Системы секреции III типа (, сокр. T3SS), также III тип секреторной системы или инжектосома (т.н. молекулярный шприц) — один из нескольких типов бактериальных систем секреции, является белковым комплексом (иногда рассматривается как органелла), который встречается у некоторых грамотрицательных бактерий.
У патогенных бактерий иглоподобная структура используется в качестве сенсорного зонда для обнаружения присутствия клеток эукариотических организмов и выделения белков, которые помогают бактериям инфицировать их. Секретируемые эффекторные белки поступают непосредственно из бактериальной клетки в эукариотическую клетку (клетку-хозяина)A. Blocker, N. Jouihri u. a.: Structure and composition of the Shigella flexneri "needle complex", a part of its type III secreton. In: Molecular microbiology. Band 39, Nummer 3, Februar 2001, S. 652–663, , PMID 11169106., где они оказывают ряд эффектов, которые помогают возбудителю выжить и избежать иммунного ответа.
Обзор Термин система секреции III типа был введён в 1993 году. Эта система секреции отличается по меньшей мере от пяти других систем секреции, обнаруженных у грамотрицательных бактерий. Многие бактерии, ассоциированные с животными и растениями обладают сходными T3SS. Данные T3SSs сходны в результате дивергентной эволюции, и филогенетический анализ поддерживает модель, в которой грамотрицательные бактерии могут передавать мобильную генную кассету T3SS горизонтальным путём другим видам. Некоторые из наиболее изученных T3SS относятся к видам: Shigella (вызывает бактериальную дизентерию), Salmonella (брюшной тиф), Escherichia coli (кишечная микрофлора, некоторые штаммы вызывают пищевое отравление), Vibrio (гастроэнтерит и диарея), Burkholderia (сапы), Yersinia (чума), Chlamydia (хламидиоз, ЗППП), Pseudomonas (поражает людей, животных и растения) и патогенов растений Erwinia, Ralstonia и Xanthomonas, а также растительный симбионт Rhizobium.
T3SS состоит из примерно 30 различных белков, что делает её одной из самых сложных систем секреции. Её структура сходна с бактериальными жгутиками (длинные, жёсткие, внеклеточные структуры, используемые для подвижности). Некоторые из белков, участвующих в T3SS, имеют гомологию аминокислотной последовательности со жгутиковыми белками. Некоторые бактерии, обладающие T3SS, также имеют жгутики и подвижны (например, Salmonella), а у некоторых их нет (например, у Shigella). Технически говоря, система секреции III типа используется как для выведения связанных с инфекцией белков, так и жгутиковых компонентов. Однако термин «система секреции III типа» используется главным образом по отношению к инфекционному аппарату. Жгутик бактерий имеет общего предка с данной секреторной системой.
T3SS необходимы для патогенности (способности инфицировать) многих бактерий — возбудителей заболеваний. Дефекты в T3SS могут привести такие бактерии к непатогенным. Было высказано предположение, что некоторые неинвазивные штаммы грамотрицательных бактерий потеряли T3SS, потому что такая энергетически невыгодная (дорогая) система не использовалась. Хотя в прошлом традиционные антибиотики были эффективны против данных бактерий, постоянно появляются резистентные к антибиотикам новые штаммы. Понимание того, как работает T3SS, и разработка лекарств, специально предназначенных для данной системы, с конца 1990-х годов стали важной целью многих исследовательских групп по всему миру.
Структура
Отличительной чертой T3SS является так называемая игла(в более общем смысле, игольчатый комплекс (, сокр. NC) или аппарат T3SS (, сокр. T3SA); также называется инжектосомой, когда АТФаза неактивна ((выключена); см. Ниже). Бактериальные белки, которые должны секретироваться, проходят из бактериальной цитоплазмы через иглу непосредственно в цитоплазму клетки-хозяина. Три мембраны разделяют две цитоплазмы: двойную мембрану (внутреннюю и внешнюю мембраны) грамотрицательной бактерии и эукариотическую мембрану. Игла обеспечивает плавное прохождение через эти высокоселективные и почти непроницаемые мембраны. Одна бактерия может иметь несколько сотен игольчатых комплексов, распределённых по поверхностям её мембраны. Было высказано предположение, что игольчатый комплекс является универсальной особенностью всех T3SS патогенных бактерий.
Начало игольчатого комплекса находится в цитоплазме бактерии, он пересекает две мембраны и выступает из клетки. Якорь комплекса, расположенного в мембране является основанием (или базальным телом) T3SS. Внеклеточная часть — игла. Так называемый внутренний стержень соединяет иглу с основанием. Сама игла, хотя и самая большая и довольно заметная часть T3SS, состоит из множества единиц одного белка. Поэтому большинство различных белков T3SS — это те, которые входят в состав основания, и те, которые секретируются в клетку-хозяина. Как упоминалось выше, игольчатый комплекс имеет сходство с жгутиками бактерий. Более конкретно, основание игольного комплекса структурно очень похоже на основания жгутиков; Сама игла аналогична жгутиковому крючку, той структуре, которая соединяет основание с жгутиковой нитью.
Основание состоит из нескольких круглых колец и является первой структурой, построенной в новом игольчатом комплексе. Как только построение основания завершено, оно служит в качестве молекулярной машины для секреции внешних белков (т.е. иглой). После завершения всего комплекса система переключается на секретирующие белки, которые предназначены для доставки в клетки-хозяева. Предполагается, что игла построена снизу вверх; единицы белка мономеры иглы накапливаются друг на друга, так что единица на кончике иглы добавляется последней. Субъединица иглы является одним из самых маленьких белков T3SS, его размер составляет около 9 кДа. В состав иглы входят 100—150 субъединиц.
Игла T3SS имеет длину около 60—80 нм и ширину внешней части 8 нм. Игла должна иметь минимальную длину, чтобы другие внеклеточные бактериальные структуры (например, адгезины и липополисахаридный слой) не мешали секреции. Отверстие иглы имеет диаметр 3 нм. Большинство уложенных эффекторных белков слишком велики, чтобы транспортироваться через отверстие иглы, поэтому большинство секретируемых белков должно проходить через развёрнутую иглу — это задача, выполняемая АТФазой, расположенной у основания структуры.
Белки T3SS
Белки T3SS можно сгруппировать в три категории:
Структурные белки: воспроизводят основание, внутренний стержень и иглу. Эффекторные белки: секретируются в клетку-хозяина и способствуют инфекции/подавляют защиту клеток-хозяев. Шапероны: связывают эффекторы в бактериальной цитоплазме, защищают их от агрегации и деградации и направляют их далее в игольчатый комплекс.
Большинство генов T3SS расположены в оперонах. Данные опероны у некоторых видов бактерий располагаются на нуклеоидах и на выделенных плазмидах у других видов. Сальмонеллы, например, имеют хромосомную область, в которой собрано большинство генов T3SS, так называемый островок патогенности сальмонеллы (, сокр. SPI). Shigella, с другой стороны, имеют большую вирулентную плазмиду, на которой находятся все гены T3SS. Многие островки патогенности и плазмиды содержат элементы, которые обеспечивают частую горизонтальную передачу гена островка или плазмиды новому виду.
Эффекторные белки, которые должны секретироваться через иглу, должны распознаваться системой, поскольку они плавают в цитоплазме вместе с тысячами других белков. Рекогниция (распознавание ) осуществляется по сигналу секреции — короткой аминокислотной последовательностью, расположенной в начале (N-терминаль) белка (обычно она включает первые 20 аминокислот), которую способен распознавать игольчатый комплекс. В отличие от других систем секреции, сигнал секреции белков T3SS никогда не отщепляется от белка.
Индукция секреции Контакт иглы с клеткой-хозяином запускает активацию T3SS; об этом триггерном механизме известно немного (см. Ниже). Секрецию можно также вызывать путём снижения концентрации ионов кальция в питательной среде (для Yersinia и Pseudomonas; добавляют молекулы хелатора, таких как ЭДТА или ЭГТА) и путём добавления ароматического красителя Конго красный в питательную среду (например, для шигелл). Эти и другие методы используются в лабораториях для искусственного стимулирования системы секреции III типа.
Индукция секреции внешними сигналами, отличными от контакта с клетками-хозяевами, также происходят in vivo у инфицированных организмов. Бактерии чувствуют такие сигналы, как температура, pH, осмолярность и концентрация кислорода, и используют их, чтобы «решить», активировать ли их T3SS. Например, сальмонелла может лучше размножаться и проникать в подвздошную кишку, а не в слепую кишку животного. Бактерии могут знать, где они находятся, благодаря различным ионам, присутствующим в этих регионах; подвздошная кишка содержит формиат и ацетат анионы, а в слепой кишке их нет. Бактерии чувствуют эти молекулы, определяют, что они находятся в подвздошной кишке, и активируют их механизм секреции. Молекулы, присутствующие в слепой кишке, такие как пропионат и бутират, оказывают отрицательное влияние на бактерии и ингибируют секрецию. Холестерин, обнаруженный в большинстве мембран эукариотических клеток, способен вызывать секрецию у шигелл.
Перечисленные выше внешние сигналы регулируют секрецию напрямую или с помощью генетического механизма. Известно несколько факторов транскрипции, которые регулируют экспрессию генов T3SS. Некоторые из шаперонов, которые связывают эффекторы T3SS, также действуют как факторы транскрипции. Был предложен механизм обратной связи: когда бактерия не секретирует, её эффекторные белки связываются с шаперонами и плавают в цитоплазме. Когда начинается секреция, шапероны отделяются от эффекторов, а последние секретируются и покидают клетку. Одинокие шапероны затем действуют как факторы транскрипции, связываясь с генами, кодирующими их эффекторы и индуцирующими их транскрипцию и, таким образом, производящими больше эффекторов.
Структуры, подобные инжектосомам типа 3SS, in vivo были предложены в качестве заклёпок бактериальных грамотрицательных наружных и внутренних мембран, которые помогают высвобождению везикул наружных мембран, нацеленных на доставку бактериальных секретов в эукариотические клетки-хозяева или другие клетки-мишени.
T3SS-опосредованная инфекция Эффекторы T3SS входят в комплекс иглы у основания и проходят через иглу вовнутрь клетки-хозяина. Точный способ перехода эффекторов в клетку-хозяина плохо изучен. Ранее было высказано предположение, что сама игла способна прокалывать отверстие в мембране клетки-хозяина; эта теория была опровергнута. Теперь ясно, что некоторые эффекторы, так называемые транслокаторы, секретируются первыми и производят пору или канал (транслокон) в мембране клетки-хозяина, через который могут проникать другие эффекторы. Мутировавшие бактерии, у которых проявляется дефицит транслокаторов, способны секретировать белки, но не способны доставлять их в клетки-хозяева. В общем случае каждый T3SS включает в себя три транслокатора. Некоторые транслокаторы выполняют двойную роль; после того как они участвуют в образовании пор, они перемещаются в клетку и действуют как истинные эффекторы.