Typ III-sekretionssystem ( eng. Type three secretion system , förkortning T3SS ), även typ III-sekretoriskt system eller injektosom (den så kallade molekylära sprutan ) - en av flera typer av bakteriella sekretionssystem , är ett proteinkomplex (ibland betraktad som som en organell ), som förekommer i vissa gramnegativa bakterier [1] .
Hos patogena bakterier används den nålliknande strukturen som en sensorisk sond för att upptäcka närvaron av celler från eukaryota organismer och frigöra proteiner som hjälper bakterierna att infektera dem. De utsöndrade effektorproteinerna går direkt från bakteriecellen till den eukaryota cellen (värdcellen) [2] , där de har ett antal effekter som hjälper patogenen att överleva och undvika ett immunsvar .
Termen typ III sekretionssystem introducerades 1993 [3] . Detta sekretionssystem skiljer sig från minst fem andra sekretionssystem som finns i gramnegativa bakterier. Många bakterier associerade med djur och växter har liknande T3SS. T3SSs data är liknande som ett resultat av divergerande evolution, och fylogenetiska analyser stödjer en modell där gramnegativa bakterier kan överföra den mobila T3SS-genkassetten horisontellt till andra arter. De mest studerade T3SS-arterna är de av Shigella (orsakar bacillär dysenteri ), Salmonella ( tyfoidfeber ), Escherichia coli ( tarmmikroflora , vissa stammar orsakar matförgiftning ), Vibrio ( gastroenterit och diarré ), Burkholderia ( safter ), Yersinia ( pest ) , Chlamydia ( chlamydia , STDs ), Pseudomonas (påverkar människor, djur och växter) och växtpatogenerna Erwinia , Ralstonia och Xanthomonas , samt växtsymbionten Rhizobium .
T3SS består av cirka 30 olika proteiner, vilket gör det till ett av de mest komplexa sekretionssystemen. Dess struktur liknar bakteriella flageller (långa, stela, extracellulära strukturer som används för motilitet). Några av proteinerna som är involverade i T3SS delar aminosyrasekvenshomologi med flagellära proteiner. Vissa bakterier som har T3SS har också flageller och är rörliga (som Salmonella ), medan vissa inte har det (som Shigella ). Tekniskt sett används typ III-sekretionssystemet för att rensa både infektionsassocierade proteiner och flagellära komponenter. Termen "utsöndringssystem av typ III" används dock främst i förhållande till den infektionsapparat. Den bakteriella flagellen delar en gemensam förfader med detta sekretoriska system [4] [5] .
T3SS är avgörande för patogeniciteten (förmågan att infektera) hos många patogena bakterier. Defekter i T3SS kan göra sådana bakterier icke-patogena. Det har föreslagits att vissa icke-invasiva stammar av gramnegativa bakterier förlorade T3SS eftersom ett sådant energiskt ofördelaktigt (dyrt) system inte användes [6] . Medan traditionella antibiotika har varit effektiva mot dessa bakterier tidigare, dyker det ständigt upp nya antibiotikaresistenta stammar. Att förstå hur T3SS fungerar och att utveckla läkemedel specifikt för detta system har varit ett viktigt mål för många forskargrupper runt om i världen sedan slutet av 1990-talet.
Typ III sekretionssystem | |
---|---|
| |
Identifierare | |
Symbol | T3SS |
TCDB | 1.B.22 |
OPM superfamilj | 348 |
OPM-protein | 5tcq |
Ett utmärkande drag för T3SS är den så kallade nålen [7] [8] (mer allmänt, Needle complex , förkortning NC ) eller T3SS- apparaten ( eng . T3SS apparatus , förkortning T3SA ); även kallad en injektosom när ATPase är inaktivt ((av); se nedan. Bakterieproteiner som ska utsöndras passerar från den bakteriella cytoplasman genom nålen direkt in i värdcellens cytoplasma . Tre membran separerar de två cytoplasman: det dubbla membranet (inre och yttre membran) av Gram-negativa bakterier och eukaryota Nålen tillåter smidig passage genom dessa mycket selektiva och nästan ogenomträngliga membran. En bakterie kan ha flera hundra nålkomplex fördelade över sina membranytor. Det har föreslagits att nålkomplexet är en universell egenskap hos alla patogena T3SS-bakterier [ 9] .
Början av nålkomplexet ligger i bakteriens cytoplasma, den korsar två membran och sticker ut från cellen. Ankaret av komplexet som ligger i membranet är basen (eller basalkroppen ) av T3SS. Den extracellulära delen är nålen. Den så kallade inre stången förbinder nålen med basen. Själva nålen, även om den är den största och mest synliga delen av T3SS, består av många enheter av ett enda protein. Därför är de flesta av de olika T3SS-proteinerna de som är en del av basen och de som utsöndras i värdcellen. Som nämnts ovan liknar nålkomplexet bakteriella flageller . Mer specifikt är basen av nålkomplexet strukturellt mycket lik flagellabaserna; Själva nålen är analog med flagellarkroken, strukturen som förbinder basen med flagellartråden [10] [11] .
Basen består av flera cirkulära ringar och är den första strukturen som byggs i det nya nålformade komplexet. När konstruktionen av basen är klar, fungerar den som en molekylär maskin för utsöndring av externa proteiner (d.v.s. en nål). Efter fullbordandet av hela komplexet går systemet över till att utsöndra proteiner som är avsedda för leverans till värdceller. Det antas att nålen är byggd nerifrån och upp; enheter av proteinmonomererna i nålhögen ovanpå varandra, så att enheten vid spetsen av nålen läggs sist. Nålsubenheten är ett av de minsta T3SS-proteinerna, som mäter cirka 9 kDa. Nålen består av 100-150 underenheter.
T3SS-nålen är ca 60–80 nm lång och 8 nm bred i den yttre delen. Nålen bör vara så kort som möjligt så att andra extracellulära bakteriestrukturer (t.ex. adhesiner och lipopolysackaridskikt ) inte stör sekretionen. Nålhålet har en diameter på 3 nm. De flesta av de vikta effektorproteinerna är för stora för att transporteras genom nålens öppning, så de flesta utsöndrade proteiner måste passera genom den ovikta nålen, en uppgift som utförs av ATPasen som ligger vid basen av strukturen [12] .
T3SS-proteiner kan grupperas i tre kategorier:
De flesta T3SS-gener finns i operoner . Dessa operoner är lokaliserade på nukleoider i vissa bakteriearter och på isolerade plasmider i andra arter. Salmonella har till exempel en kromosomregion där de flesta T3SS-gener är samlade, den så kallade Salmonella pathogenicity island ( engelska Salmonella pathogenicity island , förkortning SPI ). Shigella , å andra sidan, har en stor virulent plasmid som innehåller alla T3SS-gener. Många patogenicitetsöar och plasmider innehåller element som tillåter frekvent horisontell överföring av ö- eller plasmidgenen till en ny art.
Effektorproteinerna som ska utsöndras genom nålen måste kännas igen av systemet när de flyter i cytoplasman tillsammans med tusentals andra proteiner. Igenkänning utförs av en utsöndringssignal - en kort aminosyrasekvens belägen i början (N-terminalen) av proteinet (vanligtvis inkluderar den de första 20 aminosyrorna), som nålkomplexet kan känna igen. Till skillnad från andra utsöndringssystem spjälkas utsöndringssignalen från T3SS-proteiner aldrig från proteinet.
Nålens kontakt med värdcellen utlöser T3SS-aktivering [13] ; lite är känt om denna triggermekanism (se nedan). Sekretion kan också induceras genom att minska koncentrationen av kalciumjoner i odlingsmediet (för Yersinia och Pseudomonas ; kelatormolekyler som EDTA eller EGTA tillsätts) och genom att tillsätta det aromatiska färgämnet Kongorött till odlingsmediet (till exempel för Shigella) ). Dessa och andra metoder används i laboratorier för att artificiellt stimulera typ III-sekretionssystemet.
Induktion av utsöndring av externa signaler andra än kontakt med värdceller sker också in vivo i infekterade organismer. Bakterier känner av signaler som temperatur , pH , osmolaritet och syrekoncentration och använder dessa för att "bestämma" om de ska aktivera sin T3SS eller inte. Till exempel kan salmonella vara bättre i stånd att föröka sig och komma in i ileum , snarare än djurets blindtarm . Bakterier kan veta var de är på grund av de olika joner som finns i dessa regioner; ileum innehåller formiat- och acetatanjoner, medan blindtarmen inte gör det. Bakterier känner av dessa molekyler, avgör att de finns i ileum och aktiverar deras utsöndringsmekanism. Molekyler som finns i blindtarmen, som propionat och butyrat, har en negativ effekt på bakterier och hämmar utsöndringen. Kolesterol , som finns i de flesta eukaryota cellmembran, kan inducera sekretion i Shigella.
De externa signalerna som listas ovan reglerar utsöndringen direkt eller genom en genetisk mekanism. Flera transkriptionsfaktorer är kända för att reglera uttrycket av T3SS-gener. Några av de chaperoner som binder T3SS-effektorer fungerar också som transkriptionsfaktorer. En återkopplingsmekanism har föreslagits: när en bakterie inte utsöndrar binder dess effektorproteiner till chaperoner och flyter i cytoplasman. När utsöndringen börjar separeras chaperonerna från effektorerna, och de senare utsöndras och lämnar cellen. De ensamma chaperonerna fungerar sedan som transkriptionsfaktorer genom att binda till generna som kodar för deras effektorer och inducera deras transkription och därmed producera fler effektorer.
Strukturer som liknar 3SS-typ injektosomer har föreslagits in vivo som nitar av bakteriella gramnegativa yttre och inre membran som hjälper till att frigöra yttre membranvesiklar som är inriktade på att leverera bakteriella sekret till eukaryota värdceller eller andra målceller [14] .
T3SS-effektorer går in i nålkomplexet vid basen och passerar genom nålen in i värdcellen. Det exakta sättet på vilket effektorer kommer in i värdcellen är dåligt förstått. Det har tidigare föreslagits att nålen i sig är kapabel att tränga igenom ett hål i värdcellmembranet; denna teori har avfärdats. Det är nu klart att vissa effektorer, så kallade translokatorer , utsöndras först och producerar en por eller kanal ( translocon ) i värdcellens membran genom vilken andra effektorer kan komma in. Muterade bakterier som saknar translokatorer kan utsöndra proteiner men kan inte leverera dem till värdceller. I allmänhet inkluderar varje T3SS tre translokatorer. Vissa translokatorer har en dubbel roll; efter att de deltar i bildandet av porer, flyttar de in i cellen och fungerar som verkliga effektorer.
T3SS-effektorer manipulerar värdceller på flera sätt. Den mest slående effekten är stimuleringen av värdcellens upptag av bakterien. Många T3SS-besittande bakterier måste komma in i värdceller för att replikera och föröka sig. Effektorerna som de introducerar i värdcellen får värden att uppsluka bakterien och praktiskt taget "äta" den. För att få detta att hända, manipulerar bakteriella effektorer värdcellens aktinpolymerisationsmekanism . Aktin är en komponent i cytoskelettet och är också involverat i cellmotilitet och formförändringar. Genom sina T3SS-effektorer kan bakterien använda värdcellens eget maskineri till sin egen fördel. När en bakterie väl har kommit in i en cell kan den lättare utsöndra andra effektorer och ta sig in i närliggande celler och därigenom snabbt infektera hela vävnaden.
T3SS-effektorer har också visat sig påverka värdcellcykeln och vissa av dem kan inducera apoptos . En av de mest studerade T3SS-effektorerna är IpaB från Shigella flexneri . Den har en dubbel roll, både som en translokator, som skapar porer i värdcellmembranet, och som en effektor, som utövar många negativa effekter på värdcellen. Det har visats att IpaB inducerar apoptos i makrofager , celler i djurets immunsystem, efter att ha tagits upp av dem [15] . Senare visades IpaB uppnå detta genom att interagera med kaspas 1 , ett viktigt regulatoriskt protein i eukaryota celler [16] .
En annan välkarakteriserad klass av T3SS-effektorer är transkriptionsaktivatorliknande aktivatorer (TAL-effektorer) i Xanthomonas . När de introduceras i växtceller kan dessa proteiner komma in i växtcellens kärna, binda promotorsekvenser och aktivera transkriptionen av växtgener som hjälper till med bakterieinfektion [17] . Det har nyligen visat sig att TAL-effektor-DNA-igenkänning inkluderar en enkel kod [18] [19] , vilket avsevärt har förbättrat förståelsen för hur dessa proteiner kan förändra gentranskriptionen i värdväxtceller.
Sedan mitten av nittiotalet har hundratals artiklar publicerats om T3SS. Men många problem med systemet är fortfarande olösta:
Sedan början av 1990-talet har nya T3SS-proteiner hittats i olika bakteriearter i konstant hastighet. Förkortningar har getts oberoende för varje serie av proteiner i varje organism, och namnen avslöjar vanligtvis inte många av proteinets funktioner. Senare visades det att vissa proteiner som finns oberoende av varandra i olika bakterier är homologa; historiska namn har dock i stort sett överlevt, vilket kan leda till förvirring. Till exempel är proteinerna SicA, IpgC och SycD homologer från Salmonella , Shigella respektive Yersinia , men den sista bokstaven ("serienummer") i deras namn indikerar inte detta fenomen.
Följande är en sammanfattning av de vanligaste proteinserienamnen i flera T3SS-innehållande arter. Observera att dessa namn inkluderar proteiner som bildar T3SS-mekanismen såväl som utsöndrade effektorproteiner:
Dessa förkortningar följs av en bokstav eller siffra. Bokstäverna betecknar vanligtvis "serienumret", antingen den kronologiska upptäcktsordningen eller den fysiska ordningen i vilken genen uppträdde i operonet. Siffror, i ett mer sällsynt fall, indikerar proteinets molekylvikt i kDa. Exempel: IpaA, IpaB, IpaC; MxiH, MxiG, MxiM; Spa9, Spa47.
Flera nyckelelement förekommer i alla T3SS:er: nålmonomeren, nålens inre skaft, cirkulära proteiner, två translokatorer, nålspetsproteinet, ett linjärt protein (som tros bestämma nålens längd; se ovan) och ATPas, som tillför energi för utsöndring. Följande tabell listar några av dessa nyckelproteiner i fyra T3SS-innehållande bakterier:
↓ Funktioner / Kön → | Shigella | Salmonella | Yersinia | Escherichia |
---|---|---|---|---|
Nålmonomer | MxiH | Prgl | YscF | EscF |
Inre stav | MxiI | PrgJ | YscI | EscI |
Nålspetsprotein | iPad | SipD | LcrV | Espa |
Translokator | IpaB | SipB | YopB | EspD |
Translokator | IpaC | SipC | YopD | EspB |
Ledare av två translokatorer | IpgC | SicA | SycD | CesD |
ATPas | Spa47 | InvC | YscN | SepB (EscN) |
Linjärt protein | Spa32 | InvJ | YscP | Orf16 |
Växla | Spa40 | spa | YscU | Escu |
Portvakt | MxiC | InvE | YopN (TyeA) | SepL |
Isoleringen av stora, ömtåliga, hydrofoba membranstrukturer från celler har varit ett problem i många år. Men i slutet av 1990-talet hade flera metoder utvecklats för att isolera T3SS nålliknande komplex (NCs). 1998 isolerades de första NC från Salmonella typhimurium [27] .
Isolerade bakterier odlas i en stor volym flytande tillväxtmedium tills de når logfasen. Sedan centrifugeras de; supernatanten (mediet) dekanteras och pelleten (bakterierna) återsuspenderas i lysbuffert, vanligen innehållande lysozym och ibland detergenter , såsom LDAO eller Triton X-100 . En sådan buffert förstör cellväggen . Efter flera cykler av lysering och tvättning utsätts de exponerade bakterierna för en serie ultracentrifugeringar . Detta tillvägagångssätt ökar antalet stora makromolekylära strukturer och kasserar små cellulära komponenter. Dessutom utsätts det slutliga lysatet för ytterligare rening med användning av en CsCl-densitetsgradient.
Ett ytterligare tillvägagångssätt för ytterligare rening använder affinitetskromatografi . Rekombinanta T3SS-proteiner som bär en proteintagg (t.ex. en histidintagg ) erhålls genom molekylär kloning och introduceras (transformeras) sedan i bakterierna av intresse. Efter initial isolering av NC såsom beskrivits ovan, leds lysatet genom en kolonn belagd med partiklar med hög affinitet för markören (i fallet med histidinmarkörer: nickeljoner). Det märkta proteinet lagras i kolonnen och med det hela nålkomplexet. Höga grader av renhet kan uppnås med sådana metoder. Denna renhet är nödvändig för många av de känsliga analyser som har använts för att karakterisera NC.
Typ III effektorer har varit kända sedan början av 1990-talet, men hur de levereras till värdceller har varit ett fullständigt mysterium. Homologin mellan många flagellära proteiner och T3SS-proteiner fick forskare att misstänka existensen av en extern flagellliknande struktur av T3SS. Identifieringen och efterföljande isoleringen av strukturen av nålen gjorde det möjligt för forskare att:
Som med nästan alla proteiner är visualisering av T3SS NC endast möjlig med elektronmikroskopi . De första bilderna av NC (1998) visar nålstrukturer som sticker ut från cellväggen hos levande bakterier och platta, tvådimensionella isolerade NCs [27] . 2001 analyserades bilder av NC Shigella flexneri digitalt och medelvärdesbildades för att producera den första semi-3D NC-strukturen [7] . År 2003 erhölls en spiralformad struktur av NC från Shigella flexneri med en upplösning på 16 ångström genom röntgenfiberdiffraktion [28] , och en 17 ångström tredimensionell struktur av NC Salmonella typhimurium publicerades ett år senare [29] . Nya framsteg och tillvägagångssätt har gjort det möjligt att erhålla högupplösta 3D-bilder av NCs [30] [31] , vilket ytterligare belyser den komplexa strukturen hos NCs.
Många T3SS-proteiner har kristalliserats under de senaste åren. Dessa inkluderar NC-strukturproteiner, effektorer och chaperoner. Den första strukturen av nålkomplexmonomeren var NMR-strukturen för BsaL från " Burkholderia pseudomallei " och sedan kristallstrukturen av MixH från Shigella flexneri , som studerades 2006 [32] [33] .
Under 2012 avslöjade en kombination av rekombinant produktion av vildtypsnålkomplex, solid-state NMR-spektroskopi, elektronmikroskopi [34] och modellering av Rosetta-biopolymerer supramolekylära gränssnitt och, i slutändan, den fullständiga atomstrukturen av Salmonella typhimurium T3SS-nålen [35 ] . Prgl-subenheter med 80 aminosyrarester har visats bilda en högerhänt spiralformad knut med ungefär 11 subenheter per två varv av helixen, liknande flagellumet av Salmonella typhimurium . Modellen avslöjade också en utökad aminoterminal domän som är belägen på ytan av nålen, medan den mycket konserverade karboxiterminalen riktas in i lumen [35] .
Flera metoder har använts för att identifiera den mängd proteiner som utgör T3SS. Isolerade nålkomplex kan separeras med hjälp av gelelektrofores (SDS-PAGE). Band som uppträder efter färgning kan individuellt skäras ut från gelén och analyseras med hjälp av proteinsekvensering och masspektrometri. Strukturella komponenter i NC kan separeras från varandra (till exempel nåldelen från basdelen), och genom att analysera dessa fraktioner kan proteinerna som är involverade i var och en av dem bestämmas. Alternativt kan isolerade nålkomplex analyseras direkt med masspektrometri , utan föregående elektrofores , för att få en fullständig bild av NC -proteomet .
Flera föreningar har visat sig hämma T3SS i gramnegativa bakterier, inklusive guadinomin, som produceras naturligt av Streptomyces -arter [36] .