Archaellum - Archaellum
Archaellum (množné číslo: archaella , dříve archaeal bičík ) je unikátní struktury na povrchu buněk mnoha archaea , a dosud jediná známá struktura archaea, který umožňuje pro koupání motility. Archaellum se skládá z tuhého šroubovicového vlákna, které je připojeno k buněčné membráně molekulárním motorem. Tento molekulární motor - složený z cytosolických, membránových a pseudo -periplazmatických proteinů - je zodpovědný za sestavení vlákna a po sestavení za jeho rotaci. Rotace vlákna pohání archaeal buňky v kapalném médiu, podobným způsobem jako vrtule lodi. Bakteriálním analogem archaellum je bičík , který je také zodpovědný za motilitu plavání v bakteriích a lze jej také přirovnat k rotující vývrtce. Ačkoli je pohyb archaelly a bičíků někdy popisován jako „bičovitý“, není to správné, protože tímto způsobem se pohybují pouze řasinky z eukaryot. Opravdu, dokonce i „ bičík “ (slovo odvozené z latiny znamená „bič“) je nesprávné pojmenování, protože práce bakteriálních bičíků jsou také struktury podobné vrtuli
Rané studie o „archaeal flagella“ identifikovaly několik rozdílů mezi archaella a flagella, ačkoli tyto rozdíly byly zamítnuty jako možná adaptace archaelly na extrémní ekologická prostředí, kde archaea byla v té době známá. Když byly sekvenovány první genomy archaealních organismů, vyšlo najevo, že archea nekóduje žádný z proteinů, které jsou součástí bičíku, čímž se zjistilo, že systém motility archaea je zásadně odlišný od pohybu bakterií. Aby se zdůraznil rozdíl mezi těmito dvěma organely, byl název archaellum navržen v roce 2012 po studiích, které ukázaly, že se evolučně a strukturálně liší od bakteriálních bičíků a eukaryotických řas.
Archaella jsou evolučně a strukturálně příbuzné filamentovým systémům typu IV (TFF). Zdá se, že rodina TFF pochází z posledního univerzálního společného předka, odkud se diverzifikovala na archaella, Pili typu IV, Sekreční systémy typu II a Tad pili.
Dějiny
První pozorování toho, co je nyní známo jako archaellum, se možná uskutečnilo před více než 100 lety, ještě před identifikací archea. Archaea byla původně identifikována v roce 1977 Carl Woese a George E. Foxem a tři domény života ( Eucarya , Archaea a Bacteria ) byly navrženy o 10 let později. Také během 70. let bylo poprvé navrženo, aby proteiny, které tvoří archaellumové vlákno, byly odlišné od proteinů, které se skládají do bičíkového vlákna, ačkoli přesvědčivá data stále chyběla. V příštím desetiletí se ukázalo, že všechny dosud studované archaelly mají některé „podivné“ rysy, jako je silná přítomnost glykosylace v archaellinech (tj. Monomery, které tvoří archaellovo vlákno), objev, který pomohlo klonování první archaelliny. „Podivnost“ archaelly byla potvrzena koncem devadesátých let minulého století, kdy byly publikovány první genomové sekvence archaeálních druhů, a to sekvencí Methanocaldococcus jannaschii v roce 1996, Archaeoglobus fulgidus v roce 1977 a Pyrococcus horikoshii v roce 1998. Ačkoli geny archaelliny byly identifikovány všechny tyto tři genomy, nebylo možné identifikovat žádný genový homolog pro osoby zapojené do bičíkování. Kromě důkazů, že archaellum nesouvisí s bičíkem, se během této doby také vyjasnily podobnosti mezi archaellou a pili typu iv (T4P). Jedním z jasnějších důkazů v té době bylo pozorování, že archaelliny jsou syntetizovány v cytoplazmě jako pre-proteiny, se signálním peptidem, který je třeba štěpit před jejich vložením, pravděpodobně na bázi rostoucího archaelárního vlákna. Flagelliny, na druhé straně, nejsou syntetizovány jako pre-proteiny. Tyto proteiny jsou spíše syntetizovány ve zralém stavu a putují do lumenu bičíkového vlákna (které je tedy duté) a shromažďují se na jeho špičce. Bylo založeno na podobnosti mezi archaellou a pili typu IV, že v roce 1996 byl publikován první návrh, jak se archaella shromažďovat. V příštím desetiletí došlo k významnému pokroku v chápání archaelly. Byl identifikován enzym zodpovědný za štěpení signálního peptidu a ostatní geny jsou považovány za součást archaella operonu (nyní arl cluster). Je zajímavé, že v tomto období bylo také ukázáno, že archaella z euryarchaeon Halobacterium salinarum je poháněna hydrolýzou ATP. Ačkoli podobnosti mezi T4P a archaellou naznačovaly, že hydrolýza ATP by mohla pohánět tuto organelu, tento objev identifikoval další hlavní rozdíl mezi archellalou a bičíkem, protože ty jsou poháněny kationtovou pumpou. Tentokrát také došlo k některým z počátečních výzkumů chemotaxe v archeach, ačkoli počáteční analýzy archaealních genomů již naznačovaly, že tyto organismy mají systém chemotaxe podobný bakteriím. Je zajímavé, že přestože mají různé motory, archea a bakterie mají pozoruhodně podobné chemotaktické stroje.
Během 2010s studie o genových produktech arl operonu umožnily stanovit funkci mnoha "pomocných" proteinů archaellum, tj. Proteinů, které tvoří motor této organely. Během této doby bylo možné definovat minimální sadu složek nezbytných pro zralý a funkční archaellum: archaellin (buď jeden typ nebo několik), prepilinová peptidáza, která štěpí signální peptid z pre-archaellinu a proteiny ArlC/D/E/F/G/H/I/J. V phyle Crenarchaetoa nejsou geny pro proteiny ArlC/D/E nalezeny; místo toho archaellovaní členové tohoto kmenového kódu pro ArlX, myšlenka mít podobnou funkci jako ArlC/D/E. Na základě všech důkazů, které se nashromáždily o jedinečné povaze archaelly, v roce 2012 Ken Jarrell a Sonja-Verena Albers navrhli, aby tato organela nebyla nazývána „archaeal flagella“, ale spíše „archaella“. I přes počáteční kritiku je název nyní ve vědecké komunitě široce přijímán a od 6. června 2021 vyhledává PubMed při vyhledávání výrazů „archaella“ nebo „archaellum“ v posledních letech více výsledků než výrazy „archaeal“ flagella “nebo„ archaeal flagellum “.
Výzkum archaelly stále pokračuje, a to jak v souvislosti se základní biologií této organely, s jejími ekologickými úlohami, tak i potenciálními biotechnologickými aplikacemi. Některé z otázek, které zůstávají otevřené, je, jak je regulován výraz arl operonu, jak vypadá motorový komplex archaellum a jaká je role některých doplňkových komponent archaellum.
Struktura
Komponenty
Většina proteinů, které tvoří archaellum, je kódována v rámci jednoho genetického lokusu. Tento genetický lokus obsahuje 7-13 genů, které kódují proteiny zapojené buď do sestavy, nebo do funkce archaellum. Genetický lokus obsahuje geny kódující archaelliny ( arlA a arlB ) - strukturální složky vlákna - a motorické komponenty ( arlI , arlJ , arlH ). Lokus dále kóduje další pomocné proteiny ( arlG , arlF , arlC , arlD , arlE a arl X). ArlX se nachází pouze v Crenarchaeota a ArlCDE (které mohou existovat jako jednotlivé proteiny nebo jako fúzní proteiny) v Euryarchaeotes. Předpokládá se, že ArlX a ArlCDE mají podobné funkce a také se předpokládá, že neznámou bílkovinu plní stejnou funkci v Thaumarchaeota.
Archaellum operon býval historicky známý jako fla (z „flagellum“), ale aby se předešlo záměně s bakteriálním bičíkem a aby byl v souladu se zbývající nomenklaturou (archaellum, archaellins), bylo nedávno navrženo přejmenování na arl ( geny související s ar chae l lin). V důsledku toho je název genů také odlišný (např. FlaJ je nyní arlJ ). Ve specializované literatuře lze proto nalézt obě nomenklatury, přičemž nomenklatura arl je od roku 2018 stále více používána.
Genetická analýza v různých archeach odhalila, že každá z těchto složek je nezbytná pro sestavení archaellum. Prepilin peptidázy (tzv PibD v Crenarchaeota a ArlK (dříve neprůstřelných) v euryarchaeota) je nezbytná pro zrání archaellins a je obvykle kódován na jiném místě na chromozomu.
Funkční charakterizace byla provedena pro ArlI, člena superrodiny ATPase sekrečního systému typu II/IV a PibD/ArlK. ArlI tvoří hexamer, který hydrolyzuje ATP a s největší pravděpodobností generuje energii pro sestavení archaellum a napájení jeho rotace. PibD štěpí N-konec archaellinů, než je lze sestavit. ArlH ( PDB : 2DR3 ) má RecA -Jako složit a neaktivní ATPázy domény. Tento protein je homologem KaiC, proteinu centrálního pro regulaci cirkadiánního rytmu u sinic. Nepředpokládá se však, že by tato funkce byla zachována; spíše ArlH také vykazuje auto-fosforylaci, která vypadá, že moduluje její interakci s ATPázou ArlI. Navzdory deleci arlH vedoucí ke ztrátě pohyblivosti, což činí tento protein nezbytným pro archaellaci, jeho role v motoru archaellum zůstává neznámá. ArlI a ArlH interagují a případně společně s predikovaným membránovým proteinem ArlJ tvoří centrální motorický komplex. V Crenarchaeotě může být tento motorový komplex obklopen lešením tvořeným prstencem složeným z ArlX. V Euryarchaeotes kryoelektronové tomogramy naznačují, že ArlCDE tvoří strukturu pod motorem, možná v pořadí (shora dolů) ArlJ-ArlI-ArlH-ArlCDE. ArlF a ArlG pravděpodobně tvoří stator tohoto komplexu, který poskytuje statický povrch, proti kterému se rotor může pohybovat, a také ukotví motor k obalu buňky, čímž zabrání prasknutí membrány v důsledku archaelární rotace. Struktura ArlCDE není známa, ale bylo prokázáno, že tento komplex (nebo jeho variace) spojuje chemotaxní aparát a archaellum v Haloferax volcanii .
Funkční analogy
Přes omezený počet detailů, které jsou v současné době k dispozici ohledně struktury a sestavy archaellum, je z více studií stále evidentnější, že archaella hraje důležitou roli v různých buněčných procesech v archea. Navzdory strukturálním rozdílům s bakteriálním bičíkem je hlavní funkcí, kterou dosud archaellum připisuje, plavání v kapalných a polopevných površích. Rostoucí biochemické a biofyzikální informace dále upevnily raná pozorování plavání zprostředkovaného archaellou v archeach. Stejně jako bakteriální bičík, archaellum také zprostředkovává povrchové připojení a komunikaci buňka-buňka. Na rozdíl od bakteriálního bičíku se však ukázalo, že archaellum nehraje roli při tvorbě archaealního biofilmu. V archaealních biofilmech je zatím jedinou navrhovanou funkcí disperzní fáze biofilmu, kdy archaální buňky unikají z komunity pomocí svého archaellu k dalšímu zahájení dalšího kola tvorby biofilmu. Bylo také zjištěno, že archaellum může mít místo vázající kov.