальным рассеянием (SIRAS) была использована для определения того, что структура in vivo представляет собой тетрамерное кольцо. [19] Это открытие согласуется с тем, что было известно о структурной геометрии и необходимой гибкости трехстороннего соединения упаковочного мотора. [19] Когда pRNA находится в форме тетрамерного кольца, она работает как часть упаковочного мотора ДНК, транспортируя молекулы ДНК к месту назначения внутри капсулы проголовки. [20] В частности, функциональные домены pRNA связываются с упаковочным ферментом gp16 и структурной соединительной молекулой, помогая транслокации ДНК через канал проголовки. [6] После завершения упаковки ДНК pRNA диссоциирует и деградирует. [21]

Геном и репликация

Механизм репликации бактериофага Φ29

Фаг Φ29 имеет линейный геном dsDNA, состоящий из 19 285 оснований . [2] Оба 5'-конца генома закрыты ковалентно связанным терминальным белком (p3), который образует комплекс с ДНК-полимеразой во время репликации. [2] [22]

Φ29 — один из многих фагов с ДНК-полимеразой , которая имеет другую структуру и функцию по сравнению со стандартными ДНК- полимеразами в других организмах. [22] Φ29 образует репликационный комплекс, включающий белок p3-терминала, нуклеотид dAMP и собственную ДНК-полимеразу для синтеза ДНК в направлении от 5' к 3' . Этот процесс репликации также использует механизм скольжения назад к 3'-концу генома, который использует повторяющийся мотив TTT для перемещения репликационного комплекса назад без изменения последовательности шаблона. [22] [23] Это позволяет инициировать репликацию ДНК более точно, поскольку полимеразный комплекс проверяет определенную последовательность перед началом процесса удлинения. [23] [24]

Приложения

Нацеливание молекул TNBC на бактериофаг Φ29 pRNA

Сборка наночастиц

Универсальность структуры и функции РНК обеспечивает возможность сборки наночастиц для наномедицинской терапии . [7] pRNA в бактериофаге Φ29 может использовать свое трехстороннее соединение для самосборки в наночастицы. [7]

Одной из основных проблем использования наночастиц, полученных из pRNA, является крупномасштабное производство , поскольку большинство отраслей промышленности в настоящее время не оснащены для промышленного синтеза pRNA. [8] Это в первую очередь связано с тем, что РНК-нанотехнология все еще является новой областью, в которой отсутствует промышленное применение и оптимизация производства малых РНК. [25]

Доставка лекарств

Система упаковки ДНК Φ29, использующая pRNA, включает в себя двигатель для доставки терапевтических молекул, таких как рибозимы и аптамеры . [8] Небольшой размер наночастиц, полученных из pRNA, также помогает доставлять лекарства в узкие пространства, такие как кровеносные сосуды . [8]

Основная трудность в использовании доставки лекарств на основе аптамеров заключается в поиске уникальных аптамеров и других мультимеров для специфического лечения заболеваний , которые потенциально разрушают терапевтические мультимеры и наночастицы in vivo. [8] Наночастицы необходимо стабилизировать в качестве механизмов доставки, чтобы адаптироваться к микросреде, которая может привести к потере терапевтического груза. [26]

Лечение тройного негативного рака молочной железы

Трижды негативный рак молочной железы (TNBC) — агрессивная форма рака молочной железы , на долю которой приходится от десяти до пятнадцати процентов всех случаев рака молочной железы. [27] Химиотерапия — единственный эффективный на сегодняшний день метод лечения TNBC, поскольку потеря целевых рецепторов, свойственных этому заболеванию, заставляет раковые клетки противостоять терапевтическим фармацевтическим препаратам . [9]

Трехстороннее соединение в ДНК-упаковочном двигателе Φ29 может помочь сенсибилизировать клетки TNBC к химиотерапии с использованием механизма доставки лекарств siRNA для ингибирования роста и объема TNBC. [9] Это лечение также можно сочетать с противораковыми препаратами, такими как доксорубицин, для усиления терапевтического эффекта. [9]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Падилла-Санчес, Виктор (2021-07-17), Структурная модель бактериофага Φ29 при атомном разрешении, doi :10.5281/zenodo.5111609 , получено 2021-07-17
  2. ^ abcd Мейер, Уилфрид Дж. Дж.; Оркахадас, Хосе А.; Салас, Маргарита (2001). «Семейство фагов φ29». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 65 (2): 261–287. дои :10.1128/MMBR.65.2.261-287.2001. ISSN  1092-2172. ПМК 99027 . ПМИД  11381102. 
  3. ^ ab Ackermann, Hans-W. (1998). "Хвостатые бактериофаги: порядок Caudovirales". Advances in Virus Research . 51 : 135–201. doi :10.1016/S0065-3527(08)60785-X. ISBN 978-0-12-039851-5. ISSN  0065-3527. PMC  7173057. PMID  9891587 .
  4. ^ Бактериофаг: генетика и молекулярная биология. Стивен МакГрат, Доуве ван Синдерен. Норфолк, Великобритания: Caister Academic Press. 2007. ISBN 978-1-904455-14-1. OCLC  86168751.{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
  5. ^ Камачо, Ана; Хименес, Фернандо; Торре, Хавьер; Карраскоса, Хосе Л.; Мелладо, Рафаэль П.; Винуэла, Эладио; Салас, Маргарита; Васкес, Сезар (февраль 1977 г.). «Сборка Bacillus subtilis Phage Phi29. 1. Мутанты в цистронах, кодирующих структурные белки». Европейский журнал биохимии . 73 (1): 39–55. дои : 10.1111/j.1432-1033.1977.tb11290.x . ISSN  0014-2956. ПМИД  402269.
  6. ^ abcdefgh Ли, Тэ Джин; Шварц, Чад; Го, Пэйсюань (2009-10-01). «Конструирование двигателя упаковки ДНК бактериофага Phi29 и его применение в нанотехнологиях и терапии». Annals of Biomedical Engineering . 37 (10): 2064–2081. doi :10.1007/s10439-009-9723-0. ISSN  1573-9686. PMC 2855900. PMID  19495981 . 
  7. ^ abc Шу, И; Ван, Хунчжи; Сереми, Бахар; Го, Пэйсюань (2022), «Методы изготовления сборки РНК-наночастиц на основе структурных особенностей pRNA бактериофага Phi29», РНК-нанотехнология и терапия , стр. 141–157, doi :10.1201/9781003001560-21, ISBN 978-1-003-00156-0, получено 2022-11-01
  8. ^ abcde Ye, Xin; Hemida, Maged; Zhang, Huifang M.; Hanson, Paul; Ye, Qiu; Yang, Decheng (2012). «Текущие достижения в биологии Phi29 pRNA и ее применение в доставке лекарств: Текущие достижения в биологии Phi29 pRNA и ее применение». Wiley Interdisciplinary Reviews: RNA . 3 (4): 469–481. doi : 10.1002/wrna.1111 . PMID  22362726. S2CID  12631001.
  9. ^ abcd Чжан, Лонг; Му, Чаофэн; Чжан, Тинхун; Ян, Дэцзюнь; Ван, Чэнь; Чэнь; Цюн; Тан, Линь; Фань, Лухуэй; Лю, Конг; Шэнь, Цзяньлян; Ли, Хуацюн (2021-01-07). "Разработка таргетной терапии для повышения чувствительности к химиотерапии тройного негативного рака груди с использованием упаковочной РНК, полученной из бактериофага phi29". Журнал нанобиотехнологий . 19 (1): 13. doi : 10.1186/s12951-020-00758-4 . ISSN  1477-3155. PMC 7792131. PMID 33413427  . 
  10. ^ Эррингтон, Джеффри; ван дер Аарт, Лиза Т. (2020-05-11). «Профиль микроба: Bacillus subtilis: модельный организм для клеточного развития и промышленная рабочая лошадка». Микробиология . 166 (5): 425–427. doi : 10.1099/mic.0.000922 . ISSN  1350-0872. PMC 7376258. PMID 32391747  . 
  11. ^ Рейли, Бернард Э.; Спизизен, Джон (1965). «Инфекция дезоксирибонуклеатами бактериофагов компетентных Bacillus subtilis1». Журнал бактериологии . 89 (3): 782–790. doi :10.1128/jb.89.3.782-790.1965. ISSN  0021-9193. PMC 277537. PMID 14273661  . 
  12. ^ ab Салас, Маргарита (2007-10-01). "40 лет с бактериофагом ø29". Ежегодный обзор микробиологии . 61 (1): 1–22. doi : 10.1146/annurev.micro.61.080706.093415 . ISSN  0066-4227. PMID  17441785.
  13. ^ "About | Вирусология". Университет Миннесоты . Архивировано из оригинала 2022-11-01 . Получено 2022-10-31 .
  14. ^ Рао, Венигалла Б.; Фейсс, Майкл (2008). «Мотор упаковки ДНК бактериофага». Annual Review of Genetics . 42 : 647–681. doi : 10.1146/annurev.genet.42.110807.091545. ISSN  0066-4197. PMID  18687036.
  15. ^ Hoeprich, Stephen; Guo, Peixuan (2002-06-07). "Компьютерное моделирование трехмерной структуры ДНК-упаковывающей РНК (пРНК) Мономера, Димера и Гексамера Phi29 DNA Packaging Motor*". Журнал биологической химии . 277 (23): 20794–20803. doi : 10.1074/jbc.M112061200 . ISSN  0021-9258. PMID  11886855.
  16. ^ Граймс, Шелли; Андерсон, Дуайт (1990-10-20). "РНК-зависимость АТФазы упаковки ДНК бактериофага φ29". Журнал молекулярной биологии . 215 (4): 559–566. doi :10.1016/S0022-2836(05)80168-8. ISSN  0022-2836. PMID  1700132.
  17. ^ Го, Пэйсюань; Чжан, Чуньлинь; Чэнь, Чаопин; Гарвер, Кайл; Троттье, Марк (1998-07-01). «Взаимодействие между РНК фага φ29 ​​pRNA с образованием гексамерного комплекса для транспортировки вирусной ДНК». Molecular Cell . 2 (1): 149–155. doi : 10.1016/S1097-2765(00)80124-0 . ISSN  1097-2765. PMID  9702202.
  18. ^ ab Simpson, Alan A.; Tao, Yizhi; Leiman, Petr G.; Badasso, Mohammed O.; He, Yongning; Jardine, Paul J.; Olson, Norman H.; Morais, Marc C.; Grimes, Shelley; Anderson, Dwight L.; Baker, Timothy S.; Rossmann, Michael G. (2000). «Структура двигателя упаковки ДНК бактериофага φ29». Nature . 408 (6813): 745–750. Bibcode :2000Natur.408..745S. doi :10.1038/35047129. ISSN  1476-4687. PMC 4151180 . PMID  11130079. 
  19. ^ ab Ding, Fang; Lu, Changrui; Zhao, Wei; Rajashankar, Kanagalaghatta R.; Anderson, Dwight L.; Jardine, Paul J.; Grimes, Shelley; Ke, Ailong (2011-05-03). "Структура и сборка основного компонента кольца РНК вирусного упаковочного двигателя ДНК". Труды Национальной академии наук . 108 (18): 7357–7362. Bibcode : 2011PNAS..108.7357D. doi : 10.1073/pnas.1016690108 . ISSN  0027-8424. PMC 3088594. PMID 21471452  . 
  20. ^ Го, Пэйсюань; Чжан, Чуньлинь; Чэнь, Чаопин; Гарвер, Кайл; Троттье, Марк (1998-07-01). «Взаимодействие между РНК фага φ29 ​​pRNA с образованием гексамерного комплекса для транспортировки вирусной ДНК». Molecular Cell . 2 (1): 149–155. doi : 10.1016/S1097-2765(00)80124-0 . ISSN  1097-2765. PMID  9702202.
  21. ^ Рао, Венигалла Б.; Фейсс, Майкл (2015-11-09). «Механизмы упаковки ДНК крупными двухцепочечными ДНК-вирусами». Annual Review of Virology . 2 (1): 351–378. doi :10.1146/annurev-virology-100114-055212. ISSN  2327-056X. PMC 4785836. PMID 26958920  . 
  22. ^ abc Морчинек-Орловска, Джоанна; Здроевска, Каролина; Венгжин, Алиция (2022). «ДНК-полимеразы, кодируемые бактериофагами, — за пределами традиционного представления о полимеразной активности». Международный журнал молекулярных наук . 23 (2): 635. doi : 10.3390/ijms23020635 . ISSN  1422-0067. PMC 8775771. PMID 35054821  . 
  23. ^ ab De Vega, Miguel; Salas, Margarita (2011-09-26). "Глава 9: Репликация ДНК бактериофага Φ29, стимулированная белком". В Kusic-Tisma, Jelena (ред.). Репликация ДНК и связанные с ней клеточные процессы. IntechOpen. стр. 179–206. ISBN 978-953-307-775-8.
  24. ^ Граймс, Шелли; Жардин, Пол Дж.; Андерсон, Дуайт (2002-01-01), Упаковка ДНК бактериофага φ29, Достижения в исследовании вирусов, т. 58, Academic Press, стр. 255–294, doi :10.1016/s0065-3527(02)58007-6, ISBN 978-0-12-039858-4, PMID  12205781 , получено 2022-10-24
  25. ^ Ясински, Даниэль; Хак, Фарзин; Бинцель, Даниэль В; Го, Пэйсюань (2017-02-07). «Развитие новой области РНК-нанотехнологий». ACS Nano . 11 (2): 1142–1164. doi :10.1021/acsnano.6b05737. ISSN  1936-0851. PMC 5333189. PMID  28045501 . 
  26. ^ Шу, И; Пи, Фэнмей; Шарма, Ашвани; Раджаби, Мехди; Хак, Фарзин; Шу, Дэн; Леггас, Маркос; Эверс, Б. Марк; Го, Пэйсюань (2014). «Стабильные наночастицы РНК как потенциальные лекарства нового поколения для терапии рака». Advanced Drug Delivery Reviews . 66 : 74–89. doi :10.1016/j.addr.2013.11.006. ISSN  0169-409X. PMC 3955949. PMID 24270010  . 
  27. ^ "Тройной негативный рак молочной железы | Подробности, диагностика и признаки". www.cancer.org . Получено 01.11.2022 .