21

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Биологический факультет

Кафедра молекулярной биологии

БАКТЕРИАЛЬНАЯ СИСТЕМА СЕКРЕЦИИ БЕЛКОВ

ПЕРВОГО ТИПА

Курсовая работа

студента 3 курса

Войцицкого А. М.

Научный руководитель:

к.х.н., преподаватель Русь О. Б.

Минск 2004

Содержание

Введение 5

Краткая характеристика бактериальных систем секреции 6

Строение системы секреции первого типа 8

ABC-транспортеры 14

Организация генов, кодирующих компоненты системы секреции первого типа 16

Сигнальные последовательности субстратов 18

Заключение 20

Список литературы 21

Список сокращений

АТФ-связывающая кассета (ATP-binding cassette) - ABC

Белок, связывающий мембраны (Membrane fusion protein) - MFP

Белок внешней мембраны (Outer membrane protein) - OMP

Ядерный магнитный резонанс - ЯМР

Введение

Процесс секреции белков является важным аспектом жизнедеятельности бактерий, поскольку значительное количество белков бактериальной клетки локализованы вне цитоплазмы. Способность к секреции белков является важнейшей для вирулентных бактерий, поскольку в процессе инфекции многие белковые продукты должны располагаться на внешней поверхности бактериальной клетки, либо секретироваться во внешнюю среду. Кроме того, секреция белков имеет важнейшее значение для биотехнологии, поскольку очистка белков из культуральной среды простого состава значительно проще, чем из лизатов, которые представляют собой сложные смеси различных веществ. В связи с этим изучение процесса белковой секреции является весьма актуальной проблемой. Результатом проведенных ранее исследований стало обнаружение нескольких путей экспорта белка. Впоследствии они были разделены на группы, внутри которых процесс секреции идентичен или очень схож. Сейчас выделяют пять основных типов секреции белков. Одним из них является система секреции первого типа. Посредством этой системы бактериальные клетки экспортируют широкий круг различных субстратов, включающий в себя ферменты, токсины, полисахариды, антибиотики и др. соединения. Несмотря на относительную простоту устройства этого аппарата секреции, остается еще достаточное количество невыясненных вопросов в этой области. Недостаточная изученность строения и функционирования этой системы секреции, а также неоспоримая важность секретируемых ею белков являются причиной, по которой изучение этой темы является весьма актуальным.

Целью данной работы является сбор и обобщение имеющейся на этот день информации о бактериальной системе секреции первого типа.

Краткая характеристика бактериальных систем секреции

Для секреции белков бактериальные клетки используют различные системы секреции в зависимости от строения и конечной локализации белка. Поэтому является необходимым приведение небольшого обзора систем секреции всех типов.

Секреция первого типа. Аппарат этой системы секреции устроен относительно просто. Он включает в себя три компонента белковой природы. Эта система является Sec-независимой и осуществляет секрецию субстратов непосредственно из цитоплазмы в одну стадию без периплазматических посредников. По этому пути секретируются токсины, протеазы, липазы, антибиотики и другие соединения (D. Thanassi et al., 2000).

Секреция второго типа. Эта система секреции устроена уже довольно сложно. Характерной особенностью является ее разделение на две части и секреция субстратов в две стадии. Первая часть, называемая Sec-системой, экспортирует белки через цитоплазматическую мембрану, далее белки либо остаются в периплазме, либо секретируются через внешнюю мембрану посредством терминальных компонентов системы секреции (S. Lory, 1998). По этому пути секретируются такие белки, как пектатлиазы, пектинметилэстеразы и целлюлазы рода Erwinia, целлюлаза, протеаза и амилаза Xanthomonas campestris, липаза, фосфолипаза, эластаза, энтеротоксин А у Pseudomonas aeruginosa, амилаза и протеаза Aeromonas hydrophila, хитиназа, протеаза и холерный токсин Vibrio cholerae (J. Hacker at al., 2000). В связи с большим количеством и разнообразием субстратов, секретируемых через этот аппарат секреции, его называют “общим секреторным путем” (General Secretory Pathway, GSP).

Секреция третьего типа. Этот тип секреции, подобно первому типу, является независимым от Sec-системы. Характерной особенностью его является доставка субстратов (факторов вирулентности) непосредственно в клетку эукариотического хозяина, также наличие большого количества секреторных шаперонов. Сам аппарат включает в себя около двадцати белковых компонентов, большая часть которых расположена во внутренней мембране, и по структуре довольно схож с системой сборки жгутика. Посредством системы секреции третьего типа экспортируются многие факторы вирулентности патогенов человека и животных, а также Avr-белки, харпины и другие факторы вирулентности фитопатогенных бактерий (J. Hacker еt al., 2000).

Секреция четвертого типа. Аппарат секреции четвертого типа состоит из двух компонентов: конъюгационного канала, через который происходит транслокация субстратов, и конъюгационного пилюса, необходимого для контакта с реципиентной клеткой. Строение этой системы секреции сходно со строением аппарата конъюгации некоторых плазмид. Она также обладает широкой специфичностью как субстратов (экспортируются крупные нуклеопротеидные комплексы, сложные белковые токсины, мономерные белки), так и реципиентов, т.к. ими могут служить практически все живые организмы (S. Lory, 1998).

Секреция пятого типа. В некоторых публикациях именуется системой секреции четвертого типа. Эта система секреции включает в себя группу белков, называемых автотранспортерами, к числу которых относятся: протеазы (IgA) Neiseria gonorrhoeae, цитотоксин (Vac) Helicobacter pylori. Автотранспортеры экспортируются из цитоплазмы через Sec-систему с отщеплением сигнальной аминоконцевой последовательности. Некоторые из них могут оставаться заякоренными в клеточной стенке, другие же экспортируются непосредственно во внеклеточное пространство (J. Hacker еt al., 2000).

Строение системы секреции первого типа

В сравнении с другими системами секреции аппарат секреции первого типа устроен относительно просто. Во всех случаях он состоит из трех компонентов белковой природы. Первый принадлежит к классу АТФаз, называемых ABC-транспортерами и обеспечивает энергозависимые стадии процесса транспорта. Этот белок является заякоренным во внутренней мембране и ассоциированным со вторым белком MFP, обеспечивающим слияние цитоплазматической и наружной мембраны, и фактически образующим канал, через который транспортируется секретируемый белок. Третий белок OMP, так называемый белок-щвейцар (gatekeeper), локализован во внешней мембране. Его функцией является создание секреторного мембранного канала и его закрытие в отсутствие субстрата (D. Thanassi еt al., 2000).

Рис. 1. Строение системы секреции I типа.

(по D. Thanassi еt al., 2000)

Первый тип секреции используется широким кругом грамотрицательных бактерий для экспорта токсинов, протеаз, липаз. Кроме того, эта система сохраняется при переходе от прокариот к эукариотам и экспортирует большое число токсинов и антибиотиков. Система секреции первого типа является Sec-независимой и экспортирует белки в один этап непосредственно из цитоплазмы во внешнюю среду через внешнюю мембрану без периплазматических посредников. Субстраты этой системы секреции лишены сигнальных амино-концевых последовательностей, сигнал к секреции у них расположен на карбокси-конце в пределах последних 60 аминокислотных остатков (D. Thanassi еt al., 2000).

Система секреции α-гемолизина Escherichia сoli представляет собой прототип системы секреции первого типа, и на сегодняшний день хорошо изучена. Она состоит из трех компонентов: TolC, HlyD, HlyB. Белок TolC является аналогом OMP для экспорта α-гемолизина, и представляет собой тримерный комплекс, расположенный во внешней мембране. Предполагается, что он состоит из пориноподобного β-складчатого мембранного домена с гидрофильной карбокси-концевой областью, расположенной в периплазматическом пространстве. Однако, недавний анализ последовательности указывает на то, что TolC и другие OMP не являются поринами. OMP функционирует как канал секреции через внешнюю мембрану, что было доказано порообразующим действием олигомеров TolC в экспериментальных липидных бислоях (D. Thanassi еt al., 2000). Периплазматический MFP (HlyD) также является тримерным и взаимодействует и с OMP, и с ABC-транспортером (HlyB). HlyD содержит короткий гидрофильный амино-концевой домен, заякоренный во внутренней мембране, включающий около 150 аминокислотных остатков; крупный гидрофобный домен, расположенный в периплазме, включающий 275 аминокислотных остатков, и карбокси-концевой домен, имеющий β-складчатую структуру, способный связываться с внешней мембраной, содержащий 275 аминокислотных остатков (M. J. Fath еt al., 1993). Предполагается, что MFP облегчает секрецию субстрата без промежуточного периплазматического звена, формируя закрытый канал, соединяющий внутреннюю и внешнюю мембраны, и осуществляя прямой контакт между ABC-транспортером и OMP. Что касается HlyB, то его точное строение пока не установлено, предполагается, что он состоит из восьми доменов. Два из них в амино-концевой области и шесть в центральной гидрофобной области. Результаты экспериментального изучения этого аппарата привели к возникновению двух моделей секреции первого типа (D. Thanassi еt al., 2000).

Эксперименты по секреции α-гемолизина E. coli показывают, что ABC-транспортер и MFP ассоциируются еще до связывания с субстратом. Прикрепление субстрата к этому комплексу вызывает контакт MFP с OMP. Это соединение является обратимым, и разрушается сразу после экспорта субстрата. Энергия гидролиза АТФ посредством ABC-транспортера расходуется только на транслокацию субстрата и не требуется для связывания субстрата или для сборки комплекса (D. Thanassi еt al., 2000).

Эксперименты по секреции гемопротеина Serratia мarcescens и металлопротеазы Erwinia chrysanthemi указывают на немного иной порядок событий. По этой модели, ABC-транспортер и MFP не связываются перед закреплением субстрата. Субстрат в первую очередь связывается с ABC-транспортером, затем образовавшийся комплекс ассоциируется с MFP, и только потом происходит связывание с OMP, после чего происходит секреция субстрата. Для определения правильной модели, или для уточнения возможных индивидуальных отличий в функционировании аппарата секреции первого типа необходимы дальнейшие исследования (D. Thanassi еt al., 2000).

Было установлено, что ОМР системы секреции α-гемолизина (TolC), используется также в системе секреции колицина V и в некоторых других системах, например при сегрегации хромосом, а также он может формировать канал во внешней мембране, специфический для медикаментов. ОМР системы секреции гемопротеина S. marcescens, называемый HasF, является в высокой мере идентичным с TolC E. сoli. Для воссоздания секреции HasА у E. сoli необходимо наличие в качестве ОМР либо TolC, либо HasF, либо PrtF. Такие гибридные секреторные системы функционируют как для секреции HasA, так и для секреции протеазы. Это является типичным примером комплементации ОМР (R. Binet et al., 1997). В частности, степень гомологии между компонентами системы секреции липазы S. marcescens, белками lipB, lipC, lipD и компонентами транспортера металлопротеазы Er. chrysanthemi PrtD, PrtE, PrtF составляет 45-55%. А гомология между LipB и LipC, и HasD, и HasE у S. marcescens составляет 45-53%. Эти показатели считаются довольно высокими (H. Akatsuka et al., 1998). Однако было выявлено, что не все комбинации между компонентами гибридных секреторных систем являются активными. Так, HasE формирует активные экспортеры и с PrtF, и с TolC, тогда как PrtE может формировать активный экспортер только с PrtF, но не с TolC. Исследования этих мультибелковых комплексов in vitro подтвердили существование некоторых функциональных различий между HasE и PrtE. Полученные результаты могут быть полезными при определении сайтов, ответственных за связывание MFP и OMP (H. Akatsuka et aj., 1998).

С другой стороны, исследования in vivo и in vitro показывают, что HasD и PrtD могут образовывать активные секреторные системы с PrtE и HasE в любых комбинациях (H. Akatsuka et al., 1998).

Также были проведены исследования по изучению секреции липазы LipA S. marcescens посредством систем LipB-LipC-LipD и HasD-HasE-HasF. В результате опытов было выяснено, что HasD-HasE-HasF-транспортер осуществляет секрецию LipA так же эффективно, как и LipB-LipC-LipD. LipB-HasE-HasF-система могла производить секрецию LipA, но не была способна секретировать HasA, система HasD-Lip-CLipD не была способна к секреции обоих субстратов (H. Akatsuka et al., 1998).

В случае экспериментов с системами секреции липазы LipA S. marcescens и металлопротеазы PrtC E. chrysanthemi были получены сходные результаты, приведенные в таблице:

Таблица 1

Эффективность гибридных систем секреции (по H. Akatsuka et al., 1998).