细菌III型分泌系统

细菌Ⅲ型分泌系统安徽农业大学预防兽医学11720695杨骁主要内容一、Ⅲ型分泌系统的概述二、Ⅲ型分泌系统的结构和组成三、Ⅲ型分泌系统分泌机制四、Ⅲ型分泌系统与细菌致病性五、Ⅲ型分泌系统的特点六、Ⅲ型分泌系统的展望一、细菌分泌系统的概述细菌分泌系统的发现,是近年来细菌致病机制研究的重要进展。致病菌为了在宿主体内生存、繁殖和扩散,必须分泌一些蛋白性质的毒力因子;而一些非致病菌为了适应其生活环境,也向外分泌一些蛋白质。革兰氏阴性细菌有许多分泌蛋白和外露蛋白,虽然细菌分泌的这些蛋白功能各异,但系统发育和遗传进化分析表明,细菌是通过相对较少的几种分泌机制将这些蛋白分泌出去的。目前认为革兰氏阴性菌的分泌系统有5个类型,即Ι~V型,均由一些具有特殊功能的蛋白质、多肽组成。另外,第五种大分子分泌途径和质粒的接合转移有关。IV型根据是否依赖信号肽(signalsequence，sec)的特点，可将其分为sec依赖性和sec不依赖性两类。I、Ⅲ型分泌系统是sec不依赖性的，Ⅱ、Ⅳ型是sec依赖性的。现已发现的Ⅲ型分泌系统主要存在于耶尔森氏菌(Yersinieae)、肠炎沙门氏菌(Salmonellaenterica)、志贺氏菌(Shigella)、埃希氏大肠杆菌(Escherichiacoli)等；致病菌通过注射毒力因子到宿主细胞中，被注入的细菌毒力蛋白在宿主细胞中刺激或干扰宿主细胞的代谢过程，支配细菌与宿主细胞的相互作用，从而引起诸如鼠疫、伤寒、痢疾等许多疾病。细菌感染宿主细胞：鼠伤寒沙门氏菌（橙色）在宿主细胞中（蓝色）建立感染病原菌为了生存和进入真核宿主细胞，经过长期进化逐渐形成了入侵宿主细胞的特异性机制，其中最显著的机制是细菌Ⅲ型分泌系统(T3SS)。T3SS可以将病原菌效应蛋白直接注入宿主细胞中。最初T3SS只是在少数的致病菌中发现，后来在人类、动物甚至植物的共生菌或益生菌中都有发现。近几年在T3SS的结构、装配以及致病机理的研究上取得巨大的进展。研究T3SS的装配不仅有助于探索病原菌的致病机制，还对研究细胞器装配和蛋白分泌有很大的帮助。二、Ⅲ型分泌系统的结构和组成各种病原菌的T3SS在透射电子显微镜下观察都很相似，其结构很像注射器，有人称之为针头复合物(needlecomplex，NC)或“注射器”，目前已有了较为规范的新名词：T3SS注射装置(injectisome)。来自鼠伤寒沙门氏菌TS33电镜照片Ⅲ型分泌系统的结构T3SS注射装置的核心是一个针头状的复合物，由一个多环型基座和一个针头状突起组成，T3SS由多环型基座固定在细菌表面，基座中贯穿有圆柱状的连接针头和基座的杆。不同分泌系统的基座环形级结构有所不同，但都是由12到14个亚基构成复合物，基座不仅可以帮助蛋白穿过细菌的内膜和外膜，而且和周质中的分泌结构有密切的联系。针头状突起是一个直的中空筒状结构，长约60nm，其内部有专门输送分泌蛋白狭窄的的中心孔道(约2～3nm)，孔道从底部的环状结构一直延伸到针头的顶端。中心孔道非常小，折叠的蛋白要经过伸展后才能从中通过。针头结构可以将细菌的效应蛋白直接注入宿主细胞。Ⅲ型分泌系统组成Ⅲ型分泌系统通常由30～40kbp大小的基因编码，以毒力岛(Pathogenicityisland)的形式存在于细菌的质粒或染色体上。与基因组其他部分相比，该分泌系统基因的DNAG+C含量较低，编码Ⅲ型分泌系统的基因常常是成簇的。在致病菌中，Ⅲ型分泌系统基因簇通常位于染色体或质粒上，常通过进化而获得。而在相关的非致病菌株中大多缺乏这些致病区，但一般有相似或相同的相邻序列。PsicA、Sicp编码Ⅲ型分泌系统动、植物致病菌的Ⅲ型分泌系统有许多高度保守的主要结构成分，由20种以上的蛋白质组成，是所有已知蛋白分泌系统中最复杂的；在分泌中，不同的蛋白发挥各自的功能。Ⅲ型分泌系统的组分包括：分泌蛋白质、伴侣蛋白、分泌器蛋白和调节蛋白。T3SS模型图伴侣蛋白：三型分泌系统分泌的蛋白。需要小的、通常是酸性、位于细胞质膜的附属蛋白，特异结合和分泌蛋白结合发挥帮助分泌和分泌前的稳定作用。在已发现的俘侣蛋白中，SycE/YeaA,SycH作为YopE、YopH的分子伴侣、LetH／SycD作为YopB、YopD的分子伴侣调节蛋白：包括invF、FhilA—iagB、phoPQ、操纵子等若干蛋白，对三型分泌系统的基因表达发挥调节作用分泌蛋白可借助于分泌器形成的通道,在分子伴侣的帮助下,直接从细胞质分泌到细胞外。分泌过程受谓节蛋白的调节。若细菌接触上皮细胞，可将一些分泌蛋白注入宿主细胞中。分泌蛋白的进入，可促进细菌侵入上皮细胞。如果缺失某个分泌器基因，常会导致分泌蛋白无法分泌到细胞外。1)内膜转运蛋白的LcrD家族，可形成一个中央通道；2)细胞质ATP酶YscN家族，其同源性蛋白在已知的细菌、真核、古细菌三型分泌系统中均存在；3)YscO、YscP及同源蛋白这个位点被氨基酸同源性小或无的基因所占据；4)YscF、Yscl、YscK，YscL家族有完全的亲水特性，可能位于细胞质；5)YopN及同源性蛋白位于细菌表面，在钙离子存在条件下以及不接触真核细胞时，通道关闭；6)YscC家族及其同源性蛋白是形成通道使分泌蛋白穿过外膜；7)形成鞭毛的成分等。分泌器蛋白：不同三型分泌系统的分泌器蛋白有氨基酸同源性，可分为几大类：认为T3SS和鞭毛系统同源，示意图如下三、Ⅲ型分泌系统分泌机制及调控细菌的Ⅲ型分泌系统是一步性分泌,是sec不依赖性的所分泌的效应蛋白不在胞浆间隙中停留,也不被切割,直接从胞质输送到细胞表面。Ⅲ型分泌系统的分泌信号长期以来被认为是位于分泌蛋白的N端的15～20个氨基酸。Ⅲ型分泌系统可释放几种效应蛋白,刺激宿主细胞的信号转导途径,导致一系列的细胞效应。Ⅲ型分泌系统分泌蛋白的分泌信号不依赖于信号肽,而是通过其他途径。诸如mRNA的5’端、分泌蛋白的N端、分泌前分泌蛋白与相应的伴侣分子结合等情况。其中与伴侣分子结合则是确保分泌前的稳定性和有效分泌的主要环节。与分子伴侣结合分泌蛋白的转运过程另外,该系统通常在细菌与宿主细胞接触之后启动,并且分泌产物能够注入细胞,从而影响宿主细胞的信号活动,以利于细菌的入侵。细菌用特异的不同方法调节III型分泌的表达。调节发生在转录和翻译后水平。调控•转录调控由一个或几个专一性的转录因子和全局调控网络的组分完成,全局调控网络控制III型分泌组分对不同的环境刺激的表达,如温度、渗透压、氮源的获得、二价阳离子、pH和生长周期。在一些细菌中,III型基因的表达也由感应分泌过程本身来控制。分泌过程的翻译后调控与系统中刺激这个调控的生理信号和与宿主因子的接触有关。•其中，T3SS注射装置对分泌效应蛋白的调节具有一定的选择性。T3SS注射装置只允许少量的分泌蛋白通过。分泌蛋白必须正确识别和通过不同的注射装置。分泌蛋白首先识别注射装置的开口，然后开始伸展通过狭窄的注射装置口，进入宿主细胞后形成效应蛋白。•分泌蛋白识别注射装置的机制很复杂，需要多种信号肽、分子伴侣(伴侣蛋白)和辅助蛋白的帮助。在这些蛋白的帮助下分泌蛋白才能从直接从细菌的胞质中分泌到细胞外。四、Ⅲ型分泌系统与细菌致病性致病蛋白常类似于真核细胞因子,具有信号转导的作用,并且能干扰真核生物的信号途径。修改细胞信号转导可导致宿主免疫反应紊乱或细胞骨架重组织,为细菌定植建立亚细胞的生态环境。不同的病原菌能够分泌不同的蛋白质,作用于不同的宿主细胞和分子，产生不同的疾病和症状。人们所知的对动物致病的效应蛋白约20余种。其中6种由耶尔森氏菌属分泌,包括:YopE、YopH、YopM、YopJ/P、YopO/YopA和YopT;沙门氏菌属SPⅠ-1编码装置分泌有8种:AvrA、SipA、SipC、SopB、SopD、SopE、SotP和SspH1;SPⅠ-2系统分泌的有4种:ExoS、ExoT、ExoV和ExoY;志贺氏菌属分泌有2种:IpaA和IpaC。耶尔森氏菌有3种效应蛋白干扰细胞骨架动力学，其中：YopH引起局部黏附部位几种蛋白去磷酸化,从而导致这些复合物解离,引起细胞骨架重组。YopE可修饰巨噬细胞蛋白,破坏细胞的功能,使巨噬细胞不能够吞噬和杀伤细菌;志贺氏菌属利用2个效应蛋白作用于细胞骨架,使菌细胞进入非吞噬细胞,如侵入大肠的黏膜上皮细胞并在其中繁殖,起定居作用。沙门氏菌属SPⅠ-1和SPⅠ-2基因编码的产物,可使宿主细胞产生细胞因子,可诱导巨噬细胞凋亡,还可以促使在细菌表面装配与宿主细胞相接触的侵袭小体等附属结构。五、Ⅲ型分泌系统的特点大多数细菌只有一套Ⅲ型分泌系统,少数细菌，如鼠伤寒沙门氏菌则有2套完全独立的分泌系统在感染的不同阶段发挥作用。一套系统分泌的蛋白参与对真核细胞的侵入,另一套则用于细菌侵入真核细胞后的生存。⑴该分泌系统是一种多成分分泌系统,在革兰氏阴性细菌中高度保守;⑵其分泌蛋白不具有典型的分泌蛋白分泌依赖的sec模式的氨基酸末端序列;⑶分泌需要辅助蛋白;⑷分泌蛋白质通过细菌的内外两层膜;⑸能够把效应分子直接从胞质输送到细胞表面;⑹温度、盐度等环境因素,可以诱导分泌装置和效应分子的合成;⑺编码Ⅲ型分泌系统的许多成分基因与编码许多革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性细菌的鞭毛装置的基因有一定的同源性;⑻编码Ⅲ型分泌系统的基因可在细菌间传递。六、Ⅲ型分泌系统的展望对于Ⅲ型分泌系统的研究能更好地理解革兰氏阴性菌的致病性以及生物体的防御系统。从医学角度看,对其研究有利于发展新疫苗和抗微生物新药。Ⅲ型分泌可能为定向输送工程蛋白、影响细胞信号转导等提供有用的工具。希望老师批评指正