細菌III型分泌系統

1、安徽農業(yè)大學預防獸醫(yī)學 11720695 楊驍一、型分泌系統的概述二、型分泌系統的結構和組成三、型分泌系統分泌機制四、型分泌系統與細菌致病性五、型分泌系統的特點 六、型分泌系統的展望細菌分泌系統的發(fā)現,是近年來細菌致病機制研究的重要進展。致病菌為了在宿主體內生存、 繁殖和擴散, 必須分泌一些蛋白性質的毒力因子; 而一些非致病菌為了適應其生活環(huán)境, 也向外分泌一些蛋白質。革蘭氏陰性細菌有許多分泌蛋白和外露蛋白, 雖然細菌分泌的這些蛋白功能各異,但系統發(fā)育和遺傳進化分析表明, 細菌是通過相對較少的幾種分泌機制將這些蛋白分泌出去的。目前認為革蘭氏陰性菌的分泌系統有 5個類型, 即 v型,均由一些具有

2、特殊功能的蛋白質、 多肽組成。另外 ,第五種大分子分泌途徑和質粒的接合轉移有關。iv型 根據是否依賴信號肽 ( signal sequence ，sec)的特點，可將其分為 sec依賴性和sec不依賴性 兩類。 i、型分泌系統是sec不依賴性的，、型是sec依賴性的?，F已發(fā)現的型分泌系統主要存在于耶爾森氏菌 ( yersinieae ) 、腸炎沙門氏菌 ( salmonella enterica) 、志賀氏菌 ( shigella) 、埃希氏大腸桿菌 ( escherichia coli )等； 致病菌通過注射毒力因子到宿主細胞中， 被注入的細菌毒力蛋白在宿主細胞中刺激或干擾宿主細胞的代謝過程

3、， 支配細菌與宿主細胞的相互作用， 從而引起諸如鼠疫、 傷寒、 痢疾等許多疾病。細菌感染宿主細胞：鼠傷寒沙門氏菌（橙色）在宿主細胞中（藍色）建立感染 病原菌為了生存和進入真核宿主細胞，經過長期進化逐漸形成了入侵宿主細胞的特異性機制，其中最顯著的機制是細菌型分泌系統 (t3ss) 。 t3ss可以將病原菌效應蛋白直接注入宿主細胞中。最初t3ss只是在少數的致病菌中發(fā)現，后來在人類、動物甚至植物的共生菌或益生菌中都有發(fā)現。近幾年在 t3ss的結構、裝配以及致病機理的研究上取得巨大的進展。研究t3ss的裝配不僅有助于探索病原菌的致病機制，還對研究細胞器裝配和蛋白分泌有很大的幫助。各種病原菌的 t3s

4、s在透射電子顯微鏡下觀察都很相似，其結構很像注射器，有人稱之為針頭復合物( needle complex，nc)或 “ 注射器” ，目前已有了較為規(guī)范的新名詞：t3ss注射裝置 (injectisome)。來自鼠傷寒沙門氏菌ts33電鏡照片型分泌系統的結構t3ss注射裝置的核心是一個針頭狀的復合物，由一個多環(huán)型基座和一個針頭狀 突起組成 ，t3ss由多環(huán)型基座固定在細菌表面，基座中貫穿有圓柱狀的連接針頭和基座的桿。不同分泌系統的基座環(huán)形級結構有所不同，但都是由12到14個亞基構成復合物，基座不僅可以幫助蛋白穿過細菌的內膜和外膜，而且和周質中的分泌結構有密切的聯系。針頭狀突起是一個直的中空筒狀結

5、構，長約60nm，其內部有專門輸送分泌蛋白狹窄的的中心孔道 (約23nm) ，孔道從底部的環(huán)狀結構一 直延伸到針頭的頂端 。中心孔道非常小，折疊的蛋白要經過伸展后才能從中通過。針頭結構可以將細菌的效應蛋白直接注入宿主細胞。型分泌系統通常由3040 kbp大小的基因編碼，以毒力島 ( pathogenicity island )的形式存在于細菌的質?；蛉旧w上。與基因組其他部分相比，該分泌系統基因的dna g+ c含量較低，編碼型分泌系統的基因常常是成簇的。在致病菌中，型分泌系統基因簇通常位于染色體或質粒上，常通過進化而獲得。而在相關的非致病菌株中大多缺乏這些致病區(qū)，但一般有相似或相同的相鄰序列

6、。psic a、sicp 編碼型分泌系統動、植物致病菌的型分泌系統有許多高度保守的主要結構成分 ，由20種以上的蛋白質組成，是所有已知蛋白分泌系統中最復雜的；在分泌中，不同的蛋白發(fā)揮各自的功能。型分泌系統的組分包括：分泌蛋白質、伴侶蛋白、分泌器蛋白和調節(jié)蛋白。t3ss模型圖伴侶蛋白： 三型分泌系統分泌的蛋白。 需要小的、 通常是酸性、 位于細胞質膜的附屬蛋白，特異結合和分泌蛋白結合發(fā)揮幫助分泌和分泌前的穩(wěn)定作用。在已發(fā)現的俘侶蛋白中，syc e/yea a, syc h作為yop e 、 yop h的分子伴侶、let hsyc d作為 yop b 、yop d的分子伴侶調節(jié)蛋白： 包括 inv

7、f 、 fhilaiagb、phopq、 操縱子等若干蛋白，對三型分泌系統的基因表達發(fā)揮調節(jié)作用 分泌蛋白可借助于分泌器形成的通道, 在分子伴侶的幫 助下,直接從細胞質分泌到細胞外。分泌過程受謂節(jié)蛋白的調節(jié)。若細菌接觸上皮細胞，可將一些分泌蛋白注入宿主細胞中。分泌蛋白的進入，可促進細菌侵入上皮細胞。如果缺失某個分泌器基因，常會導致分泌蛋白無法分泌到細胞外。1) 內膜轉運蛋白的lcr d家族， 可形成一個中央通道； 2) 細胞質atp酶ysc n家族，其同源性蛋白在已知的細菌、 真核、 古細菌三型分泌系統中均存在； 3) ysc o、 ysc p及同源蛋白這個位點被氨基酸同源性小或 無的基因所占

8、據；4) ysc f、 ysc l 、ysc k ， ysc l家族有完全的親水特性， 可能位于細胞質；5 ) yop n 及同源性蛋白位于細菌表面，在鈣離子存在條件下以及不接觸真核細胞時，通道關閉；6) ysc c家族及其同源性蛋白是形成通道使分泌蛋白穿過外膜；7)形成鞭毛的成分等。 分泌器蛋白：不同三型分泌系統的分泌器蛋白有氨基酸同源性，可分為幾大類 ：認為t3ss和鞭毛系統同源，示意圖如下 細菌的 型分泌系統是一步性分泌 , 是 sec不依賴性的所分泌的效應蛋白不在胞漿間隙中停留 , 也不被切割 , 直接從胞質輸送到細胞表面。型分泌系統的分泌信號長期以來被認為是位于分泌蛋白的 n端的 1

9、520個氨基酸。 型分泌系統可釋放幾種效應蛋白 , 刺激宿主細胞的信號轉導途徑 , 導致一系列的細胞效應 。型分泌系統分泌蛋白的分泌信號不依賴于信號肽 , 而是通過其他途徑。諸如 mrna的 5端、分泌蛋白的 n端、分泌前分泌蛋白與相應的伴侶分子結合等情況。其中與伴侶分子結合則是確保分泌前的穩(wěn)定性和有效分泌的主要環(huán)節(jié)。與分子伴侶結合分泌蛋白的轉運過程另外 , 該系統通常在細菌與宿主細胞接觸之后啟動 , 并且分泌產物能夠注入細胞 , 從而影響宿主細胞的信號活動 , 以利于細菌的入侵。細菌用特異的不同方法調節(jié) iii型分泌的表達。調節(jié)發(fā)生在轉錄和翻譯后水平。調控轉錄調控由一個或幾個專一性的轉錄因子

10、和全局調控網絡的組分完成 ,全局調控網絡控制 iii型分泌組分對不同的環(huán)境刺激的表達 ,如溫度、 滲透壓、 氮源的獲得、 二價陽離子、 ph和生長周期。在一些細菌中 , iii型基因的表達也由感應分泌過程本身來控制。分泌過程的翻譯后調控與系統中刺激這個調控的生理信號和與宿主因子的接觸有關。其中，t3ss注射裝置對分泌效應蛋白的調節(jié)具有一定的選擇性。t3ss注射裝置只允許少量的分泌蛋白通過。分泌蛋白必須 正確識別和通過不同的注射裝置。分泌蛋白首先識別 注射裝置的開口，然后開始伸展通過狹窄的注射裝置口，進入宿主細胞后形成效應蛋白。分泌蛋白識別注射裝置的機制很復雜，需要多種信號肽、分子伴侶 ( 伴侶

11、蛋白)和輔助蛋白的幫助。在這些蛋白的幫助 下分泌蛋白才能從直接從細菌的胞質中分泌到細 胞外。致病蛋白常類似于真核細胞因子 ,具有信號轉導的作用 ,并且能干擾真核生物的信號途徑。修改細胞信號轉導可導致宿主免疫反應紊亂或細胞骨架重組織 ,為細菌定植建立亞細胞的生態(tài)環(huán)境。不同的病原菌能夠分泌不同的蛋白質 , 作用于不同的宿主細胞和分子，產生不同的疾病和癥狀 。人們所知的對動物致病的效應蛋白約 20余種。其中6種由耶爾森氏菌屬分泌 , 包括: yope、yoph、yopm、yopj /p、yopo /yopa和 yopt; 沙門氏菌屬 sp-1編碼裝置分泌有 8種: avr a、sipa、sipc、s

12、opb、sopd、sope、sotp和 ssph1;sp-2系統分泌的有 4種: exos、exot、exov和 exoy; 志賀氏菌屬分泌有 2種: i paa和 i pac。耶爾森氏菌有3種效應蛋白干擾細胞骨架動力學，其中：yoph引起局部黏附部位幾種蛋白去磷酸化 , 從而導致這些復合物解離 , 引起細胞骨架重組。yope可修飾巨噬細胞蛋白 ,破壞細胞的功能 , 使巨噬細胞不能夠吞噬和殺傷細菌;志賀氏菌屬利用 2個效應蛋白作用于細胞骨架 , 使菌細胞進入非吞噬細胞 , 如侵入大腸的黏膜上皮細胞并在其中繁殖 , 起定居作用。沙門氏菌屬 sp-1和 sp-2基因編碼的產物 , 可使宿主細胞產生細胞因子 , 可誘導巨噬細胞凋亡 , 還可以促使在細菌表面裝配與宿主細胞相接觸的侵襲小體等附屬結構。大多數細菌只有一套 型分泌系統 , 少數細菌，如鼠傷寒沙門氏菌則有 2套完全獨立的分泌系統在感染的不同階段發(fā)揮作用。一套系統分泌的蛋白參與對真核細胞的侵入 , 另一套則用于細菌侵入真核細胞后的生存。 該分泌系統是一種多成分分泌系統 , 在革蘭氏陰性細菌中高度保守; 其分泌蛋白不具有典型的分泌蛋白分泌依賴的 sec模式的氨基酸末端序列; 分泌需要輔助蛋白; 分泌蛋白質通過細菌的內外兩層膜; 能夠把效應分子直接從胞質輸送到細胞表面; 溫度、鹽度等環(huán)