$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Бактериальные инфекции долгое время считались серьезной опасностью для здоровья человека. Патогены используют высокоразвитые, чрезвычайно мощные и сложные защитные системы, а также различные факторы бактериальной вирулентности (называемые эффекторными белками) для уклонения от иммунных реакций хозяина и установления инфекций 1,2. Однако молекулярные механизмы, лежащие в основе этих систем, и роль отдельных эффекторных белков до сих пор в значительной степени неизвестны из-за отсутствия подходящих подходов для непосредственного отслеживания важнейших белковых компонентов и эффекторов в клетках-хозяевах во время патогенеза.
Одним из типичных примеров является Salmonella enterica serovar Typhimurium, который вызывает острый гастроэнтерит. Сальмонелла Typhimurium использует системы секреции третьего типа (T3SS) для инъекции различных эффекторных белков непосредственно в клетки-хозяева. Как только сальмонелла попадает в клетку-хозяина, она находится в кислом мембраносвязанном компартменте, называемом сальмонеллосодержащей вакуолью (SCV)3,4. Кислотный рН SCV активирует T3SS, кодируемый островком патогенности сальмонеллы 2 (SPI-2), и перемещает залп из 20 или более эффекторных белков через вакуолярную мембрану в цитозоль хозяина 5,6,7,8. Внутри хозяина эти сложные коктейли эффекторных белков координируют сигнальные пути клетки-хозяина, что приводит к образованию высокодинамичных, сложных трубчатых мембранных структур, простирающихся от SCV вдоль микротрубочек, называемых сальмонелла-индуцированными филаментами (SIF), которые позволяют сальмонеллам выживать и реплицироваться в клетках-хозяевах9,10,11.
Методы визуализации, отслеживания и мониторинга локализации бактериальных эффекторов, а также изучения их трафика и взаимодействия внутри клеток-хозяев дают критическое представление о механизмах, лежащих в основе бактериального патогенеза. Маркировка и локализация секретируемых сальмонеллой эффекторных белков T3SS внутри клеток-хозяев оказалась технологической проблемой12,13; Тем не менее, разработка генетически кодируемых флуоресцентных белков изменила нашу способность изучать и визуализировать белки в живых системах. Однако размер флуоресцентных белков (~25-30 кДа)15 часто сопоставим или даже больше, чем размер интересующего белка (POI; например, 13,65 кДа для SsaP, 37,4 кДа для SifA). Фактически, флуоресцентная белковая маркировка эффекторов часто блокирует секрецию меченого эффектора и заклинивает T3SS14.
Кроме того, флуоресцентные белки менее стабильны и испускают небольшое количество фотонов перед фотообесцвечиванием, что ограничивает их использование в микроскопических методах сверхвысокого разрешения16,17,18, особенно в фотоактивационной локализационной микроскопии (PALM), STORM и микроскопии с истощением стимулированного излучения (STED). В то время как фотофизические свойства органических флуоресцентных красителей превосходят свойства флуоресцентных белков, методы/методы, такие как CLIP/SNAP19,20, Split-GFP 21, ReAsH/FlAsH 22,23 и HA-Tags24,25, требуют дополнительного белкового или пептидного придатка, который может нарушить структурно-функциональную функцию интересующего эффекторного белка, препятствуя посттрансляционной модификации или транспортировке. Альтернативный метод, который сводит к минимуму необходимую модификацию белка, включает включение ncAA в POI во время трансляции через GCE. ncAA либо флуоресцентны, либо могут быть сделаны флуоресцентными с помощью клик-химии 12,13,26,27,28.
Используя GCE, ncAA с крошечными функциональными биоортогональными группами (такими как азид, циклопропен или циклооктинная группа) могут быть введены практически в любое место в целевом белке. В этой стратегии нативный кодон заменяется редким кодоном, таким как янтарный (TAG) стоп-кодон в определенной позиции в гене POI. Модифицированный белок впоследствии экспрессируется в клетках вместе с ортогональной парой аминоацил-тРНК-синтетаза/тРНК. Активный сайт тРНК-синтетазы предназначен для получения только одного конкретного ncAA, который затем ковалентно присоединяется к 3'-концу тРНК, распознающему янтарный кодон. ncAA просто вводится в питательную среду, но он должен быть поглощен клеткой и достичь цитозоля, где аминоацил-тРНК-синтетаза (aaRS) может связать его с ортогональной тРНК; затем он включается в POI в указанном месте (см. рис. 1)12. Таким образом, GCE позволяет сайт-специфическое включение множества биоортогональных реакционноспособных групп, таких как кетон, азид, алкин, циклооктин, трансциклоктен, тетразин, норбонен, α, β-ненасыщенный амид и бицикло [6.1.0]-нонин в POI, потенциально преодолевая ограничения традиционных методов маркировки белков 12,26,27,28.
Последние тенденции в методах визуализации сверхвысокого разрешения открыли новые возможности для исследования биологических структур на молекулярном уровне. В частности, STORM, одномолекулярный метод сверхвысокого разрешения, основанный на локализации, стал бесценным инструментом для визуализации клеточных структур с длиной волны до ~ 20-30 нм и способен исследовать биологические процессы по одной молекуле за раз, тем самым открывая роли внутриклеточных молекул, которые еще неизвестны в традиционных исследованиях, усредненных по ансамблю13 . Для одномолекулярных методов и методов сверхвысокого разрешения требуется небольшая метка с яркими, фотостабильными органическими флуорофорами для наилучшего разрешения. Недавно мы продемонстрировали, что GCE можно использовать для включения подходящих зондов для получения изображений сверхвысокого разрешения12.
Двумя лучшими вариантами мечения белков в клетках являются бицикло [6.1.0] нонинлизин (BCN) и транс-циклооктен-лизин (TCO; показан на рисунке 1), которые могут быть генетически кодированы с использованием варианта пары тРНК/синтетаза (здесь называемой тРНК Pyl/PylRS AF), гдеPyl представляет собой пирролизин, а AF представляет собой рационально разработанный двойной мутант (Y306A, Y384F), полученный из Methanosarcina mazei, который естественным образом кодирует пирролизин12. 29,30,31. В ходе реакции циклоприсоединения Дильса-Альдера с обратным электронным спросом (SPIEDAC) эти аминокислоты хемоселективно реагируют с конъюгатами тетразина (рис. 1)12,30,31. Такие реакции циклоприсоединения исключительно быстры и совместимы с живыми клетками; Они также могут быть флюорогенными, если соответствующий флуорофор функционализирован с тетразиновым фрагментом12,26,32. В данной работе представлен оптимизированный протокол мониторинга динамики бактериальных эффекторов, доставляемых в клетки-хозяева с помощью GCE, с последующей субклеточной локализацией секретируемых белков в клетках HeLa с использованием dSTORM. Результаты показывают, что включение ncAA через GCE с последующей реакцией щелчка с флуорогенными тетразинсодержащими красителями представляет собой универсальный метод селективной маркировки, визуализации секретируемых белков и последующей субклеточной локализации в организме хозяина. Однако все компоненты и процедуры, описанные здесь, могут быть скорректированы или заменены таким образом, чтобы система GCE могла быть адаптирована для исследования других биологических вопросов.