May 26, 2023
Analisi strutturale e principi architettonici dei riccioli amiloidi batterici
Nature Communications volume
Nature Communications volume 14, numero articolo: 2822 (2023) Citare questo articolo
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Sono trascorsi due decenni dall’affermazione iniziale secondo cui gli amiloidi non sono solo sottoprodotti (tossici) di una cascata di aggregazione involontaria, ma possono anche essere prodotti da un organismo per svolgere una funzione biologica definita. Quell'idea rivoluzionaria è nata dalla consapevolezza che un'ampia frazione della matrice extracellulare che trattiene le cellule Gram-negative in un biofilm persistente è composta da fibre proteiche (curli; tafi) con architettura cross-β, cinetica di polimerizzazione dipendente dalla nucleazione e classica struttura proprietà tintoriali dell'amiloide. L'elenco delle proteine che formano le cosiddette fibre amiloidi funzionali in vivo si è notevolmente ampliato nel corso degli anni, ma non sono seguite informazioni strutturali dettagliate con un ritmo simile, in parte a causa delle barriere sperimentali associate. Qui combiniamo un'ampia modellazione AlphaFold2 e la microscopia a trasmissione crioelettronica per proporre un modello atomico delle protofibrille di curli e le loro modalità di organizzazione più elevate. Scopriamo un'inaspettata diversità strutturale di elementi costitutivi di curli e architetture di fibrille. I nostri risultati consentono una razionalizzazione dell’estrema robustezza fisico-chimica dei curli, nonché le precedenti osservazioni sulla promiscuità dei curli tra specie, e dovrebbero facilitare ulteriori sforzi ingegneristici per espandere il repertorio di materiali funzionali basati su curli.
Sebbene una volta considerato un obiettivo non plausibile per la biologia strutturale, i recenti sviluppi nella microscopia crioelettronica (cryoEM) e nell'elaborazione elicoidale hanno facilitato la determinazione della struttura delle fibrille amiloidi con una risoluzione quasi atomica1. Una pletora di strutture determinate sperimentalmente sia di amiloidi generati in vitro che isolati ex vivo ha rivelato una sconcertante diversità strutturale delle architetture delle fibre, compreso il concetto di polimorfi delle fibre o ceppi di sequenze altrimenti identiche o strettamente correlate2,3,4,5. Nonostante le differenze nell’architettura delle proto-fibrille e nella simmetria elicoidale delle fibre, la maggior parte delle strutture amiloidi condividono diverse caratteristiche conservate che ci consentono di espandere la definizione della piega amiloide oltre il tradizionale adagio cross-beta. Per quanto ne sappiamo, tutte le strutture amiloidi attualmente descritte consistono in un impilamento ripetitivo di arrangiamenti intricati, serpentini e planari di filamenti β che sono stabilizzati da motivi a cerniera sterica in cui le catene laterali residue interdigitate formano estesi Van der Waals, elettrostatici, idrofobici e idrogeno contatti di collegamento. L'impilamento assiale di peptidi planari mediante l'aggancio del filamento e la formazione dell'arcata β guida la formazione di protofibrille, solitamente seguita dall'avvolgimento elicoidale di più protofibrille in una sovrastruttura elicoidale straordinariamente stabile. È proprio questa simmetria elicoidale che è stata sfruttata con grande successo nei moderni approcci cryoEM per risolvere i dettagli strutturali di un’ampia gamma di strutture amiloidi.
La maggior parte di queste strutture appartengono a una sottofamiglia di specie amiloidi correlate a una serie di malattie (neuro)degenerative, da deposizione sistemica e da misfolding. Per questo motivo, queste proteine amiloidogeniche vengono comunemente chiamate amiloidi patologici (PA). Questi amiloidi associati alla malattia hanno in comune il fatto di rappresentare un evento di misfolding e aggregazione non funzionale e fuori percorso di proteine o frammenti proteici a cui è stato impedito di raggiungere la loro struttura nativa a causa di mutazioni, condizioni ambientali o elaborazione errata. Esiste un secondo ramo della famiglia amiloide, presente in tutti i domini della vita, che consiste di proteine che si sono evolute per svolgere ruoli biologici dedicati (come adesione, stoccaggio, impalcatura, ecc.) adottando lo stato amiloide, offrendo a queste proteine la termine amiloidi funzionali (FA)6,7,8. Come gli amiloidi patologici, gli FA mostrano un'aggregazione dipendente dalla nucleazione in fibre con caratteristiche cross-β. Una questione enigmatica è se i percorsi dell’AF includano tratti selezionati per mitigare o mancare il guadagno citotossico delle proprietà funzionali così comunemente associate alle deposizioni patologiche di amiloide. Per le vie dell'amiloide batterica come Curli e Fap, è chiaro che le proteine accessorie assicurano una deposizione di amiloide tempestiva e localizzata, comprese protezioni simili a chaperone che prevengono o arrestano l'amiloidogenesi prematura9,10. Tuttavia, è molto meno chiaro se le strutture delle subunità e delle fibre FA includano anche tratti adattativi che riducono la citotossicità. È interessante notare che ci sono indicazioni da esperimenti in vitro che gli AF prodotti da vari batteri patogeni possono mostrare reattività crociata con PAs11 e segnalazioni di un'induzione o aggravamento potenzialmente infettivo di deposizioni patologiche di amiloide mediante disseminazione incrociata diretta o effetti (infiammatori) indiretti nell'uomo e animali esposti ad amiloidi batterici12,13. Poiché ci sono solo poche strutture disponibili per gli FA14,15, non è chiaro a questo punto se gli FA siano strutturalmente correlati ai PA e se formino un ramo separato delle architetture amiloidi. Né è chiaro quale potrebbe essere il meccanismo molecolare alla base di questa promiscuità di amiloide FA/PA tra le specie.