Бактериа́льные систе́мы секре́ции ( англ. Bacterial secretion systems ) — белковые комплексы , расположенные в клеточной мембране бактерий и служащие для секреции различных белков . В частности, их используют патогенные бактерии для выделения . На основании состава, структуры и действия системы секреции делят на несколько типов. Наиболее фундаментальные различия наблюдаются между системами секреции грамположительных и грамотрицательных бактерий. Существует по меньшей мере шесть типов систем секреции, специфичных для грамотрицательных бактерий, четыре типа систем секреции уникальны для грамположительных бактерий, а два типа систем секреции имеются у обеих групп бактерий .

Общие системы секреции

Системы секреции типов Sec и Tat присущи грамположительным и грамотрицательным бактериям, а также археям и эукариотам . Хотя системы Sec и Tat имеют некоторые общие компоненты, механизмы их работы фундаментально различаются. Обе системы предназначены для секреции через клеточную мембрану. У грамотрицательных бактерий белки, доставленные системами Sec или Tat в мембрану клетки или периплазматическое пространство (периплазму), могут быть выделены из клетки другими системами секреции .

Sec

Через систему Sec переносятся преимущественно неуложенные белки. Особые белки-переносчики связываются в цитоплазме с белками-мишенями, имеющими соответствующий сигнал секреции на N-конце . Он состоит из 20 аминокислотных остатков и содержит три участка: положительно заряженный N-конец, гидрофобный коровый участок и полярный C-конец . Белки-переносчики доставляют мишени к моторным белкам , которые проталкивают секретируемые белки наружу через канал SecYEG. У некоторых грамположительных бактерий имеются дополнительные белки системы Sec. Система Sec используется для выделения факторов вирулентности такими грамотрицательными патогенными бактериями, как Vibrio cholerae , Klebsiella pneumoniae и . Примером грамположительных бактерий, использующих систему Sec для выделения факторов вирулентности, могут служить Staphylococcus aureus и . Белки, предназначенные для выделения в периплазму или во внеклеточную среду, секретируются системой SecB. Белки, предназначенные для внутренней мембраны, выделяются системой SRP. Системы подтипов SecB и SRP распознают разные сигнальные последовательности .

SecB

Белки-мишени системы SecB имеют сигнальную последовательность, которая распознаётся белком SecB, плавающим в цитоплазме. Он функционирует как шаперон , препятствующий фолдингу белков-мишеней. SecB доставляет белки-мишени к белку SecA, который проталкивает их через канал SecYEG, используя для этого энергию гидролиза АТФ , который сам же и катализирует . Белки, которые должны выйти во внешнюю среду, выделяются наружу системами II или V типа .

SRP

Системы SRP доставляют белки-мишени в клеточную мембрану. Трансмембранные белки , которые и являются мишенями системы SRP, имеют гидрофобные участки и поэтому нестабильны в цитоплазме. Поэтому в пути SRP секреция белка происходит котрансляционно: синтезированный участок полипептидной цепи проталкивается в канал SecYEG, в то время как рибосома транслирует оставшуюся часть белка. Для этого механизма необходимы ( англ. signal recognition particle, SRP ). SRP связываются с трансмембранным участком белка, как только он выходит из рибосомы. Далее SRP взаимодействует с белком FtsY, который доставляет комплекс мРНК , рибосомы и частично синтезированного полипептида к каналу SecYEG. Далее постепенная секреция белка и трансляция его оставшейся части идут одновременно, и, наконец, белок заякоривается в клеточной мембране своим трансмембранным доменом .

Tat

В отличие от пути Sec, по пути Tat секретируются преимущественно уложенные белки. Как правило, к ним относятся белки, для функционирования которых необходимы специфические посттрансляционные модификации , которые можно получить только в цитозоле . В систему Tat входят три белка: TatA, TatB и TatC, причём первые два у грамположительных бактерий объединены в единый белок. У Escherichia coli сигнальный пептид белков, предназначенных для секреции, распознают белки TatB и TatC, а TatA формирует . Сигнальный пептид, распознаваемый белками Tat, представлен последовательностью серин - аргинин -аргинин на N-конце белка. У грамположительных бактерий система Tat обеспечивает выход белков во внеклеточную среду, а у грамотрицательных белки, прошедшие через Tat, либо остаются в периплазматическом пространстве, либо выходят из клетки через системы секреции II типа. Система Tat необходима для полной вирулентности некоторым патогенным бактериям, в числе которых Pseudomonas aeruginosa , и E. coli O157:H7 . У ряда патогенов, таких как P. aeruginosa , Legionella pneumophila и Mycobacterium tuberculosis , через систему Tat секретируется фосфолипаза C , которая разрушает фосфолипиды и задействована в подавлении активности иммунной системы .

Системы секреции грамотрицательных бактерий

У некоторых патогенных грамотрицательных бактерий существуют специальные системы секреции, которые выводят факторы вирулентности наружу, а иногда и в другие эукариотические или прокариотические клетки . Многие белки, которые переносятся через внешнюю мембрану грамотрицательных бактерий, попали в периплазму через пути Sec или Tat. Некоторые системы секреции представлены единым каналом, проходящим через две мембраны и периплазматическое пространство .

Системы секреции I типа

Система секреции I типа предполагает одношаговый перенос белка из цитозоля во внеклеточную среду посредством канала, проходящего через обе мембраны и периплазму. Каналы систем I типа очень близки к , которые выводят из клеток разнообразные малые молекулы , такие как антибиотики и токсины . У некоторых бактерий одновременно имеется несколько систем I типа, каждая из которых предназначена для секреции одного или нескольких белков. Белки, секретируемые системами I типа, очень разнообразны: среди них есть разрушающие ферменты , такие как протеазы и липазы , молекулы адгезии , гем -связывающие белки. В большинстве случаев белки-мишени имеют C-концевой сигнальный пептид, который не удаляется при секреции .

В типичном случае система секреции I типа организована следующим образом. В клеточной мембране находится ABC-транспортер, расщепляющий АТФ и добывающий энергию для переноса белка. Он взаимодействует с белком MPF, который переходит через периплазму и взаимодействует с белком OMF во внешней мембране. N-конец MPF свешивается в цитозоль и, как предполагают, участвует в распознавании сигнала. OMF формирует пору во внешней мембране, через которую и проходит белок .

Системы секреции I типа необходимы для вирулентности ряда патогенных бактерий, например, Vibrio cholerae и Serratia marcescens . Кроме того, посредством этой системы E. coli выводит наружу колицин V, а её уропатогенные штаммы с помощью системы I типа выводят гемолизин, разрушающий мембраны эукариотических клеток .

Системы секреции II типа

занимаются транспортом белков из периплазмы во внешнюю среду. Белки-мишени должны быть предварительно доставлены в периплазму системами Sec или Tat, кроме того, они должны нести подлежащие удалению N-концевые сигнальные пептиды, которые распознают системы Sec и Tat. Однако белки-мишени должны быть уложены в периплазме перед выведением через системы II типа. Системы II типа выводят из клетки белки с разными функциями, но большинство из них составляют ферменты: протеазы, липазы, фосфатазы , ферменты, действующие на углеводы . Система секреции II типа образована 15 белками. Комплекс во внешней мембране формирует мультимерный белок секретин. Его длинный N-конец взаимодействует с другими белками системы, локализованными в клеточной мембране. В клеточной мембране система секреции II типа представлена платформой из по меньшей мере 4 белков. В цитоплазме находится АТФаза, снабжающая систему энергией. Считается, что белки-субстраты проталкиваются через секретиновый комплекс особой белковой структурой — псевдопилем, который близок к пилям IV типа. Посредством системы секреции II типа V. cholerae выводит наружу холерный токсин , а P. aeruginosa — эндотоксин A. Ряд патогенов через системы II типа выводят наружу белки, помогающие им адаптироваться к окружающей среде. К таким патогенам относятся L. pneumophila , энтеротоксигенные и энтерогеморрагические штаммы E. coli (ETEC и EHEC), K. pneumoniae , Aeromonas hydrophila и .

Системы секреции III типа

Системы секреции III типа изучены очень подробно . Они обеспечивают секрецию разнообразных белков через обе мембраны и периплазму. В большинстве случаев системы секреции III типа доставляют субстраты прямо в эукариотическую клетку, то есть переносят белки сразу через три мембраны. Субстраты систем III типа называют эффекторными белками. Некоторые патогены, такие как и Yersinia , выделяют всего несколько эффекторных белков, а Shigella — несколько десятков. Белки-субстраты имеют N-концевой сигнальный пептид, не подлежащий удалению. Многие эффекторные белки перед секрецией взаимодействуют с шаперонами и секретируются неуложенными с затратой энергии АТФ .

Система секреции III типа включает 9 коровых белков, причём восемь из них родственны флагеллину , из которого состоит бактериальный жгутик . Помимо 9 коровых белков, в состав системы III типа входят от 10 до 20 дополнительных белков, некоторые из которых критически важны для работы системы. Белки систем III типа кодируются несколькими оперонами , которые находятся или на плазмидах , или в на бактериальной хромосоме . Системы III типа передаются между бактериями посредством горизонтального переноса генов и потому часто выявляются у неродственных видов .

Структурно в системе III типа можно выделить базальный комплекс, игольчатый компонент и транслокон. Базальный комплекс проходит через клеточную мембрану, периплазматическое пространство и внешнюю мембрану, формируя розетковидную структуру. Чаще всего базальный комплекс образуют по меньшей мере 15 белков. Из розетки выходит палочковидный филамент, называемый иглой. Игла обращена во внеклеточное пространство, полая внутри и имеет достаточный диаметр , чтобы через неё мог пройти неуложенный белок. На конце иглы находится специальный комплекс, который определяет близость эукариотической клетки и регулирует секрецию эффекторных белков. Этот же комплекс отвечает за вставку транслокона в мембрану эукариотической клетки. Транслокон содержит пору, через которую бактериальный белок проникает в эукариотическую клетку .

Системы III типа используются многими патогенами, например, Yersinia , Salmonella и Shigella . Посредством систем секреции этого типа выделяются компоненты жгутика. Родство флагеллина и белков системы III типа указывает на общность их происхождения .

Системы секреции IV типа

Эволюционно системы секреции IV типа близки к белковому аппарату конъюгации и осуществляют секрецию как одиночных белковых молекул, так и белковых комплексов и комплексов белков и ДНК . Белки-субстраты секретируются непосредственно в другую клетку — бактериальную (того же вида или другого вида) или эукариотическую. Так как системы IV типа могут переносить комплексы белков и ДНК, они могут быть задействованы в переносе ДНК при конъюгации, выделении ДНК или её поглощении, а также доставке эффекторных белков или комплексов белков с ДНК непосредственно в клетку-реципиента. С помощью системы IV типа Agrobacterium tumefaciens доставляет онкогенную в растительные клетки ; эту систему называют VirB/D. Белки VirB6-10 формируют канал, проходящий через клеточную и внешнюю мембраны, причём VirB4, VirB11 и VirD4 расположены в клеточной мембране и, будучи АТФазами , снабжают транспорт энергией. Внеклеточный пиль образован белками VirB2 и VirB5. Считается, что VirD4 играет роль «ворот» и не даёт попасть в канал нецелевым белкам. Роль пиля также неясна. Согласно одной гипотезе, он предназначен только для связи с клеткой-реципиентом, согласно другой — он играет непосредственную роль в переносе белка в клетку-реципиента .

Системы IV типа используются разнообразными патогенами человека: Neisseria gonorrhoeae , L. pneumophila , и Helicobacter pylori .

Системы секреции V типа

Компоненты системы секреции V типа уникальны тем, что они сами же и секретируются без участия вспомогательных белков-каналов. У них имеется структура типа β-бочонок , которая пронизывает внешнюю мембрану насквозь. Через неё наружу выходит остальная часть белка или другие белки. Белки системы V типа доставляются в периплазму системой Sec и потому несут соответствующий N-концевой сигнальный пептид, который удаляется в периплазме. Большинство субстратов систем V типа — факторы вирулентности. У N. gonorrhoeae таким образом транспортируется протеаза, разрушающая антитела ; у — белок, играющий роль молекулы адгезии, а у Y. enterocolitica — белок, способствующий работе системы секреции III типа .

Системы секреции VI типа

транспортируют белки преимущественно в бактериальные клетки, но иногда и в эукариотические. Эти системы могут передавать белки от одной бактерии к другой, что может служить средством общения бактерий. Системы VI типа очень крупные, содержат до 21 белка, гены которых собраны в целый кластер. Тринадцать из них наиболее консервативны и, видимо, обеспечивают структуру аппарата секреции. Любопытно, что системы VI типа структурно гомологичны хвостам бактериофагов , поэтому было высказано предположение, что они произошли от перевёрнутых хвостов фагов, которые выделяют белки наружу, а не впрыскивают внутрь клетки. Вероятно, системы VI типа используются и патогенами: в лабораторных условиях они обнаруживались у патогенных P. aeruginosa , V. cholerae и S. marcescens , однако детали их функционирования неясны .

Системы секреции грамположительных бактерий

У грамположительных бактерий нет внешней мембраны, зато имеется существенно более толстый, чем у грамотрицательных бактерий, слой пептидогликана . Кроме того, у некоторых грамположительных бактерий, таких как Mycobacterium , клеточная стенка обогащена липидами , из-за чего её даже называют микомембраной. По этим причинам механизмы секреции белков у грамположительных бактерий значительно отличаются от таковых у грамотрицательных бактерий. Однако пути Sec и Tat есть и у грамположительных, и у грамотрицательных бактерий .

SecA2

У многих грамположительных бактерий вместо одного белка SecA системы Sec имеется два белка — SecA1 и SecA2. К числу таких бактерий относятся L. monocytogenes , Bacillus subtilis , Clostridium difficile , M. tuberculosis и . Белок SecA1 участвует в системе Sec и жизненно необходим, а SecA2 нужен только иногда и секретирует белки, связанные со стрессовым ответом, модификациями клеточной стенки, репарацией и метаболизмом . У некоторых бактерий он вносит вклад в вирулентность. Субстраты SecA2 выделяются SecYEG, хотя нельзя исключать возможность взаимодействия SecA2 с другими транспортными белками. У некоторых представителей родов Streptococcus и Staphylococcus имеется вторая система Sec, которую называют aSec или SecA2-SecY2. В состав этих систем не только входит SecA2, но и вспомогательные белки — SecY2, играющий роль канала, и по меньшей мере ещё три белка Sec. Через системы aSec обычно секретируются крупные, обильно гликозилированные белки, связанные с клеточной стенкой .

Сортазы

Сортазами называют ферменты, которые ковалентно пришивают белки к клеточной стенке после того, как они пройдут клеточную мембрану. Практически все грамположительные бактерии экспрессируют множество сортаз с различной специфичностью. Связывание белка с клеточной стенкой происходит в ходе реакции транспептидации, катализируемой сортазами. Белки-мишени сортаз переносятся через мембрану белками системы Sec .

Инжектосомы

Инжектосомы грамположительных бактерий функционально аналогичны системам секреции III и IV типов у грамотрицательных бактерий. Например, Streptococcus pyogenes впрыскивает по меньшей мере один фактор вирулентности, , в цитоплазму кератиноцитов именно по механизму работы этих систем. В эукариотической клетке NAD-гликогидролаза разрушает гликозидную связь в NAD ⁺ , в результате чего образуются никотинамид и АДФ-рибоза — важный вторичный посредник , который может нарушить сигнальные пути клетки. Формирование поры в мембране эукариотической клетки осуществляет белок SLO, который предварительно секретируется системой Sec .

Системы секреции VII типа

Системы секреции VII типа обнаруживаются у бактерий, клеточные стенки которых сильно обогащены липидами и называются микомембранами, — например, у видов родов Mycobacterium и Corynebacterium . Системы VII типа осуществляют транспорт белков через клеточную мембрану и микомембрану. Похожие системы были идентифицированы у ряда бактерий, не имеющих микомембран, например, S. aureus , Bacillus anthracis и L. monocytogenes . Первые системы VII типа были обнаружены у M. tuberculosis и получили название ESX-систем. Коровые компоненты системы — EccB, EccC, EccD, EccE и MycP — являются мембранными белками , они взаимодействуют с пептидогликаном и цитозольными белками, например, шаперонами. EccA, вероятно, снабжает систему энергией. Четыре белка Ecc, по-видимому, формируют канал в клеточной мембране. Механизмы транспорта белков через мембрану всё ещё неизвестны .

Взаимодействие систем секреции и иммунной системы

Врождённый иммунитет млекопитающих располагает рядом механизмов для распознавания бактериальных систем секреции и их субстратов . Например, близость бактериальных систем секреции можно установить по наличию в цитозоле веществ бактериального происхождения: пептидогликана, флагеллина, липополисахарида (LPS). Они распознаются клеточными рецепторами , которые и запускают иммунные реакции. Например, Nod-подобные рецепторы распознают флагеллин и LPS и запускают сигнальные каскады, которые в конце концов приводят к образованию . Иммунная система может даже отслеживать процесс транслокации бактериальных белков в эукариотическую клетку. Так, макрофаги могут улавливать воздействие эффекторного белка YopE системы III типа Yersinia на ГТФазы Rho и запускают иммунный ответ. Иммунные клетки могут обнаруживать внедрение порообразующих бактериальных белков в мембраны клеток организма-хозяина. Например, когда белок SLO S. pyogenes внедряется в мембрану, происходит активация Nod-подобного рецептора NLRP3 . Кроме того, имеются сведения, что иммунная система умеет обнаруживать компоненты систем секреции, которые торчат на поверхности бактериальной клетки .

Примечания

Литература

• Кассимерис Л., Лингаппа В. Р., Плоппер Д. . Клетки по Льюину. — М. : Лаборатория знаний, 2016. — 1056 с. — ISBN 978-5-906828-23-1 .