Секреция - это перемещение материала из одной точки в другую, например секретируемого химического вещества из клетки или железы . Напротив, экскреция - это удаление определенных веществ или продуктов жизнедеятельности из клетки или организма. Классический механизм секреции клеток осуществляется через секреторные порталы плазматической мембраны клетки, называемые поросомами . [1] Поросомы представляют собой постоянную чашевидную липопротеиновую структуру на плазматической мембране клетки, где секреторные везикулы временно стыкуются и сливаются, высвобождая внутривезикулярное содержимое из клетки.
Секреция у видов бактерий означает перенос или перемещение эффекторных молекул, например: белков , ферментов или токсинов (таких как токсин холеры в патогенных бактериях, например, Vibrio cholerae ) изнутри ( цитоплазма или цитозоль ) бактериальной клетки к ее внешней стороне. Секреция - очень важный механизм функционирования бактерий и их функционирования в их естественной окружающей среде для адаптации и выживания.
В эукариотических клетках
Механизм
Эукариотические клетки , в том числе клеток человека , имеют весьма эволюционировал процесс секреции. Белки предназначенные для наружных которые синтезируются на рибосомах стыковки к шероховатой эндоплазматической сети (ER). По мере синтеза эти белки перемещаются в просвет ЭПР , где они гликозилируются и где молекулярные шапероны способствуют укладке белков . Неправильно свернутые белки здесь обычно идентифицируются и ретранслируются посредством ER-ассоциированной деградации в цитозоль , где они расщепляются протеасомой . Затем везикулы, содержащие правильно свернутые белки, 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 пузырьков с клеточной мембраной в структуре, называемой поросомой , в процессе, называемом экзоцитозом , при котором его содержимое выбрасывается из окружающей среды клетки. [2]
Строгий биохимический контроль над этой последовательностью поддерживается с помощью градиента pH : pH цитозоля составляет 7,4, pH ER составляет 7,0, а pH цис-гольджи составляет 6,5. Секреторные везикулы имеют pH от 5,0 до 6,0; некоторые секреторные пузырьки превращаются в лизосомы с pH 4,8.
Неклассическая секреция
Существует множество 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 различными неклассическими путями.
Описано по крайней мере четыре неклассических (нетрадиционных) пути секреции белка. [3] Они включают 1) прямую транслокацию белков через плазматическую мембрану, вероятно, через мембранные транспортеры, 2) пузырчатку , 3) лизосомную секрецию и 4) высвобождение через экзосомы, происходящие из мультивезикулярных тел. Кроме того, белки могут высвобождаться из клеток путем механического или физиологического ранения [4] и через нелетальные временные онкотические поры в плазматической мембране, вызванные промывкой клеток бессывороточной средой или буферами. [5]
В тканях человека
Многие типы клеток человека обладают способностью быть секреторными клетками. У них хорошо развита эндоплазматическая сеть и аппарат Гольджи для выполнения этой функции. Ткани, которые производят секрецию, включают желудочно-кишечный тракт, который выделяет пищеварительные ферменты и желудочную кислоту , легкие, которые выделяют поверхностно-активные вещества , и сальные железы, выделяющие кожный жир для смазывания кожи и волос. Мейбомиевых желез в веко секретируют meibum для смазки и защиты глаз.
У грамотрицательных бактерий
Секреция характерна не только для эукариот - она также присутствует у бактерий и архей. Переносчики типа АТФ-связывающей кассеты (ABC) являются общими для трех областей жизни. Некоторые секретируемые белки перемещаются через цитоплазматическую мембрану транслоконом SecYEG , одной из двух систем транслокации, которая требует присутствия N-концевого сигнального пептида на секретируемом белке. Другие перемещаются через цитоплазматическую мембрану посредством пути транслокации двойного аргинина (Tat). Грамотрицательные бактерии имеют две мембраны, что топологически усложняет секрецию. У грамотрицательных бактерий существует по крайней мере шесть специализированных систем секреции. Многие секретируемые белки особенно важны в бактериальном патогенезе. [6]
Система секреции типа I (T1SS или TOSS)
Секреция типа I представляет собой систему секреции, зависящую от шаперона, в которой используются генные кластеры Hly и Tol. Процесс начинается с того, что лидерная последовательность секретируемого белка распознается HlyA и связывает 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 концевую молекулу или сигнал на HlyD. HlyD рекрутирует TolC на внутреннюю мембрану, а HlyA выводится за пределы внешней мембраны через длинный туннельный белковый канал.
Система секреции типа I транспортирует различные молекулы, от ионов и лекарств до белков различного размера (20-900 кДа). Секретируемые молекулы различаются по размеру от небольшого пептида колицина V Escherichia coli (10 кДа) до белка адгезии клеток Pseudomonas fluorescens LapA 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 типа II (T2SS)
Белки, секретируемые через систему типа II или главную терминальную 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 порообразующих секретиновых белков. В дополнение к белку секретина, 10-15 других белков внутренней и внешней мембран составляют полный аппарат секреции, многие из которых выполняют еще неизвестную функцию. Грамотрицательные пили типа IV используют модифицированную версию системы типа II для своего биогенеза, и в некоторых случаях определенные белки являются общими между комплексом пилей и системой типа II в пределах одного вида бактерий.
Система секреции типа III (T3SS или TTSS)
Он гомологичен базальному телу у бактериальных жгутиков. Это похоже на молекулярный шприц, с помощью которого бактерии (например, некоторые виды Salmonella , Shigella , Yersinia , Vibrio ) могут вводить белки в эукариотические клетки. Низкая концентрация Ca 2+ в цитозоле открывает ворота, регулирующие 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 прикрепление T3SS. Система Hrp в патогенах растений вводит в растения гарпины и эффекторные белки патогенов через аналогичные механизмы. Эта система секреции была впервые обнаружена у Yersinia pestis и показала, что токсины могут вводиться непосредственно из бактериальной цитоплазмы в цитоплазму клеток-хозяев, а не просто секретироваться во внеклеточную среду. [8]
Система секреции типа IV (T4SS или TFSS)
T4SS | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | ||||||||
Символ | T4SS | |||||||
Pfam | PF07996 | |||||||
ИнтерПро | IPR012991 | |||||||
SCOP2 | 1gl7 / ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ / СУПФАМ | |||||||
TCDB | 3.A.7 | |||||||
OPM суперсемейство | 215 | |||||||
Белок OPM | 3jqo | |||||||
|
Он гомологичен конъюгированному механизму бактерий конъюгативным пилям . Он способен переносить как ДНК, так и белки. Он был обнаружен у Agrobacterium tumefaciens , который использует эту систему для введения части Т-ДНК плазмиды Ti в растение-хозяин, что, в свою очередь, вызывает развитие пораженного участка в коронный 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, частично выделяет токсин коклюша через систему IV типа. Легионелл , вызывающий агент легионеллеза (болезнь легионеров) использует систему секреции IVB типа , известный как ICM / точка ( я NTRA с ellular м ultiplication / д токсикорезистентность в о rganelle т rafficking генов) системы, к транслокации многочисленные эффекторные белки в своего эукариотического хозяина. [10] Прототипом системы секреции типа IVA является комплекс VirB Agrobacterium tumefaciens . [11]
Белки этого семейства являются компонентами системы секреции типа IV. Они опосредуют внутриклеточный перенос макромолекул через механизм, изначально связанный с механизмами бактериальной конъюгации . [12] [13]
Функция
Короче говоря, система секреции типа IV (T4SS) - это общий механизм, с помощью которого бактериальные клетки секретируют или поглощают макромолекулы. Их точный механизм остается неизвестным. T4SS кодируется грамотрицательными конъюгативными элементами в бактериях. T4SS представляют собой комплексы, охватывающие оболочку клетки, или, другими словами, 11-13 ядерных белков, которые образуют канал, по которому ДНК и белки могут перемещаться из цитоплазмы клетки-донора в цитоплазму клетки-донора. ячейка-получатель. Кроме того, T4SS также секретирует белки фактора вирулентности непосредственно в клетки-хозяева, а также захватывает ДНК из среды во время естественной трансформации , что демонстрирует универсальность этого аппарата секреции макромолекул. [14]
Состав
Как показано на приведенном выше рисунке, TraC, в частности, состоит из трехспирального пучка и рыхлого шаровидного отростка. [13]
Взаимодействия
T4SS имеет два эффекторных белка: во-первых, ATS-1, что означает транслоцированный субстрат 1 из анаплазмы , и, во-вторых, AnkA , который означает белок А, содержащий домен анкиринового повтора. Кроме того, связывающими белками T4SS являются VirD4, которые связываются с VirE2. [15]
Система секреции типа V (T5SS)
Секреция типа V, также называемая системой аутотранспортера, [16] включает использование системы Sec для пересечения внутренней мембраны. Белки, использующие этот путь, обладают способностью образовывать бета-ствол со своим С-концом, который вставляется во внешнюю мембрану, позволяя остальной части пептида (домен-пассажира) достигать внешней части клетки. Часто аутотранспортеры расщепляются, оставляя бета-бочкообразный домен во внешней мембране и высвобождая пассажирский домен. Некоторые исследователи полагают, что остатки автотранспортеров привели к образованию поринов, которые образуют аналогичные бета-цилиндрические структуры. [ необходима цитата ] Типичным примером автотранспорта, который использует эту систему секреции, является тримерный автотранспортер адгезинов . [17]
Система секреции типа VI (T6SS)
Системы секреции типа VI были первоначально идентифицированы в 2006 году группой Джона Мекаланоса в Гарвардской медицинской школе (Бостон, США) у двух бактериальных патогенов, Vibrio cholerae и Pseudomonas aeruginosa . [18] [19] Они были идентифицированы, когда мутации в генах Hcp и VrgG в Vibrio Cholerae привели к снижению вирулентности и патогенности. С тех пор системы секреции типа VI были обнаружены в четверти всех геномов протеобактерий, включая патогены животных, растений, человека, а также почвенные, экологические или морские бактерии. [20] [21] В то время как большинство ранних исследований секреции типа VI было сосредоточено на ее роли в патогенезе высших организмов, более поздние исследования предполагали более широкую физиологическую роль в защите от простых эукариотических хищников и ее роль во взаимодействиях между бактериями. [22] [23] Кластеры генов системы секреции типа VI содержат от 15 до более чем 20 генов, два из которых, Hcp и VgrG, как было показано, являются почти универсально секретируемыми субстратами системы. Структурный анализ этих и других белков в этой системе поразительно похож на хвостовой шип фага Т4, и считается, что активность системы функционально напоминает фаговую инфекцию. [24]
Высвобождение пузырьков наружной мембраны
Помимо использования перечисленных выше мультибелковых комплексов, грамотрицательные бактерии обладают еще одним методом высвобождения материала: образованием бактериальных везикул наружной мембраны . [25] Части внешней мембраны отщипываются, образуя наноразмерные сферические структуры, состоящие из богатого липополисахаридами липидного бислоя, охватывающего периплазматические материалы, и используются для перемещения мембранных пузырьков, чтобы манипулировать окружающей средой или вторгаться на интерфейс хозяин-патоген . Было обнаружено, что везикулы ряда видов бактерий содержат факторы вирулентности, некоторые обладают иммуномодулирующим действием, а некоторые могут напрямую прилипать к клеткам-хозяевам и отравлять их. высвобождение везикул было продемонстрировано как общий ответ на стрессовые условия, процесс загрузки грузовых белков, по-видимому, является избирательным. [26]
Секреция грамположительных бактерий
У некоторых видов стафилококков и стрептококков вспомогательная секреторная система отвечает за экспорт очень повторяющихся адгезионных гликопротеинов.
Смотрите также
- Бактериальный эффекторный белок
- Бактериальные везикулы наружной мембраны
- Интерфейс "хозяин-патоген"
- Транспортировка мембранных везикул
- Секретомика
- Секреторные белки
- Статус секретаря
Рекомендации
[27]
- ^ Ли JS, Еремич A, Shin L, чо WJ, Chen X, Jena BP (июль 2012). «Протеом нейрональных поросом: молекулярная динамика и архитектура» . Журнал протеомики . 75 (13): 3952–62. DOI : 10.1016 / j.jprot.2012.05.017 . PMC 4580231 . PMID 22659300 .
- ^ Андерсон Л.Л. (2006). «Открытие« поросомы »; универсальный секреторный аппарат в клетках» . Журнал клеточной и молекулярной медицины . 10 (1): 126–31. DOI : 10.1111 / j.1582-4934.2006.tb00294.x . PMC 3933105 . PMID 16563225 .
- ^ Никель W, Зеедорф М (2008). «Нетрадиционные механизмы транспорта белков на клеточную поверхность эукариотических клеток». Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития . 24 : 287–308. DOI : 10.1146 / annurev.cellbio.24.110707.175320 . PMID 18590485 .
- ^ Макнил П.Л., Стейнхардт Р.А. (2003). «Нарушение плазматической мембраны: восстановление, профилактика, адаптация». Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития . 19 : 697–731. DOI : 10.1146 / annurev.cellbio.19.111301.140101 . PMID 14570587 .
- ^ Кирико WJ (октябрь 2011 г.). «Высвобождение белка через несмертельные онкотические поры как альтернативный неклассический секреторный путь» . BMC Cell Biology . 12 : 46. DOI : 10,1186 / 1471-2121-12-46 . PMC 3217904 . PMID 22008609 .
- ^ Wooldridge, K, ed. (2009). Бактериальные секретируемые белки: секреторные механизмы и роль в патогенезе . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-42-4.[ требуется страница ]
- ^ Бойд С.Д., Смит Т.Дж., Эль-Кират-Шатель С., Ньюэлл PD, Дюфрен Ю.Ф., О'Тул, Джорджия (август 2014 г.). «Структурные особенности адгезина LapA биопленки Pseudomonas fluorescens, необходимые для LapG-зависимого расщепления, образования биопленок и локализации на клеточной поверхности» . Журнал бактериологии . 196 (15): 2775–88. DOI : 10.1128 / JB.01629-14 . PMC 4135675 . PMID 24837291 .
- ^ Salyers, AA & Уитт, DD (2002). Бактериальный патогенез: молекулярный подход , 2-е изд., Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press. ISBN 1-55581-171-X [ необходима страница ]
- ^ Хатакеяма М., Хигаси Х (декабрь 2005 г.). «Helicobacter pylori CagA: новая парадигма бактериального канцерогенеза» . Наука о раке . 96 (12): 835–43. DOI : 10.1111 / j.1349-7006.2005.00130.x . PMID 16367902 . S2CID 5721063 .
- ^ Cascales E, Christie PJ (ноябрь 2003 г.). «Универсальные системы секреции бактерий IV типа» . Обзоры природы. Микробиология . 1 (2): 137–49. DOI : 10.1038 / nrmicro753 . PMC 3873781 . PMID 15035043 .
- ^ Кристи П.Дж., Атмакури К., Кришнамурти В., Якубовски С., Каскалес Е. (2005). «Биогенез, архитектура и функция бактериальных систем секреции IV типа» . Ежегодный обзор микробиологии . 59 : 451–85. DOI : 10.1146 / annurev.micro.58.030603.123630 . PMC 3872966 . PMID 16153176 .
- ^ Кристи ПиДжей (ноябрь 2004 г.). «Секреция типа IV: Agrobacterium VirB / D4 и родственные системы конъюгации» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Исследование молекулярных клеток . 1694 (1–3): 219–34. DOI : 10.1016 / j.bbamcr.2004.02.013 . PMC 4845649 . PMID 15546668 .
- ^ а б Йео Х. Дж., Юань К., Бек М. Р., Барон С., Ваксман Г. (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 .
- ^ Лоули Т.Д., Климке В.А., Габбинс М.Дж., Фрост Л.С. (июль 2003 г.). «Конъюгация фактора F - истинная система секреции типа IV» . Письма о микробиологии FEMS . 224 (1): 1–15. DOI : 10.1016 / S0378-1097 (03) 00430-0 . PMID 12855161 .
- ^ Рикихиса Ю., Линь М., Ню Х. (сентябрь 2010 г.). «Секреция IV типа в обязательной внутриклеточной бактерии Anaplasma phagocytophilum» . Клеточная микробиология . 12 (9): 1213–21. DOI : 10.1111 / j.1462-5822.2010.01500.x . PMC 3598623 . PMID 20670295 .
- ^ Танасси Д.Г., Статопулос К., Каркал А., Ли Х. (2005). «Секреция белка в отсутствие АТФ: аутотранспортер, секреция двух партнеров и пути шаперона / ашера грамотрицательных бактерий (обзор)». Молекулярная мембранная биология . 22 (1–2): 63–72. DOI : 10.1080 / 09687860500063290 . PMID 16092525 . S2CID 2708575 .
- ^ Герлах Р.Г., Хенсель М. (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 .
- ^ Пукацки С., Ма А. Т., Стертевант Д., Крастинс Б., Саррачино Д., Нельсон В. К., Гейдельберг Дж. Ф., Мекаланос Дж. Дж. (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 .
- ^ 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» . Наука . 312 (5779): 1526–30. Bibcode : 2006Sci ... 312.1526M . DOI : 10.1126 / science.1128393 . PMC 2800167 . PMID 16763151 .
- ^ Бингл Л.Е., Бейли С.М., Паллен М.Дж. (февраль 2008 г.). «Секрет VI типа: руководство для новичков» (PDF) . Текущее мнение в микробиологии . 11 (1): 3–8. DOI : 10.1016 / j.mib.2008.01.006 . PMID 18289922 .
- ^ Cascales E (август 2008 г.). «Инструментарий секреции VI типа» . EMBO Reports . 9 (8): 735–41. DOI : 10.1038 / embor.2008.131 . PMC 2515208 . PMID 18617888 .
- ^ Шварц С., Худ Р. Д., Мугус Дж. Д. (декабрь 2010 г.). «Что делает секреция типа VI у всех этих насекомых?» . Тенденции микробиологии . 18 (12): 531–7. DOI : 10.1016 / j.tim.2010.09.001 . PMC 2991376 . PMID 20961764 .
- ^ 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 .
- ^ Сильверман Дж. М., Брюнет Ю. Р., Каскалес Е., Мугус Дж. Д. (2012). «Структура и регуляция системы секреции VI типа» . Ежегодный обзор микробиологии . 66 : 453–72. DOI : 10.1146 / annurev-micro-121809-151619 . PMC 3595004 . PMID 22746332 .
- ^ Куен MJ, Кести NC (ноябрь 2005 г.). «Бактериальные везикулы наружной мембраны и взаимодействие хозяина-патогена» . Гены и развитие . 19 (22): 2645–55. DOI : 10,1101 / gad.1299905 . PMID 16291643 .
- ^ МакБрум А.Дж., Куэн М.Дж. (январь 2007 г.). «Высвобождение везикул наружной мембраны грамотрицательными бактериями - это новая реакция оболочки на стресс» . Молекулярная микробиология . 63 (2): 545–58. DOI : 10.1111 / j.1365-2958.2006.05522.x . PMC 1868505 . PMID 17163978 .
- ^ З. Эсна Ашари, Н. Дасгупта, К. Брайтон и С. Брошат, « Оптимальный набор функций для прогнозирования эффекторных белков системы секреции типа IV для подмножества видов на основе подхода многоуровневого отбора признаков », PLOS ONE Журнал, 2018, 13, e0197041. (doi.org/10.1371/journal.pone.0197041.)
дальнейшее чтение
- Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уолтер П., ред. (2002). «Поиск: Секреты» . Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Нью-Йорк: Наука о гирляндах. ISBN 978-0-8153-3218-3.
- Белый D (2000). Физиология и биохимия прокариот (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-512579-5.
- Эйвон Д. "Домашняя страница" . Клетки живы! .
Внешние ссылки
- Секреты медицинских предметных рубрик Национальной медицинской библиотеки США (MeSH)
- Иллюстрация T5SS / Autotransporter в Uni Münster