System wydzielania bakterii - Bacterial secretion system
Bakteryjne układy wydzielnicze to kompleksy białkowe obecne na błonach komórkowych bakterii do wydzielania substancji. W szczególności są to urządzenia komórkowe używane przez bakterie chorobotwórcze do wydzielania czynników wirulencji (głównie białek) w celu inwazji na komórki gospodarza. Można je podzielić na różne typy na podstawie ich specyficznej struktury, składu i działania. Ogólnie rzecz biorąc, białka mogą być wydzielane w dwóch różnych procesach. Jeden proces to jednoetapowy mechanizm, w którym białka z cytoplazmy bakterii są transportowane i dostarczane bezpośrednio przez błonę komórkową do komórki gospodarza. Inna obejmuje działanie dwuetapowe, w którym białka są najpierw transportowane z wewnętrznej błony komórkowej, następnie osadzane w peryplazmie , a na końcu przez zewnętrzną błonę komórkową do komórki gospodarza.
Te główne różnice można odróżnić między bakteriami Gram-ujemnymi (diderma) i Gram-dodatnimi (monoderma). Ale klasyfikacja bynajmniej nie jest jasna i kompletna. Istnieje co najmniej osiem typów specyficznych dla bakterii Gram-ujemnych, cztery dla bakterii Gram-dodatnich, podczas gdy dwa są wspólne dla obu. Ponadto istnieje znaczna różnica między bakteriami didermowymi z lipopolisacharydami na błonie zewnętrznej (diderm-LPS) a tymi z kwasem mikolowym (diderm-mycolate).
Ścieżki eksportu
Ścieżka eksportu odpowiada za przejście przez wewnętrzną błonę komórkową w dermach i jedyną błonę komórkową w monodermach.
Sec system
Ogólna sekrecja (Sec) obejmuje sekrecję niezłożonych białek, które najpierw pozostają wewnątrz komórek. U bakterii Gram-ujemnych wydzielane białko jest wysyłane do błony wewnętrznej lub peryplazmy. Ale w bakteriach Gram-dodatnich białko może pozostać w komórce lub jest głównie transportowane z bakterii za pomocą innych systemów wydzielniczych. Wśród bakterii Gram-ujemnych system Sec wykorzystują Vibrio cholerae , Klebsiella pneumoniae i Yersinia enterocolitica . Staphylococcus aureus i Listeria monocytogenes to bakterie Gram-dodatnie, które wykorzystują system Sec.
System Sec wykorzystuje dwa różne szlaki sekrecji: szlak SecA i szlak rozpoznający sygnał (SRP). SecA jest białkiem motorycznym ATPazy i ma wiele powiązanych białek, w tym SecD, SecE, SecF, SegG, SecM i SecY. SRP to rybonukleoproteina (kompleks białko-RNA), która rozpoznaje i kieruje specyficzne białka do retikulum endoplazmatycznego u eukariontów i do błony komórkowej u prokariontów. Te dwa szlaki wymagają różnych białek opiekuńczych i ostatecznie wykorzystują kanał transportujący białka SecYEG do transportu białek przez wewnętrzną błonę komórkową. W szlaku SecA SecB działa jako chaperon, wspomagając transport białek do peryplazmy po całkowitej syntezie łańcuchów peptydowych. Podczas gdy w szlaku SRP, YidC jest chaperonem i transportuje białka do błony komórkowej, gdy wciąż przechodzą syntezę peptydów.
SecA lub ścieżka posttranslacyjna
Białka są syntetyzowane w rybosomach w procesie seryjnego dodawania aminokwasów, zwanym translacją. W szlaku SecA czynnik wyzwalający opiekuńczy (TF) najpierw wiąże się z odsłoniętą N-końcową sekwencją sygnałową łańcucha peptydowego. W miarę dalszego wydłużania łańcucha peptydowego TF jest zastępowany przez SecB. SecB specyficznie utrzymuje peptyd w stanie rozwiniętym i pomaga w wiązaniu SecA. Kompleks może następnie wiązać się z SecYEG, przez co SecA jest aktywowany przez wiązanie z ATP. Napędzany energią ATP, SecA przepycha białko przez kanał secYEG. Kompleks SecD/F pomaga również w wyciąganiu białka z drugiej strony błony komórkowej.
Ścieżka SRP
Na tym szlaku SRP konkuruje z TF i wiąże się z N-końcową sekwencją sygnałową. Białka z błony wewnętrznej zatrzymują proces wydłużania łańcucha. SRP wiąże się następnie z receptorem błonowym FtsY. Kompleks łańcuch peptydowy-SRP-FtsY jest następnie transportowany do SecY, gdzie wznawia się wydłużanie peptydu.
System tat
Bliźniaczy układ translokacji argininy (Tat) jest podobny do Sec w procesie sekrecji białka, jednak wysyła białka tylko w stanie zwiniętym (trzeciorzędowym). Wykorzystywany jest przez wszystkie rodzaje bakterii, a także archeony oraz chloroplasty i mitochondria roślin. U bakterii system Tat eksportuje białka z cytoplazmy przez wewnętrzną błonę komórkową; podczas gdy w chloroplastach jest obecny w błonie tylakoidów, gdzie wspomaga import białek ze zrębu. Białka Tat są wysoce zmienne w różnych bakteriach i są podzielone na trzy główne typy, a mianowicie TatA, TatB i TatC. Na przykład, podczas gdy w Bacillus subtilis występują tylko dwa funkcjonalne białka Tat , w Streptomyces coelicolor może być ich ponad sto . Peptydy sygnałowe, które mogą rozpoznawać białka Tat charakteryzują się konsensusowym motywem Ser/Thr-Arg-Arg-X-Phe-Leu-Lys (gdzie X może być dowolnym polarnym aminokwasem). To właśnie od dwóch kolejnych argininy wzięła się nazwa translokacja bliźniacza argininy. Zastąpienie którejkolwiek argininy prowadzi do spowolnienia lub niepowodzenia wydzielania.
Ścieżka Wss/Esx
Szlak Wss/Esx ( system ESAT-6 ) jest czasami nazywany systemem sekrecyjnym typu VII (T7SS), mimo że jest szlakiem eksportu. Jest on obecny w bakteriach Gram-dodatnich (jak WSS) oraz prątki (jak we wszystkich diderm ESX-mycolates), takich jak M. tuberculosis , M. bovis , Streptomyces coelicolor i S. aureus . Jest również nazywany systemem T7b w Bacillus subtilis i S. aureus . Składa się z dwóch podstawowych składników: heksamerycznej ATPazy związanej z błoną, która należy do rodziny białek FtsK /SpoIIIE, oraz dowolnego białka pokrewnego EsxA/EsxB, takiego jak EsaA, EsaD, EsxB, EsxD, a także Ess system (EssA, EssB i EsxC znalezione w S. aureus ). EsxA i EsxB należą do nadrodziny białek WXG100 , które tworzą dimeryczne spiralne spinki do włosów.
W S. aureus T7SS wydziela dużą toksynę zwaną EsaD, która jest członkiem enzymów nukleazy . EsaD jest nieszkodliwy (odtruwany) podczas biosyntezy za pomocą jego odpowiednika antytoksyny EsaG. Kompleks EsaD-EsaG wiąże się następnie z EsaE. Część EsaE wiąże się z EssC, który jest enzymem ATPazą kompleksu T7SS. Podczas wydzielania EsaG pozostaje w cytoplazmie i tylko EsaD i EsaE są wydzielane razem. Jednak w niektórych szczepach S. aureus EsaD nie jest wytwarzany, ale zamiast tego powstają dwie kopie białek podobnych do EsaG. To może wyjaśniać występowanie T7SS u gatunków niepatogennych, takich jak B. subtilis i S. coelicolor .
Systemy wydzielania
Systemy wydzielnicze są odpowiedzialne za przechodzenie przez zewnętrzną błonę komórkową lub obie błony w dermach. Obecna nomenklatura dotyczy tylko diderm-LPS, ponieważ nic nie wiadomo na temat tego, co bakterie diderm-mycolate wykorzystują do przejścia przez błonę zewnętrzną.
Typ I
Układ wydzielniczy typu I (T1SS lub TOSS) występuje w bakteriach Gram-ujemnych. Zależy od aktywności opiekuńczej przy użyciu białek Hly i Tol. System aktywuje się jako sekwencja sygnałowa HlyA wiąże HlyB na błonie komórkowej. Ta sekwencja sygnałowa jest transporterem ABC. Kompleks HlyAB aktywuje HlyD, który rozwija się i przemieszcza do zewnętrznej błony komórkowej. Sygnał końcowy jest rozpoznawany przez TolC w błonie wewnętrznej. HlyA jest wydzielany z błony zewnętrznej przez kanał białkowy podobny do tunelu.
T1SS transportuje różne cząsteczki, w tym jony, węglowodany, leki, białka. Wydzielane cząsteczki różnią się wielkością od małej kolicyny V peptydu Escherichia coli , która ma 10 kDa, do białka adhezyjnego komórek Pseudomonas fluorescens LapA, które ma 520 kDa. Do najbardziej znanych cząsteczek należą toksyny RTX i enzymy lipazy.
Typ II
System sekrecyjny typu II (T2SS) zależy od systemu Sec lub Tat dla początkowego sekrecji wewnątrz komórki bakteryjnej. Z peryplazmy białka są wydzielane z sekretyny błony zewnętrznej. Sekretyny to multimeryczny (12-14 podjednostek) kompleks białek tworzących pory. Sekretyna jest wspierana przez 10–15 innych białek błony wewnętrznej i zewnętrznej, tworząc kompletny aparat sekrecyjny.
Typ III
Układ wydzielniczy typu III (T3SS lub TTSS) jest strukturalnie podobny i związany z podstawowym ciałem wici bakteryjnej . Występuje u niektórych najbardziej zjadliwych bakterii Gram-ujemnych, takich jak Salmonella , Shigella , Yersinia , Vibrio , i służy do wstrzykiwania toksycznych białek do komórek eukariotycznych. Struktura T3SS jest często opisywana jako aparat wstrzykiwany lub przypominający igłę/strzykawkę. Odkryty w Yersinia pestis , odkryto, że T3SS może wstrzykiwać toksyny bezpośrednio z cytoplazmy bakteryjnej do cytoplazmy komórek gospodarza.
Typ IV
System wydzielniczy typu IV (T4SS lub TFSS) jest związany z bakteryjnym systemem koniugacji , dzięki któremu różne bakterie mogą wymieniać swoje DNA. Uczestniczące bakterie mogą należeć do tego samego lub różnych gatunków bakterii Gram-ujemnych. Może transportować pojedyncze białka, jak również kompleksy białko-białko i DNA-białko. Wydzielina jest przenoszona bezpośrednio z komórki biorcy przez błony komórkowe. Agrobacterium tumefaciens , z którego została pierwotnie odkryta, wykorzystuje ten system do wysyłania części T-DNA plazmidu Ti do komórek roślinnych, w wyniku czego wytwarzany jest pęcherzyk żółciowy (guz). Helicobacter pylori wykorzystuje go do dostarczania CagA do komórek nabłonka żołądka w celu wywołania raka żołądka. Bordetella pertussis , bakteria wywołująca krztusiec, wydziela swoją toksynę krztuścową częściowo przez T4SS. Legionella pneumophila , który powoduje Legioneloza (legionellozie) ma T4SS zwany icm / DOT ( I Ntra C ellular m ultiplication / d efect w O rganelle t rafficking geny), że transport wielu białek bakteryjnych na jego gospodarza eukariotycznego. Niedawno wykazano, że fitopatogen Xanthomonas citri wykorzystuje swój T4SS do wydzielania efektorów, które są zabójcze dla innych gatunków bakterii, co czyni ten system głównym wyznacznikiem dopasowania międzygatunkowej konkurencji bakteryjnej. Prototypowym układem wydzielniczym typu IVA jest kompleks VirB Agrobacterium tumefaciens .
Typ V
Systemy wydzielnicze typu V (T5SS) różnią się od innych systemów wydzielniczych tym, że wydzielają się same i obejmują tylko zewnętrzną błonę komórkową. Aby wydzielane białko mogło przejść przez wewnętrzną błonę komórkową, T5SS zależy od systemu Sec. Posiadają domenę β-beczki, która wbudowuje się w zewnętrzną błonę komórkową i tworzy kanał, który może transportować wraz z nią wydzielane białko. Do tej działalności nazywane są również systemami autotransportera. Gdy wydzielane białka są odsłonięte na zewnątrz, autotransportery są odcinane (odcinane), uwalniając białko z domeny β-beczki. Przykładem autotransportera są kleje Trimeric Autotransporter Adhesins .
Typ VI
Układy wydzielnicze typu VI (T6SS) zostały odkryte przez zespół Johna Mekalanosa z Harvard Medical School w 2006 roku z Vibrio cholerae i Pseudomonas aeruginosa . Zostały rozpoznane, gdy mutacje w genach Vibrio Cholerae Hcp i VrgG spowodowały zmniejszoną zjadliwość i patogenność. Oprócz swojej klasycznej roli jako czynnika patogeniczności, T6SS biorą również udział w obronie przed prostymi drapieżnikami eukariotycznymi oraz w interakcjach międzybakteryjnych. Gen T6SS tworzy klaster genów składający się z ponad 15 genów. Geny Hcp i VgrG są najbardziej uniwersalnymi genami. Podobieństwo strukturalne T6SS z kolcem ogona faga T4 sugeruje, że proces infekcji jest podobny do procesu faga.
Typ VII
T7SS bakterii diderm-LPS jest szlakiem opiekuńczym (CUP).
Typ VIII
T8SS bakterii diderm-LPS jest szlakiem zewnątrzkomórkowej nukleacji i precypitacji (ENP).
Typ IX
Systemy wydzielnicze typu IX (T9SS) są regularnie znajdowane w linii bakterii Fibrobacteres-Chlorobi-Bacteroidetes , której gatunki należące do gatunku obejmują zewnętrzną błonę. System bierze udział zmiennie w jednym rodzaju ruchliwości poślizgowej, we właściwym ukierunkowaniu określonych czynników wirulencji na powierzchnię komórki oraz w degradacji kompleksu biopolimerów. T9SS jest również znane jako wydzielanie Por (nagromadzenie porfiryny na powierzchni komórki), od patogenu jamy ustnej Porphyromonas gingivalis . Opisano co najmniej szesnaście strukturalnych elementów systemu, w tym PorU, transpeptydazę sortującą białka, która usuwa sygnał sortowania C-końcowego z białek cargo i pośredniczy w ich przyłączaniu zamiast do lipopolisacharydu .