stringtranslate.com

Секреция

Секреция — это перемещение материала из одной точки в другую, например, секретируемого химического вещества из клетки или железы . Напротив, экскреция — это удаление определенных веществ или отходов из клетки или организма. Классический механизм клеточной секреции осуществляется через секреторные порталы на плазматической мембране, называемые поросомами . [1] Поросомы — это постоянные чашеобразные липопротеиновые структуры, встроенные в клеточную мембрану, где секреторные пузырьки временно стыкуются и сливаются, чтобы высвободить внутрипузырьковое содержимое из клетки.

Секреция у видов бактерий означает транспорт или транслокацию эффекторных молекул. Например: белков , ферментов или токсинов (таких как холерный токсин у патогенных бактерий, например , Vibrio cholerae ) из внутренней части ( цитоплазмы или цитозоля ) бактериальной клетки наружу. Секреция является очень важным механизмом в функционировании бактерий и их работе в естественной окружающей среде для адаптации и выживания.

В эукариотических клетках

Поросома

Механизм

Эукариотические клетки , включая клетки человека , имеют высокоразвитый процесс секреции. Белки, предназначенные для внешней среды, синтезируются рибосомами , пристыкованными к шероховатой эндоплазматической сети (ЭР). По мере синтеза эти белки перемещаются в просвет ЭР , где они гликозилируются и где молекулярные шапероны помогают сворачиванию белков . Неправильно свернутые белки обычно идентифицируются здесь и ретротранслоцируются посредством ЭР-ассоциированной деградации в цитозоль , где они разрушаются протеасомой . Везикулы, содержащие правильно свернутые белки, затем попадают в аппарат Гольджи .

В аппарате Гольджи гликозилирование белков модифицируется, и могут происходить дальнейшие посттрансляционные модификации , включая расщепление и функционализацию. Затем белки перемещаются в секреторные пузырьки, которые перемещаются вдоль цитоскелета к краю клетки. Дополнительные модификации могут происходить в секреторных пузырьках (например, инсулин отщепляется от проинсулина в секреторных пузырьках).

В конце концов, происходит слияние везикул с клеточной мембраной в поросомах посредством процесса, называемого экзоцитозом , в результате чего их содержимое выбрасывается из среды клетки. [2]

Строгий биохимический контроль этой последовательности поддерживается с помощью градиента pH : pH цитозоля составляет 7,4, pH ЭР составляет 7,0, а pH цис-гольджи составляет 6,5. Секреторные везикулы имеют pH в диапазоне от 5,0 до 6,0; некоторые секреторные везикулы эволюционируют в лизосомы , которые имеют pH 4,8.

Неклассическая секреция

Существует много белков, таких как FGF1 (aFGF), FGF2 (bFGF), интерлейкин-1 (IL1) и т. д., которые не имеют сигнальной последовательности. Они не используют классический путь ER-Golgi. Они секретируются через различные неклассические пути.

Описано по крайней мере четыре неклассических (нетрадиционных) пути секреции белка. [3] Они включают в себя:

Кроме того, белки могут высвобождаться из клеток при механическом или физиологическом повреждении [4] и через нелетальные, транзиторные онкотические поры в плазматической мембране, образованные при промывании клеток бессывороточными средами или буферами. [5]

В тканях человека

Многие типы клеток человека обладают способностью быть секреторными клетками. У них хорошо развит эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи для выполнения этой функции. К тканям, которые вырабатывают секрецию, относятся желудочно-кишечный тракт , который выделяет пищеварительные ферменты и желудочную кислоту , легкие, которые выделяют поверхностно-активные вещества , и сальные железы , которые выделяют кожное сало для смазки кожи и волос. Мейбомиевы железы в веке выделяют мейбум для смазки и защиты глаза.

У грамотрицательных бактерий

Секреция не является уникальной для эукариот – она также присутствует у бактерий и архей. Транспортеры типа АТФ-связывающей кассеты (ABC) являются общими для трех доменов жизни. Некоторые секретируемые белки транслоцируются через цитоплазматическую мембрану с помощью транслокона SecYEG , одной из двух систем транслокации, которая требует наличия N-концевого сигнального пептида на секретируемом белке. Другие транслоцируются через цитоплазматическую мембрану с помощью пути транслокации двойного аргинина (Tat). Грамотрицательные бактерии имеют две мембраны, что делает секрецию топологически более сложной. У грамотрицательных бактерий существует по крайней мере шесть специализированных систем секреции. [6]

Система секреции I типа (T1SS или TOSS)

Секреция типа I — это система секреции, зависящая от шаперона, использующая кластеры генов Hly и Tol. Процесс начинается с того, что лидерная последовательность на секретируемом белке распознается HlyA и связывается с HlyB на мембране. Эта сигнальная последовательность чрезвычайно специфична для транспортера ABC. Комплекс HlyAB стимулирует HlyD, который начинает раскручиваться и достигает внешней мембраны, где TolC распознает терминальную молекулу или сигнал на HlyD. HlyD привлекает TolC к внутренней мембране, а HlyA выводится за пределы внешней мембраны через длинный туннельный белковый канал.

Система секреции типа I переносит различные молекулы, от ионов, лекарств до белков различных размеров (20–900 кДа). Молекулы, секретируемые в клетки, различаются по размеру от небольшого пептида Escherichia coli колицина V (10 кДа) до белка адгезии клеток Pseudomonas fluorescens LapA массой 520 кДа. [7] Лучше всего охарактеризованы токсины RTX и липазы. Секреция типа I также участвует в экспорте небелковых субстратов, таких как циклические β-глюканы и полисахариды.

Система секреции II типа (T2SS)

Белки, секретируемые через систему типа II, или главную конечную ветвь общего секреторного пути, зависят от системы Sec или Tat для первоначального транспорта в периплазму . Оказавшись там, они проходят через внешнюю мембрану через мультимерный (12–14 субъединиц) комплекс белков секретина, формирующих поры. В дополнение к белку секретина, 10–15 других внутренних и внешних мембранных белков составляют полный аппарат секреции, многие из которых имеют пока неизвестную функцию. Грамотрицательные пили типа IV используют модифицированную версию системы типа II для своего биогенеза, и в некоторых случаях определенные белки являются общими для комплекса пилей и системы типа II в пределах одного вида бактерий.

Система секреции III типа (T3SS или TTSS)

Он гомологичен базальному тельцу в бактериальных жгутиках. Он похож на молекулярный шприц, через который бактерия (например, некоторые типы Salmonella , Shigella , Yersinia , Vibrio ) может вводить белки в эукариотические клетки. Низкая концентрация Ca 2+ в цитозоле открывает ворота, которые регулируют T3SS. Один из таких механизмов обнаружения низкой концентрации кальция был проиллюстрирован антигеном lcrV (Low Calcium Response), используемым Yersinia pestis , который используется для обнаружения низких концентраций кальция и вызывает присоединение T3SS. Система Hrp в патогенах растений вводит гарпины и эффекторные белки патогенов через аналогичные механизмы в растения. Эта система секреции была впервые обнаружена в Yersinia pestis и показала, что токсины могут быть введены непосредственно из бактериальной цитоплазмы в цитоплазму клеток ее хозяина, а не просто секретироваться во внеклеточную среду. [8]

Система секреции IV типа (T4SS или TFSS)

Он гомологичен конъюгативному аппарату бактерий, конъюгативным пилям . Он способен транспортировать как ДНК, так и белки. Он был обнаружен в Agrobacterium tumefaciens , который использует эту систему для введения части T-ДНК плазмиды Ti в растение-хозяина, что, в свою очередь, заставляет пораженную область развиваться в корончатый галл (опухоль). Helicobacter pylori использует систему секреции типа IV для доставки CagA в эпителиальные клетки желудка, что связано с канцерогенезом желудка. [9] Bordetella pertussis , возбудитель коклюша, секретирует токсин коклюша частично через систему типа IV. Legionella pneumophila , возбудитель легионеллеза (болезни легионеров), использует систему секреции типа IVB, известную как система icm/dot ( внутриклеточное размножение / дефект в генах органелльного трафика), для транслокации многочисленных эффекторных белков в своего эукариотического хозяина. [10] Прототипическая система секреции типа IVA представляет собой комплекс VirB Agrobacterium tumefaciens . [ 11]

Белки-члены этого семейства являются компонентами системы секреции типа IV. Они опосредуют внутриклеточный перенос макромолекул посредством механизма , родственного бактериальным конъюгационным аппаратам. [12] [13]

Функция

Система секреции типа IV (T4SS) является общим механизмом, посредством которого бактериальные клетки секретируют или поглощают макромолекулы. Их точный механизм остается неизвестным. T4SS кодируется в грамотрицательных конъюгативных элементах бактерий . T4SS представляют собой комплексы, охватывающие клеточную оболочку, или, другими словами, 11–13 основных белков, которые образуют канал, по которому ДНК и белки могут перемещаться из цитоплазмы донорской клетки в цитоплазму реципиентной клетки. T4SS также секретируют белки факторов вирулентности непосредственно в клетки-хозяева, а также поглощают ДНК из среды во время естественной трансформации . [14]

Структура

Как показано на рисунке выше, TraC, в частности, состоит из трехспирального пучка и свободного шаровидного отростка. [13]

Взаимодействия

T4SS имеет два эффекторных белка: во-первых, ATS-1, что означает транслоцированный субстрат 1 Anaplasma, и, во-вторых, AnkA , что означает белок A, содержащий домен анкиринового повтора. Кроме того, связывающие белки T4SS — это VirD4, которые связываются с VirE2. [15]

Система секреции V типа (T5SS)

Также называемая системой аутотранспортера, [16] секреция типа V включает использование системы Sec для пересечения внутренней мембраны. Белки, которые используют этот путь, обладают способностью образовывать бета-бочку со своим C-концом, который вставляется во внешнюю мембрану, позволяя остальной части пептида (пассажирскому домену) достигать внешней части клетки. Часто аутотранспортеры расщепляются, оставляя домен бета-бочки во внешней мембране и освобождая пассажирский домен. Некоторые исследователи полагают, что остатки аутотранспортеров дали начало поринам, которые образуют похожие структуры бета-бочки. [ необходима цитата ] Распространенным примером аутотранспортера, который использует эту систему секреции, являются тримерные аутотранспортерные адгезины . [17]

Система секреции VI типа (T6SS)

Системы секреции типа VI были первоначально идентифицированы в 2006 году группой Джона Мекаланоса из Гарвардской медицинской школы (Бостон, США) у двух бактериальных патогенов, Vibrio cholerae и Pseudomonas aeruginosa . [18] [19] Они были идентифицированы, когда мутации в генах Hcp и VrgG у Vibrio cholerae привели к снижению вирулентности и патогенности. С тех пор системы секреции типа VI были обнаружены в четверти всех протеобактериальных геномов, включая животных, растения, патогены человека, а также почвенные, экологические или морские бактерии. [20] [21] В то время как большинство ранних исследований секреции типа VI были сосредоточены на ее роли в патогенезе высших организмов, более поздние исследования предположили более широкую физиологическую роль в защите от простых эукариотических хищников и ее роль во взаимодействиях между бактериями. [22] [23] Генные кластеры системы секреции типа VI содержат от 15 до более чем 20 генов, два из которых, Hcp и VgrG, как было показано, являются почти универсальными секретируемыми субстратами системы. Структурный анализ этих и других белков в этой системе имеет поразительное сходство с хвостовым шипом фага T4, и активность системы, как полагают, функционально напоминает фаговую инфекцию. [24]

Высвобождение везикул внешней мембраны

В дополнение к использованию мультипротеиновых комплексов, перечисленных выше, грамотрицательные бактерии обладают другим методом высвобождения материала: образованием бактериальных везикул внешней мембраны . [25] Части внешней мембраны отщепляются, образуя наномасштабные сферические структуры, состоящие из липополисахаридного липидного бислоя, окружающего периплазматические материалы, и используются для перемещения мембранных везикул с целью манипулирования окружающей средой или вторжения в интерфейс хозяин-патоген . Было обнаружено, что везикулы из ряда видов бактерий содержат факторы вирулентности, некоторые обладают иммуномодулирующим действием, а некоторые могут напрямую прилипать к клеткам хозяина и отравлять их. Было продемонстрировано, что высвобождение везикул является общей реакцией на стрессовые условия, процесс загрузки грузовых белков, по-видимому, является избирательным. [26]

У грамположительных бактерий

У некоторых видов стафилококков и стрептококков дополнительная секреторная система управляет экспортом высокоповторяющихся адгезионных гликопротеинов.

Смотрите также

Ссылки

[27]

  1. ^ Lee JS, Jeremic A, Shin L, Cho WJ, Chen X, Jena BP (июль 2012 г.). «Протеом нейрональной поросомы: молекулярная динамика и архитектура». Журнал протеомики . 75 (13): 3952–62. doi :10.1016/j.jprot.2012.05.017. PMC  4580231 . PMID  22659300.
  2. ^ Андерсон Л. Л. (2006). «Открытие «поросомы»; универсального секреторного аппарата в клетках». Журнал клеточной и молекулярной медицины . 10 (1): 126–31. doi :10.1111/j.1582-4934.2006.tb00294.x. PMC 3933105. PMID  16563225. 
  3. ^ Никель В., Зеедорф М. (2008). «Нетрадиционные механизмы транспорта белков на поверхность эукариотических клеток». Annual Review of Cell and Developmental Biology . 24 : 287–308. doi : 10.1146/annurev.cellbio.24.110707.175320. PMID  18590485.
  4. ^ McNeil PL, Steinhardt RA (2003). «Разрушение плазматической мембраны: восстановление, профилактика, адаптация». Annual Review of Cell and Developmental Biology . 19 : 697–731. doi :10.1146/annurev.cellbio.19.111301.140101. PMID  14570587.
  5. ^ Chirico WJ (октябрь 2011 г.). «Выделение белка через нелетальные онкотические поры как альтернативный неклассический секреторный путь». BMC Cell Biology . 12 : 46. doi : 10.1186/1471-2121-12-46 . PMC 3217904. PMID  22008609 . 
  6. ^ Wooldridge, K, ред. (2009). Бактериальные секретируемые белки: секреторные механизмы и роль в патогенезе . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-42-4.[ нужна страница ]
  7. ^ Boyd CD, Smith TJ, El-Kirat-Chatel S, Newell PD, Dufrêne YF, O'Toole GA (август 2014 г.). «Структурные особенности адгезина биопленки Pseudomonas fluorescens LapA, необходимого для LapG-зависимого расщепления, образования биопленки и локализации на поверхности клетки». Journal of Bacteriology . 196 (15): 2775–88. doi :10.1128/JB.01629-14. PMC 4135675 . PMID  24837291. 
  8. ^ Salyers, AA & Whitt, DD (2002). Бактериальный патогенез: молекулярный подход , 2-е изд., Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press. ISBN 1-55581-171-X [ нужна страница ] 
  9. ^ Хатакеяма М., Хигаси Х. (декабрь 2005 г.). «Helicobacter pylori CagA: новая парадигма бактериального канцерогенеза». Cancer Science . 96 (12): 835–43. doi : 10.1111/j.1349-7006.2005.00130.x . PMC 11159386 . PMID  16367902. S2CID  5721063. 
  10. ^ Cascales E, Christie PJ (ноябрь 2003 г.). «Универсальные бактериальные системы секреции типа IV». Nature Reviews. Microbiology . 1 (2): 137–49. doi :10.1038/nrmicro753. PMC 3873781. PMID  15035043 . 
  11. ^ Christie PJ, Atmakuri K, Krishnamoorthy V, Jakubowski S, Cascales E (2005). «Биогенез, архитектура и функция систем секреции бактериального типа IV». Annual Review of Microbiology . 59 : 451–85. doi :10.1146/annurev.micro.58.030603.123630. PMC 3872966. PMID  16153176 . 
  12. ^ Christie PJ (ноябрь 2004 г.). «Секреция типа IV: Agrobacterium VirB/D4 и связанные с ней системы конъюгации». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research . 1694 (1–3): 219–34. doi :10.1016/j.bbamcr.2004.02.013. PMC 4845649. PMID  15546668 . 
  13. ^ ab Yeo HJ, Yuan Q, Beck MR, Baron C, Waksman G (декабрь 2003 г.). «Структурная и функциональная характеристика белка VirB5 из системы секреции типа IV, кодируемой конъюгативной плазмидой pKM101». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (26): 15947–52. Bibcode : 2003PNAS..10015947Y. doi : 10.1073/pnas.2535211100 . JSTOR  3149111. PMC 307673. PMID  14673074 . 
  14. ^ Lawley TD, Klimke WA, Gubbins MJ, Frost LS (июль 2003 г.). «Конъюгация фактора F — это истинная система секреции типа IV». FEMS Microbiology Letters . 224 (1): 1–15. doi : 10.1016/S0378-1097(03)00430-0 . PMID  12855161.
  15. ^ Rikihisa Y, Lin M, Niu H (сентябрь 2010 г.). «Секреция типа IV у обязательной внутриклеточной бактерии Anaplasma phagocytophilum». Cellular Microbiology . 12 (9): 1213–21. doi :10.1111/j.1462-5822.2010.01500.x. PMC 3598623. PMID  20670295 . 
  16. ^ Thanassi DG, Stathopoulos C, Karkal A, Li H (2005). «Секреция белка в отсутствие АТФ: аутотранспортер, секреция с двумя партнерами и пути шаперона/ашера грамотрицательных бактерий (обзор)». Молекулярная мембранная биология . 22 (1–2): 63–72. doi :10.1080/09687860500063290. PMID  16092525. S2CID  2708575.
  17. ^ Gerlach RG, Hensel M (октябрь 2007 г.). «Системы секреции белков и адгезины: молекулярный арсенал грамотрицательных патогенов». Международный журнал медицинской микробиологии . 297 (6): 401–15. doi :10.1016/j.ijmm.2007.03.017. PMID  17482513.
  18. ^ Pukatzki S, Ma AT, Sturtevant D, Krastins B, Sarracino D, Nelson WC, Heidelberg JF, Mekalanos JJ (январь 2006 г.). «Идентификация консервативной системы секреции бактериального белка в Vibrio cholerae с использованием модельной системы хозяина Dictyostelium». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (5): 1528–33. Bibcode : 2006PNAS..103.1528P. doi : 10.1073/pnas.0510322103 . JSTOR  30048406. PMC 1345711. PMID  16432199 . 
  19. ^ Mougous JD, Cuff ME, Raunser S, Shen A, Zhou M, Gifford CA, Goodman AL, Joachimiak G, Ordoñez CL, Lory S, Walz T, Joachimiak A, Mekalanos JJ (июнь 2006 г.). «Локус вирулентности Pseudomonas aeruginosa кодирует аппарат секреции белка». Science . 312 (5779): 1526–30. Bibcode :2006Sci...312.1526M. doi :10.1126/science.1128393. PMC 2800167 . PMID  16763151. 
  20. ^ Bingle LE, Bailey CM, Pallen MJ (февраль 2008 г.). "Секреция типа VI: руководство для начинающих" (PDF) . Current Opinion in Microbiology . 11 (1): 3–8. doi :10.1016/j.mib.2008.01.006. PMID  18289922.
  21. ^ Cascales E (август 2008 г.). «Инструментарий секреции типа VI». EMBO Reports . 9 (8): 735–41. doi : 10.1038/embor.2008.131. PMC 2515208. PMID  18617888. 
  22. ^ Schwarz S, Hood RD, Mougous JD (декабрь 2010 г.). «Что делает секреция типа VI у всех этих насекомых?». Trends in Microbiology . 18 (12): 531–7. doi :10.1016/j.tim.2010.09.001. PMC 2991376. PMID  20961764 . 
  23. ^ Coulthurst SJ (2013). «Система секреции типа VI — широко распространенная и универсальная система нацеливания на клетки». Исследования в области микробиологии . 164 (6): 640–54. doi : 10.1016/j.resmic.2013.03.017 . PMID  23542428.
  24. ^ Silverman JM, Brunet YR, Cascales E, Mougous JD (2012). «Структура и регуляция системы секреции типа VI». Annual Review of Microbiology . 66 : 453–72. doi :10.1146/annurev-micro-121809-151619. PMC 3595004. PMID  22746332 . 
  25. ^ Kuehn MJ, Kesty NC (ноябрь 2005 г.). «Везикулы наружной мембраны бактерий и взаимодействие хозяина и патогена». Genes & Development . 19 (22): 2645–55. doi : 10.1101/gad.1299905 . PMID  16291643.
  26. ^ McBroom AJ, Kuehn MJ (январь 2007 г.). «Выделение везикул внешней мембраны грамотрицательными бактериями — это новая реакция на стресс оболочки». Молекулярная микробиология . 63 (2): 545–58. doi :10.1111/j.1365-2958.2006.05522.x. PMC 1868505 . PMID  17163978. 
  27. ^ З. Эсна Ашари, Н. Дасгупта, К. Брайтон и С. Бросчат, «Оптимальный набор признаков для прогнозирования эффекторных белков системы секреции типа IV для подмножества видов на основе подхода многоуровневого выбора признаков», PLOS ONE Journal, 2018, 13, e0197041. (doi.org/10.1371/journal.pone.0197041.)

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Найдите значение слова «секреция» в Викисловаре, бесплатном словаре.