細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)

1、細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)細(xì)菌型分泌系統(tǒng)安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)預(yù)防獸醫(yī)學(xué) 11720695 楊驍細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)主要內(nèi)容一、型分泌系統(tǒng)的概述二、型分泌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成三、型分泌系統(tǒng)分泌機制四、型分泌系統(tǒng)與細(xì)菌致病性五、型分泌系統(tǒng)的特點 六、型分泌系統(tǒng)的展望細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)一、細(xì)菌分泌系統(tǒng)的概述細(xì)菌分泌系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn),是近年來細(xì)菌致病機制研究的重要進(jìn)展。致病菌為了在宿主體內(nèi)生存、 繁殖和擴散, 必須分泌一些蛋白性質(zhì)的毒力因子; 而一些非致病菌為了適應(yīng)其生活環(huán)境, 也向外分泌一些蛋白質(zhì)。細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)革蘭氏陰性細(xì)菌有許多分泌蛋白和外露蛋白, 雖然細(xì)菌分泌的這些蛋白功能各異,但系統(tǒng)發(fā)育和遺傳進(jìn)化分析表明,

2、 細(xì)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(rèn)為革蘭氏陰性菌的分泌系統(tǒng)有 5個類型, 即 V型,均由一些具有特殊功能的蛋白質(zhì)、 多肽組成。另外 ,第五種大分子分泌途徑和質(zhì)粒的接合轉(zhuǎn)移有關(guān)。IV型 細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)根據(jù)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(tǒng)是sec不依賴性的，、型是sec依賴性的。細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的型分泌系統(tǒng)主要存在于耶爾森氏菌 ( Yersinieae ) 、腸炎沙門氏菌 ( Salmonella enterica) 、志賀氏菌 ( Shigella)

3、 、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(xì)胞中， 被注入的細(xì)菌毒力蛋白在宿主細(xì)胞中刺激或干擾宿主細(xì)胞的代謝過程， 支配細(xì)菌與宿主細(xì)胞的相互作用， 從而引起諸如鼠疫、 傷寒、 痢疾等許多疾病。細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)細(xì)菌感染宿主細(xì)胞：鼠傷寒沙門氏菌（橙色）在宿主細(xì)胞中（藍(lán)色）建立感染 細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)病原菌為了生存和進(jìn)入真核宿主細(xì)胞，經(jīng)過長期進(jìn)化逐漸形成了入侵宿主細(xì)胞的特異性機制，其中最顯著的機制是細(xì)菌型分泌系統(tǒng) (T3SS) 。 T3SS可以將病原菌效應(yīng)蛋白直接注入宿主細(xì)胞中。最初T3SS只是在少數(shù)的致病菌中發(fā)現(xiàn)，后來在人類、動物甚至植物的

4、共生菌或益生菌中都有發(fā)現(xiàn)。細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)近幾年在 T3SS的結(jié)構(gòu)、裝配以及致病機理的研究上取得巨大的進(jìn)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(xì)胞器裝配和蛋白分泌有很大的幫助。細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)二、型分泌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成各種病原菌的 T3SS在透射電子顯微鏡下觀察都很相似，其結(jié)構(gòu)很像注射器，有人稱之為針頭復(fù)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)T3SS注射裝置的核心是一個針頭狀的復(fù)合物，由一個多環(huán)

5、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(xì)菌表面，基座中貫穿有圓柱狀的連接針頭和基座的桿。細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)不同分泌系統(tǒng)的基座環(huán)形級結(jié)構(gòu)有所不同，但都是由12到14個亞基構(gòu)成復(fù)合物，基座不僅可以幫助蛋白穿過細(xì)菌的內(nèi)膜和外膜，而且和周質(zhì)中的分泌結(jié)構(gòu)有密切的聯(lián)系。針頭狀突起是一個直的中空筒狀結(jié)構(gòu)，長約60nm，其內(nèi)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(jié)構(gòu)一 直延伸到針頭的頂端 。中心孔道非常小，折疊的蛋白要經(jīng)過伸展后才能從中通過。針頭結(jié)構(gòu)可以將細(xì)菌的效應(yīng)蛋白直接注入宿主細(xì)胞。細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)型分泌系統(tǒng)組成型分泌系統(tǒng)通常由3040 kbp大

6、小的基因編碼，以毒力島 ( Pathogenicity island )的形式存在于細(xì)菌的質(zhì)?；蛉旧w上。與基因組其他部分相比，該分泌系統(tǒng)基因的DNA G+ C含量較低，編碼型分泌系統(tǒng)的基因常常是成簇的。在致病菌中，型分泌系統(tǒng)基因簇通常位于染色體或質(zhì)粒上，常通過進(jìn)化而獲得。而在相關(guān)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。Psic A、Sicp 編碼型分泌系統(tǒng)細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)動、植物致病菌的型分泌系統(tǒng)有許多高度保守的主要結(jié)構(gòu)成分 ，由20種以上的蛋白質(zhì)組成，是所有已知蛋白分泌系統(tǒng)中最復(fù)雜的；在分泌中，不同的蛋白發(fā)揮各自的功能。型分泌系統(tǒng)的組分包括：分泌蛋白質(zhì)、伴侶蛋白

7、、分泌器蛋白和調(diào)節(jié)蛋白。T3SS模型圖細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)伴侶蛋白： 三型分泌系統(tǒng)分泌的蛋白。 需要小的、 通常是酸性、 位于細(xì)胞質(zhì)膜的附屬蛋白，特異結(jié)合和分泌蛋白結(jié)合發(fā)揮幫助分泌和分泌前的穩(wěn)定作用。在已發(fā)現(xiàn)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(diào)節(jié)蛋白： 包括 invF 、 FhilAiagB、phoPQ、 操縱子等若干蛋白，對三型分泌系統(tǒng)的基因表達(dá)發(fā)揮調(diào)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(xì)胞質(zhì)分泌到細(xì)胞外。分泌過程受謂節(jié)蛋白的調(diào)節(jié)。若細(xì)菌接

8、觸上皮細(xì)胞，可將一些分泌蛋白注入宿主細(xì)胞中。分泌蛋白的進(jìn)入，可促進(jìn)細(xì)菌侵入上皮細(xì)胞。如果缺失某個分泌器基因，常會導(dǎo)致分泌蛋白無法分泌到細(xì)胞外。細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)1) 內(nèi)膜轉(zhuǎn)運蛋白的Lcr D家族， 可形成一個中央通道； 2) 細(xì)胞質(zhì)ATP酶Ysc N家族，其同源性蛋白在已知的細(xì)菌、 真核、 古細(xì)菌三型分泌系統(tǒng)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 無的基因所占據(jù)；4) Ysc F、 Ysc l 、Ysc K ， Ysc L家族有完全的親水特性， 可能位于細(xì)胞質(zhì)；5 ) Yop N 及同源性蛋白位于細(xì)菌表面，在鈣離子存在條件下以及不接

9、觸真核細(xì)胞時，通道關(guān)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(tǒng)的分泌器蛋白有氨基酸同源性，可分為幾大類 ：細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)認(rèn)為T3SS和鞭毛系統(tǒng)同源，示意圖如下 細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)三、型分泌系統(tǒng)分泌機制及調(diào)控細(xì)菌的 型分泌系統(tǒng)是一步性分泌 , 是 sec不依賴性的所分泌的效應(yīng)蛋白不在胞漿間隙中停留 , 也不被切割 , 直接從胞質(zhì)輸送到細(xì)胞表面。型分泌系統(tǒng)的分泌信號長期以來被認(rèn)為是位于分泌蛋白的 N端的 1520個氨基酸。細(xì)菌III型分泌系統(tǒng) 型分泌系統(tǒng)可釋放幾種效應(yīng)蛋白 , 刺激宿主細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑 , 導(dǎo)致

10、一系列的細(xì)胞效應(yīng) 。細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)型分泌系統(tǒng)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(yīng)的伴侶分子結(jié)合等情況。其中與伴侶分子結(jié)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(jié)合分泌蛋白的轉(zhuǎn)運過程細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)另外 , 該系統(tǒng)通常在細(xì)菌與宿主細(xì)胞接觸之后啟動 , 并且分泌產(chǎn)物能夠注入細(xì)胞 , 從而影響宿主細(xì)胞的信號活動 , 以利于細(xì)菌的入侵。細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)細(xì)菌用特異的不同方法調(diào)節(jié) III型分泌的表達(dá)。調(diào)節(jié)發(fā)生在轉(zhuǎn)錄和翻譯后水平。調(diào)控轉(zhuǎn)錄調(diào)控由一個或幾個專一性的轉(zhuǎn)錄因子和全局調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的組分完成 ,

11、全局調(diào)控網(wǎng)絡(luò)控制 III型分泌組分對不同的環(huán)境刺激的表達(dá) ,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(xì)菌中 , III型基因的表達(dá)也由感應(yīng)分泌過程本身來控制。細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)分泌過程的翻譯后調(diào)控與系統(tǒng)中刺激這個調(diào)控的生理信號和與宿主因子的接觸有關(guān)。其中，T3SS注射裝置對分泌效應(yīng)蛋白的調(diào)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(jìn)入宿主細(xì)胞后形成效應(yīng)蛋白。分泌蛋白識別注射裝置的機制很復(fù)雜，需要多種信號肽、分子伴侶 ( 伴侶蛋白)和

12、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(xì)菌的胞質(zhì)中分泌到細(xì) 胞外。細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)四、型分泌系統(tǒng)與細(xì)菌致病性致病蛋白常類似于真核細(xì)胞因子 ,具有信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的作用 ,并且能干擾真核生物的信號途徑。修改細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)可導(dǎo)致宿主免疫反應(yīng)紊亂或細(xì)胞骨架重組織 ,為細(xì)菌定植建立亞細(xì)胞的生態(tài)環(huán)境。不同的病原菌能夠分泌不同的蛋白質(zhì) , 作用于不同的宿主細(xì)胞和分子，產(chǎn)生不同的疾病和癥狀 。細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)人們所知的對動物致病的效應(yīng)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

13、編碼裝置分泌有 8種: Avr A、SipA、SipC、SopB、SopD、SopE、SotP和 SspH1;SP-2系統(tǒng)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。細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)耶爾森氏菌有3種效應(yīng)蛋白干擾細(xì)胞骨架動力學(xué)，其中：YopH引起局部黏附部位幾種蛋白去磷酸化 , 從而導(dǎo)致這些復(fù)合物解離 , 引起細(xì)胞骨架重組。YopE可修飾巨噬細(xì)胞蛋白 ,破壞細(xì)胞的功能 , 使巨噬細(xì)胞不能夠吞噬和殺傷細(xì)菌;志賀氏菌屬利用 2個效應(yīng)蛋白作用于細(xì)胞骨架 , 使菌細(xì)胞進(jìn)入非吞噬細(xì)胞 , 如侵入大腸的黏膜上皮細(xì)胞并在其中繁殖 , 起

14、定居作用。細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)沙門氏菌屬 SP-1和 SP-2基因編碼的產(chǎn)物 , 可使宿主細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞因子 , 可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞凋亡 , 還可以促使在細(xì)菌表面裝配與宿主細(xì)胞相接觸的侵襲小體等附屬結(jié)構(gòu)。細(xì)菌III型分泌系統(tǒng)五、型分泌系統(tǒng)的特點大多數(shù)細(xì)菌只有一套 型分泌系統(tǒng) , 少數(shù)細(xì)菌，如鼠傷寒沙門氏菌則有 2套完全獨立的分泌系統(tǒng)在感染的不同階段發(fā)揮作用。一套系統(tǒng)分泌的蛋白參與對真核細(xì)胞的侵入 , 另一套則用于細(xì)菌侵入真核細(xì)胞后的生存。細(xì)菌III型分泌系統(tǒng) 該分泌系統(tǒng)是一種多成分分泌系統(tǒng) , 在革蘭氏陰性細(xì)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(zhì)通過細(xì)菌的內(nèi)外兩層膜; 細(xì)菌III型分泌系統(tǒng) 能夠把效應(yīng)分子直接從胞質(zhì)輸送到細(xì)胞表面; 溫度、鹽度等環(huán)境因素 , 可以誘導(dǎo)