Bakterieutsöndringssystem är proteinkomplex som finns i bakteriecellsmembranet och används för att utsöndra olika proteiner . I synnerhet används de av patogena bakterier för att isolera virulensfaktorer . Baserat på sekretionssystemets sammansättning, struktur och verkan är de indelade i flera typer. De mest grundläggande skillnaderna observeras mellan utsöndringssystemen av grampositiva och gramnegativa bakterier. Det finns minst sex typer av utsöndringssystem specifika för gramnegativa bakterier, fyra typer av utsöndringssystem är unika för grampositiva bakterier och två typer av utsöndringssystem finns i båda grupperna av bakterier [1] .
Sekretionssystem av Sec- och Tat-typerna finns i Gram-positiva och Gram-negativa bakterier, såväl som arkéer och eukaryoter . Även om Sec- och Tat-systemen har några gemensamma komponenter, är sättet de fungerar fundamentalt annorlunda. Båda systemen är utformade för att utsöndras över cellmembranet. I gramnegativa bakterier kan proteiner som levereras av Sec- eller Tat-systemen till cellmembranet eller det periplasmatiska utrymmet (periplasma) frigöras från cellen av andra sekretionssystem [1] .
Övervägande oveckade proteiner transporteras genom Sec-systemet . Specifika bärarproteiner binder i cytoplasman till målproteiner som har en lämplig utsöndringssignal vid N-terminalen . Den består av 20 aminosyrarester och innehåller tre regioner: en positivt laddad N-terminal, en hydrofob kärnregion och en polär C-terminal . Bärarproteiner levererar mål till motorproteiner , som trycker ut de utsöndrade proteinerna genom SecYEG-kanalen. Vissa grampositiva bakterier har ytterligare proteiner från Sec-systemet. Sec-systemet används för att isolera virulensfaktorer för gramnegativa patogena bakterier som Vibrio cholerae , Klebsiella pneumoniae och Yersinia enterocolitica . Exempel på grampositiva bakterier som använder Sec-systemet för att isolera virulensfaktorer är Staphylococcus aureus och Listeria monocytogenes . Proteiner avsedda för frisättning i periplasman eller extracellulär miljö utsöndras av SecB-systemet. Proteiner avsedda för det inre membranet utsöndras av SRP-systemet. Subtypsystemen SecB och SRP känner igen olika signalsekvenser [1] .
SecBMålproteinerna i SecB-systemet har en signalsekvens som känns igen av SecB-proteinet som flyter i cytoplasman. Den fungerar som en chaperone och förhindrar veckning av målproteiner. SecB levererar målproteiner till SecA-proteinet, som driver dem genom SecYEG-kanalen, med hjälp av energin från ATP -hydrolys , som i sig katalyserar . Proteiner som måste släppas ut i den yttre miljön utsöndras av typ II- eller V-system [1] .
SRPSRP-system levererar målproteiner till cellmembranet. Transmembranproteiner , som är målen för SRP-systemet, har hydrofoba regioner och är därför instabila i cytoplasman. Därför, i SRP-vägen, sker proteinutsöndring co-translationellt: den syntetiserade regionen av polypeptidkedjan trycks in i SecYEG-kanalen, medan ribosomen översätter resten av proteinet. Denna mekanism kräver signaligenkänningspartiklar ( signaligenkänningspartikel, SRP ) . SRP binder till proteinets transmembranregion så snart det lämnar ribosomen. SRP:n interagerar sedan med FtsY-proteinet, som levererar komplexet av mRNA , ribosom och delvis syntetiserad polypeptid till SecYEG-kanalen. Vidare fortgår den gradvisa utsöndringen av proteinet och translationen av dess återstående del samtidigt, och slutligen förankras proteinet i cellmembranet med dess transmembrandomän [ 1] .
Till skillnad från Sec-vägen utsöndrar Tat-vägen övervägande vikta proteiner. Som regel inkluderar dessa proteiner som kräver specifika posttranslationella modifieringar för deras funktion , som endast kan erhållas i cytosolen . Tat-systemet inkluderar tre proteiner: TatA, TatB och TatC, med de två första i grampositiva bakterier kombinerade till ett enda protein. I Escherichia coli känns signalpeptiden av proteiner avsedda för utsöndring igen av TatB- och TatC-proteiner, och TatA bildar en membrankanal . Signalpeptiden som känns igen av Tat-proteiner representeras av serin- arginin - argininsekvensen vid proteinets N-terminal. I grampositiva bakterier säkerställer Tat-systemet frisättningen av proteiner i det extracellulära mediet, medan i gramnegativa bakterier, proteiner som har passerat genom Tat antingen stannar kvar i det periplasmatiska utrymmet eller lämnar cellen genom typ II-sekretionssystem. Tat-systemet krävs för full virulens i vissa patogena bakterier, inklusive Pseudomonas aeruginosa , Yersinia pseudotuberculosis och E. coli O157:H7 . Hos ett antal patogener, såsom P. aeruginosa , Legionella pneumophila och Mycobacterium tuberculosis , utsöndras fosfolipas C via Tat-systemet , vilket bryter ned fosfolipider och är involverat i att undertrycka immunsystemets aktivitet [1] .
Vissa patogena gramnegativa bakterier har specialiserade sekretionssystem som bär virulensfaktorer till utsidan och ibland till andra eukaryota eller prokaryota celler . Många proteiner som transporteras över det yttre membranet av gramnegativa bakterier kom in i periplasman via Sec- eller Tat-vägarna. Vissa sekretionssystem representeras av en enda kanal som passerar genom två membran och det periplasmatiska utrymmet [1] .
Typ I-sekretionssystemet involverar en enstegsöverföring av ett protein från cytosolen till den extracellulära miljön genom en kanal som passerar genom både membran och periplasman. Kanaler av typ I-system är mycket nära ABC-transportörer , som tar bort olika små molekyler från celler , såsom antibiotika och toxiner . Vissa bakterier har samtidigt flera typ I-system, som vart och ett är dedikerat till utsöndringen av ett eller flera proteiner. Proteiner som utsöndras av typ I-system är mycket olika: bland dem finns nedbrytande enzymer som proteaser och lipaser , adhesionsmolekyler , hembindande proteiner . I de flesta fall har målproteiner en C-terminal signalpeptid som inte tas bort vid utsöndring [1] .
I ett typiskt fall är typ I-sekretionssystemet organiserat enligt följande. ABC-transportören är placerad i cellmembranet, delar upp ATP och extraherar energi för proteinöverföring. Det interagerar med MPF-proteinet, som passerar genom periplasman och interagerar med OMF-proteinet i det yttre membranet. N-terminalen av MPF hänger ner i cytosolen och tros vara involverad i signaligenkänning. OMF bildar en por i det yttre membranet genom vilken proteinet passerar [1] .
Sekretionssystem av typ I är väsentliga för virulensen hos ett antal patogena bakterier, såsom Vibrio cholerae och Serratia marcescens . Dessutom, genom detta system, tar E. coli bort kolicin V, och dess uropatogena stammar, med hjälp av typ I-systemet, tar bort hemolysin, som förstör membranen i eukaryota celler [1] .
Sekretionssystem av typ II är involverade i transporten av proteiner från periplasman till den yttre miljön. Målproteiner måste preliminärt levereras till periplasman av Sec- eller Tat-systemen, och de måste också bära de N-terminala signalpeptiderna som ska avlägsnas, vilka känns igen av Sec- och Tat-systemen. Målproteiner måste dock vikas in i periplasman innan de rensas genom typ II-system. Typ II-system tar bort proteiner med olika funktioner från cellen, men de flesta av dem är enzymer: proteaser, lipaser, fosfataser , enzymer som verkar på kolhydrater . Sekretionssystemet typ II bildas av 15 proteiner. Komplexet i det yttre membranet bildar det multimera proteinsekretinet. Dess långa N-terminal interagerar med andra proteiner i systemet lokaliserade i cellmembranet. I cellmembranet representeras typ II-sekretionssystemet av en plattform med minst 4 proteiner. Cytoplasman innehåller ATPas, som tillför energi till systemet. Man tror att substratproteiner drivs genom sekretinkomplexet av en speciell proteinstruktur - en pseudopilus, som är näraIV pili . V. cholerae frisätter koleratoxin genom utsöndringssystemet typ IIoch P. aeruginosa frisätter endotoxin A. Ett antal patogener frisätter proteiner genom utsöndringssystemet typ II som hjälper dem att anpassa sig till sin miljö. Sådana patogener inkluderar L. pneumophila , enterotoxigena och enterohemorragiska stammar av E. coli (ETEC och EHEC), K. pneumoniae , Aeromonas hydrophila och Dickeya dadantii [1] .
Sekretionssystem av typ III har studerats i stor detalj [2] . De tillhandahåller utsöndring av olika proteiner genom både membran och periplasma. I de flesta fall levererar typ III-sekretionssystem substrat direkt in i den eukaryota cellen, det vill säga de transporterar proteiner genom tre membran samtidigt. Substrat av typ III-system kallas effektorproteiner. Vissa patogener, såsom Pseudomonas och Yersinia , utsöndrar endast ett fåtal effektorproteiner, och Shigella - flera dussin. Substratproteiner har en N-terminal signalpeptid som inte kan avlägsnas. Många effektorproteiner interagerar med chaperoner före utsöndring och utsöndras ovikt med förbrukningen av ATP-energi [1] .
Sekretionssystemet av typ III inkluderar 9 kärnproteiner, och åtta av dem är relaterade till flagellin , som utgör det bakteriella flagellumet . Förutom de 9 kärnproteinerna innehåller typ III-systemet 10 till 20 ytterligare proteiner, av vilka några är kritiska för systemets funktion. Proteiner av typ III-system kodas av flera operoner lokaliserade antingen på plasmider eller i patogenicitetsöar på den bakteriella kromosomen . Typ III-system överförs mellan bakterier via horisontell genöverföring och finns därför ofta hos obesläktade arter [1] .
Strukturellt kan man i typ III-systemet särskilja basalkomplexet, den nålformade komponenten och translokonet. Det basala komplexet passerar genom cellmembranet, det periplasmatiska utrymmet och det yttre membranet och bildar en rosettliknande struktur. Oftast bildar minst 15 proteiner basalkomplexet. En stavformad glödtråd, som kallas en nål, kommer ut från sockeln. Nålen är vänd mot det extracellulära utrymmet, är ihålig inuti och har en tillräcklig diameter så att ovikt protein kan passera genom det. I slutet av nålen finns ett speciellt komplex som bestämmer den eukaryota cellens närhet och reglerar utsöndringen av effektorproteiner. Samma komplex är ansvarigt för införandet av translokonet i det eukaryota cellmembranet. Translokonet innehåller en por genom vilken bakterieproteinet kommer in i den eukaryota cellen [1] .
Typ III-system används av många patogener som Yersinia , Salmonella och Shigella [1] . Med hjälp av sekretionssystem av denna typ utsöndras flagellets komponenter. Förhållandet mellan flagellin och typ III-systemproteiner indikerar ett gemensamt ursprung [3] [4] .
Evolutionärt ligger typ IV-utsöndringssystem nära konjugationsproteinapparaten och utsöndrar både enskilda proteinmolekyler och proteinkomplex och komplex av proteiner och DNA . Substratproteiner utsöndras direkt i en annan cell - bakteriell (av samma art eller annan art) eller eukaryot. Eftersom typ IV-system kan överföra protein-DNA-komplex kan de vara involverade i DNA-överföring under konjugering, DNA-isolering eller upptag och leverans av effektorproteiner eller protein-DNA-komplex direkt till mottagarcellen. Med hjälp av ett typ IV-system levererar Agrobacterium tumefaciens onkogent T-DNA till växtceller ; detta system kallas VirB/D. VirB6-10-proteiner bildar en kanal som passerar genom cellen och de yttre membranen, medan VirB4, VirB11 och VirD4 är belägna i cellmembranet och, eftersom de är ATPaser , tillhandahåller energi för transport. Den extracellulära pili bildas av VirB2- och VirB5-proteinerna. Man tror att VirD4 spelar rollen som en "gateway" och förhindrar icke-målproteiner från att komma in i kanalen. Sågens roll är också oklar. Enligt en hypotes är den endast avsedd för kommunikation med mottagarcellen, enligt en annan spelar den en direkt roll i överföringen av proteinet till mottagarcellen [1] .
Typ IV-system används av en mängd olika mänskliga patogener: Neisseria gonorrhoeae , L. pneumophila , Brucella suis och Helicobacter pylori [1] .
Komponenterna i typ V-sekretionssystemet är unika genom att de själva utsöndras utan deltagande av hjälpproteinkanaler. De har en β-fatstruktur som penetrerar genom det yttre membranet. Genom det kommer resten av proteinet eller andra proteiner ut. Proteiner av typ V-systemet levereras till periplasman av Sec-systemet och bär därför motsvarande N-terminala signalpeptid, som avlägsnas i periplasman. De flesta substrat av typ V-system är virulensfaktorer. Hos N. gonorrhoeae transporteras således ett antikroppsnedbrytande proteas ; Shigella flexneri har ett protein som spelar rollen som en adhesionsmolekyl, och Y. enterocolitica har ett protein som främjar typ III-sekretionssystemet [1] .
Sekretionssystem av typ VI transporterar proteiner huvudsakligen till bakterieceller, men ibland även till eukaryota. Dessa system kan överföra proteiner från en bakterie till en annan, vilket kan fungera som ett sätt för bakterier att kommunicera. Typ VI-system är mycket stora och innehåller upp till 21 proteiner, vars gener är sammansatta i ett helt kluster. Tretton av dem är de mest konservativa och ger uppenbarligen strukturen för sekretionsapparaten. Märkligt nog är system av typ VI strukturellt homologa med bakteriofagsvansar, så det har föreslagits att de utvecklats från inverterade fagsvansar som driver ut proteiner utåt snarare än att injicera dem i cellen . Förmodligen används system av typ VI också av patogener: under laboratorieförhållanden hittades de i patogena P. aeruginosa , V. cholerae och S. marcescens , men detaljerna i deras funktion är oklara [1] .
Gram-positiva bakterier har inget yttre membran, men har ett mycket tjockare lager av peptidoglykan än Gram-negativa bakterier . Dessutom har vissa grampositiva bakterier, såsom Mycobacterium , en lipidberikad cellvägg , varför den till och med kallas mykomembran . Av dessa skäl skiljer sig mekanismerna för proteinutsöndring i grampositiva bakterier signifikant från de hos gramnegativa bakterier. Sec- och Tat-vägarna finns dock i både grampositiva och gramnegativa bakterier [1] .
Många grampositiva bakterier har två proteiner, SecA1 och SecA2, istället för ett SecA-protein i Sec-systemet. Sådana bakterier inkluderar L. monocytogenes , Bacillus subtilis , Clostridium difficile , M. tuberculosis och Corynbacteria glutamicum . SecA1-proteinet är involverat i Sec-systemet och är livsviktigt, medan SecA2 endast behövs ibland och utsöndrar proteiner associerade med stressrespons, cellväggsmodifieringar, reparation och metabolism . Hos vissa bakterier bidrar det till virulens. SecA2-substrat utsöndras av SecYEG, även om möjligheten till interaktion av SecA2 med andra transportproteiner inte kan uteslutas. Vissa medlemmar av släktena Streptococcus och Staphylococcus har ett andra Sec-system som kallas aSec eller SecA2-SecY2. Dessa system inkluderar inte bara SecA2, utan också hjälpproteiner - SecY2, som spelar rollen som en kanal, och minst tre Sec-proteiner till. ASec-systemen utsöndrar vanligtvis stora, rikt glykosylerade proteiner associerade med cellväggen [1] .
Sortaser är enzymer som kovalent binder proteiner till cellväggen efter att de har passerat genom cellmembranet. Nästan alla grampositiva bakterier uttrycker många sortaser med olika specificiteter. Proteinbindning till cellväggen sker under en transpeptideringsreaktion katalyserad av sortaser. Sortase-målproteiner transporteras över membranet av proteiner från Sec-systemet [1] .
Injektosomer av grampositiva bakterier liknar funktionellt typ III och IV sekretionssystem i gramnegativa bakterier. Till exempel injicerar Streptococcus pyogenes minst en virulensfaktor, NAD + -glykohydrolas , i cytoplasman hos keratinocyter precis genom mekanismen för dessa system. I en eukaryot cell bryter NAD-glykohydrolas glykosidbindningen i NAD + , vilket resulterar i bildandet av nikotinamid och ADP-ribos , en viktig andra budbärare som kan störa cellsignalsvägar . Bildandet av en por i membranet av en eukaryot cell utförs av SLO-proteinet, som förutsöndras av Sec-systemet [1] .
Sekretionssystem av typ VII finns i bakterier vars cellväggar är mycket anrikade på lipider och kallas mykomembran, såsom arter av släktena Mycobacterium och Corynebacterium . Typ VII-system transporterar proteiner över cellmembranet och mykomembranet. Liknande system har identifierats i ett antal icke-mykomembranbakterier, såsom S. aureus , Bacillus anthracis och L. monocytogenes . De första systemen av typ VII hittades i M. tuberculosis och kallades ESX-system. Kärnkomponenterna i systemet - EccB, EccC, EccD, EccE och MycP - är membranproteiner som interagerar med peptidoglykan och cytosoliska proteiner såsom chaperones. EccA levererar förmodligen ström till systemet. Fyra Ecc-proteiner verkar bilda en kanal i cellmembranet. Mekanismerna för proteintransport över membranet är fortfarande okända [1] .
Däggdjurs medfödda immunitet har ett antal mekanismer för att känna igen bakteriella sekretionssystem och deras substrat . Till exempel kan närheten till bakteriella sekretionssystem fastställas genom närvaron av substanser av bakteriellt ursprung i cytosolen: peptidoglykan, flagellin, lipopolysackarid (LPS). De känns igen av cellulära receptorer som utlöser immunsvar. Till exempel känner Nod-liknande receptorer igen flagellin och LPS och utlöser signalkaskader som så småningom leder till produktion av inflammatoriska cytokiner . Immunsystemet kan till och med övervaka processen för translokation av bakteriella proteiner till den eukaryota cellen. Således kan makrofager fånga effekten av effektorproteinet YopE-system typ III av Yersinia på Rho GTPaser och utlösa ett immunsvar. Immunceller kan detektera inkorporering av porbildande bakterieproteiner i värdcellmembran. Till exempel, när S. pyogenes SLO-proteinet introduceras i membranet, aktiveras den Nod-liknande receptorn NLRP3 . Dessutom finns det bevis för att immunsystemet kan upptäcka komponenter i sekretionssystemen som sticker ut på ytan av bakteriecellen [1] .