Фимбрии с шаперонами (CU) представляют собой линейные , неразветвленные пили на внешней мембране, секретируемые грамотрицательными бактериями через систему шаперонов с указанием, а не через систему секреции типа IV или системы внеклеточного зародышеобразования. Эти фимбрии построены из модульных субъединиц пилуса, которые транспортируются в периплазму в зависимости от Sec . Фимбрии, секретируемые шаперонами, являются важными факторами патогенности, способствующими колонизации , локализации и образованию биопленок у клинически важных видов, таких как уропатогенные Escherichia coli.и синегнойная палочка .
Состав
Общий
Все системы шаперона / помощника обнаруживаются в кластерах генов, состоящих, по крайней мере, из помощника , шаперона и одной или нескольких субъединиц фимбрий. [1] В целом система включает периплазматические шапероны, периплазматические и внеклеточные субъединицы пилуса , димерные поры наружной мембраны и связанные с ними механизмы Sec. Субъединицы пилуса полимеризуются посредством нековалентного взаимодействия с образованием зрелого пилуса, который состоит из адгезивного кончика, спирального тела и основания, связанного с носителем. Система P-pilus (pap) является одной из наиболее охарактеризованных и показана ниже. [2]
Структура и функции Usher
Ашер образует поры внешней мембраны и функционирует in vivo как димер , хотя в любой момент времени активен только один из них. Пора-активатор (PapC) образована 24-нитевым бета-стволом с 4 дополнительными доменами: N-концевым доменом (NTD), доменом Plug и двумя C-концевыми доменами (CTD1 и CTD2 соответственно). Функции NTD и CTD заключаются в том, чтобы доставлять комплексы шаперон / субъединица к растущим пилусам и облегчать перемещение через поры. [3] Заглушка домена препятствует преждевременному формированию ворсинок и может располагаться либо внутри поры, либо на периплазматической стороне мембраны. В активном димерном проводнике один из них имеет пробку, расположенную периплазматически, а другой - внутри поры транслокации. [4]
Структура и функции шаперона
Периплазматический шаперон (PapD) имеет структуру «бумеранг», образованную иммуноглобулиновой (Ig) складкой с существенным C-концевым удлинением (G1). Эта складка образована 13 β-тяжами (A1-G1) и 4 короткими α-спиралями. Шапероны принадлежат к одному из двух семейств в зависимости от длины петли, соединяющей бета-цепи F1 и G1. Шапероны с длинными петлями - это FGL, а шапероны с короткими петлями - это FGS. Шаперон функционирует, чтобы остановить агрегацию и деградацию субъединиц пилуса, связывая их взаимодействующие области и способствуя правильному сворачиванию белков перед их переносом в комплекс usher / fimbriae. [5]
Структура и функция субъединицы пилина
Структура субъединицы пилуса также имеет Ig-подобную складку, но с существенным N-концевым удлинением, а не с C-концевым удлинением. Поскольку это N-концевое удлинение является той же β-цепью, которая в норме завершает складку Ig, в зрелой субъединице (P1-P5) образуется большая гидрофобная щель, эта щель важна для биогенеза пилуса, но также требует шаперона для стабилизации состав. [6] Конкретные субъединицы могут иметь дополнительные домены, например papG имеет адгезивный лектиновый домен. Субъединицы пилуса in vivo формируют основную часть спирального пилуса (примерно 3,28 субъединицы на оборот) и адгезивную головку.
Биогенез
Биогенез пилуса протекает через механизм комплементации цепи, этот механизм функционирует как прямое следствие структур как шаперонов, так и субъединиц пилуса. Как G1-удлинение шаперона, так и N-концевое удлинение субъединиц пилуса могут связываться с гидрофобной щелью P1-P5. Когда G1 связан, он связывается в параллельной конформации, стабилизирующей структуру субъединицы, но не образует истинную складку Ig (которая является антипараллельной). Он также связывает щель только с сайтов P1-P4, оставляя открытым карман P5. Когда другая субъединица связывает гидрофобную щель, она связывается антипараллельным образом P5-P2, создавая наиболее энергетически благоприятную конформацию истинной Ig-складки. [1]
Когда комплекс шаперон / субъединица доставляется к растущему комплексу шаперон / пилис (обратите внимание, что комплекс шаперон / субъединица формирует его основу), NTD и CTD димера ашера переносят и удерживают комплекс шаперон / субъединица к основанию пилуса. Здесь N-концевое расширение субъединицы взаимодействует со свободным карманом P5 пилуса. Это связывание вызывает «расстегивание» остатка цепи G1 шаперона с одновременным «застегиванием» N-концевого удлинения комплекса шаперон / субъединица, что неизвестно как механизм zip in-zip out. [2]
Как только шаперон был перемещен, он диффундирует обратно в аппарат sec, чтобы связать другую появляющуюся субъединицу пилуса. Затем при использовании CTD более длинные пилусы перемещаются через поры транслокации на один остаток до тех пор, пока шаперон не окажется в тесной связи с проводником. Эта транслокация сочетается с небольшим вращением, придающим пилусу спиральную структуру. Этот рост продолжается до тех пор, пока конечная субъединица не свяжет пилус (если таковая существует), а конечные субъединицы не имеют кармана P5 и, таким образом, почти необратимо свяжут свой шаперон. Поскольку активатор может перемещать только субъединицы пилуса, а не комплексы шаперон / субъединица, и тот факт, что шаперон не может быть энергетически вытеснен другой субъединицей (из-за отсутствия P5), эта завершающая субъединица прикрепляет пилус к внешней мембране и остановить дальнейший рост ворсинок. [1]
Номенклатура и классификация
Исторически классификация фимбрий производилась по их внешнему виду под микроскопом, создавая 4 класса: афимбрии, фимбрии 1-го типа, пучкообразующие (тип IV) ворсинки и курли . Однако этот тип классификации не дает никакой меры родства и, таким образом, был заменен филогенетической системой. [7]
В фимбриях шаперона / помощника существует два типа классификации: основанная на типе присутствующего помощника или на основе типа присутствующего шаперона. Использование помощника в качестве основы классификации формирует 5 классов: альфа, бета, гамма, пи и сигма, и четыре подкласса: гамма 1-4. Названия бета- и гамма-кладов даны просто в алфавитном порядке, тогда как остальные названы по определяющей характеристике: альфа для альтернативного семейства шаперонов / помощников; пи для P-пилуса (ассоциированного с пиелонефритом); и сигма для пилуса спорового покрова Myxococcus xanthus . [7]
Как указывалось ранее, существует два типа шаперона; FGL и FGS, и это основа классификации шаперонов. Все шапероны FGL связаны с афимбриальной секрецией, а все шапероны FGS связаны с фимбриальной секрецией. Все шапероны FGL находятся в подкладе гамма-3, все остальные клады и подклассы относятся к FGS. [7]
Патогенность
Фимбрии шаперона / ашера играют множество ролей на многих стадиях патогенности у нескольких видов. Наиболее хорошо изучены роли в адгезии, уклонении от врожденного иммунитета и локализации. Адгезии способствует лектиновый домен на кончике шаперонных / usher фимбрий, этот домен FimH хорошо изучен. FimH является первой субъединицей ворсинок типа I (клады γ-1) у таких видов, как UPEC, и связывается с D-маннозилированными остатками в мочевом пузыре, обеспечивая адгезию и колонизацию патогенов. Иммунному уклонению также способствует адгезин на кончике, например связывание фактора ускорения распада (DAF) фимбриями клады гамма3 ингибирует эффективную активацию комплемента. Локализация может быть выполнена путем последовательной экспрессии различных систем шаперонов / помощников. Большинство видов патогенных бактерий экспрессируют более одного типа системы шаперон / ашер, например, у Pseudomonas aeruginosa существует пять различных систем. UPEC экспрессирует как фимбрии типа 1, так и P-пилус (pap), которые он экспрессирует последовательно, возможно, для облегчения миграции из мочевого пузыря (фимбрии типа I) в почки (pap). [8]
Эта важность патогенности делает систему шаперон / помощник привлекательной мишенью для новых лекарственных препаратов. Путем нацеливания на патогенность вместо организма (в случае обычных антибиотиков) снимается сильное давление отбора для развития резистентности. В случае UPEC были достигнуты определенные успехи в клинических испытаниях пилицида (остановка образования ворсинок) и в разработке эффективной вакцины для мышей и яванских макак на основе комплекса FimCH. [8]
Рекомендации
- ^ a b c Буш А. и Ваксман Г. (2012). «Пути сопровождения-помощника: разнообразие и механизм сборки пилуса» . Философские труды Королевского общества Лондона B . 367 : 1112–1122. DOI : 10,1098 / rstb.2011.0206 . PMC 3297437 . PMID 22411982 .
- ^ а б Халтгрен С.Дж. и Ваксман Г. (2009). «Структурная биология шаперон-переходного пути биогенеза пилуса» . Обзоры природы микробиологии . 7 (11): 765–774. DOI : 10.1038 / nrmicro2220 . PMC 3790644 . PMID 19820722 .
- ^ Ветш М. и др. (2006). «Механизм сборки волокна по пути шаперон-помощник» . EMBO Reports . 7 : 734–738. DOI : 10.1038 / sj.embor.7400722 . PMC 1500831 . PMID 16767077 .
- ^ Phan G, et al. (2011). «Кристаллическая структура проводника FimD, связанного с его родственным субстратом FimC-FimH» . Природа . 474 : 49–53. DOI : 10,1038 / природа10109 . PMC 3162478 . PMID 21637253 .
- ^ Зауэр Ф. и др. (1999). «Структурные основы функции шаперона и биогенеза пилуса». Наука . 285 (5430): 1058–1061. DOI : 10.1126 / science.285.5430.1058 . PMID 10446050 .
- ^ Verger D, et al. (2007). "Кристаллическая структура субъединицы P-пилуса rob PapA" . PLOS ONE . 3 : e73. DOI : 10.1371 / journal.ppat.0030073 . PMC 1868955 . PMID 17511517 .
- ^ а б в Nuccio SP и др. (2007). «Эволюция пути сборки шаперона / помощника: фимбриальная классификация идет по греческой» . Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 71 : 551–575. DOI : 10.1128 / MMBR.00014-07 . PMC 2168650 . PMID 18063717 .
- ^ а б Беата М. и др. (2011). «Инфекции мочевыводящих путей штаммами Escherichia coli шаперон-ашер-системы». Польский микробиологический журнал . 60 : 279–285.