Forschungsbereich

Übersicht über das bakterielle Sekretionssystem

Die Proteinsekretion, der Transport von Proteinen aus dem Zytoplasma in andere Teile der Zelle, in die Umwelt und/oder in andere Bakterien oder eukaryotische Zellen, ist eine der wesentlichen Funktionen einer prokaryotischen Zelle. Prokaryonten haben eine Reihe von Transportproteinen entwickelt, die größtenteils mit Hilfe spezieller Proteinsekretionssysteme zwischen verschiedenen Orten transportiert werden. Proteinsekretionssysteme sind für das Wachstum von Bakterien wichtig und bei vielen Prozessen von Nutzen. Es wurde festgestellt, dass einige Sekretionssysteme fast in allen Bakterien vorkommen und eine Vielzahl von Substraten sezernieren, während andere nur in einigen wenigen Bakterienarten gefunden wurden und nur ein oder wenige Proteine sezernieren. In bestimmten Fällen nutzen bakterielle Krankheitserreger diese speziellen Sekretionssysteme, um den Wirt zu manipulieren und sich eine Replikationsnische zu schaffen. In anderen Fällen nutzen diese Sekretionssysteme eine Nische in der Umwelt, um den Bakterien zu helfen, mit benachbarten Mikroorganismen zu konkurrieren. Es gibt mehrere verschiedene Klassen von bakteriellen Sekretionssystemen, deren Aufbau sich nach der Anzahl der Transmembranen im Proteinsubstrat unterscheidet.

Sekretion durch die Zytoplasmamembran

Es gibt zwei Wege, die die am häufigsten verwendeten bakteriellen Sekretionssysteme für den Transport von Proteinen durch die Zytoplasmamembran sind: der allgemeine Sekretionsweg (Sec) und der Zwillings-Arginin-Translokationsweg (Tat). Diese beiden Wege gelten als die am stärksten konservierten Mechanismen der Proteinsekretion und wurden in allen Bereichen des Lebens (Bakterien, Archaeen und Eukaryonten) identifiziert. Bei Bakterien befinden sich Sec- und Tat-Sekretionswege im Periplasma oder in der inneren Membran und transportieren die meisten Proteine. Proteine in ungefaltetem Zustand werden in erster Linie über den Sec-Stoffwechselweg befördert. Dieses System besteht aus drei Teilen: einer Protein-Zielkomponente, einem Motorprotein und einem membranintegrierten Leitkanal, der SecYEG-Translokase genannt wird. Im Gegensatz zum Sec-Weg sezerniert der Tat-Weg hauptsächlich gefaltetes Protein. Dieser Weg ist wichtig, weil nicht alle Proteine in ihrem ungefalteten Zustand sezerniert werden können.

Proteinsekretion durch gramnegative Bakterien

Eine Reihe von gramnegativen Bakterien bedient sich spezieller Sekretionssysteme, um Virulenzproteine außerhalb der Zelle und in manchen Fällen direkt in das Zytoplasma einer eukaryotischen oder prokaryotischen Zielzelle zu transportieren. Die Sekretion extrazellulärer Proteine stellt für gramnegative Bakterien eine Herausforderung dar, da diese Proteine zwei oder sogar drei Phospholipidmembranen durchqueren müssen, um schließlich an ihr Ziel zu gelangen. Einige sezernierte Proteine durchqueren diese Membranen in zwei separaten Schritten, wobei sie zunächst über das Sec- oder Tat-Sekretionssystem in das Periplasma gelangen und dann durch ein zweites System, die so genannte Sec- oder Tat-abhängige Proteinsekretion, über die äußere Membran transportiert werden. Darüber hinaus werden viele andere Proteine durch Kanäle, die sowohl die innere als auch die äußere Bakterienmembran umspannen, über einen Prozess sezerniert, der als Sec- oder Tat-unabhängige Proteinsekretion bekannt ist. Diese Systeme in gramnegativen Bakterien sind von Typ I bis Typ VI nummeriert, wobei jedes System eine spezifische Untergruppe von Proteinen unterstützt. β-Fass-Kanäle sind an diesen Systemen beteiligt, die einen Ring in der äußeren Membran der Bakterienzelle bilden, zeigen aber ansonsten eine ziemliche Vielfalt in ihren Strukturen und mechanistischen Funktionen.

Abbildung 1. Sekretionssysteme in gramnegativen Bakterien

Proteinsekretion durch grampositive Bakterien

Im Gegensatz zu den gramnegativen Bakterien, die zwei Phospholipidmembranen besitzen, enthalten grampositive Bakterien nur eine Lipiddoppelschicht und sind von einer sehr dicken Zellwand bedeckt, die wesentlich dicker ist als die von gramnegativen Bakterien. Darüber hinaus gibt es einige Gram-positive Bakterienarten, die eine stark durch Lipide modifizierte Zellwand, eine so genannte Mykomembran, besitzen. In Anbetracht dieser Unterschiede in der grundlegenden Zellstruktur liegt es auf der Hand, dass sich die Mechanismen der extrazellulären Proteinsekretion zwischen grampositiven und gramnegativen Bakterien unterscheiden. Ähnlich wie die Gram-negativen Organismen nutzen Gram-positive Bakterien sowohl den Tat- als auch den Sec-Weg, um Proteine durch die Zytoplasmamembran zu transportieren. In den meisten Fällen reicht dies jedoch nicht aus, um die Proteine an ihr Ziel zu bringen. Ähnlich wie bei ihren gramnegativen Gegenspielern werden auch die Proteine, die Gram-positiven Krankheitserregern das Überleben während der Infektion eines Säugetierwirts ermöglichen, auf ihrer äußeren Oberfläche exprimiert. Diese Proteine müssen sich in die Zellwand des grampositiven Bakteriums einbetten, um an der äußeren Oberfläche des Bakteriums festgehalten zu werden. Um diese Funktion zu erfüllen, kodieren Gram-positive Bakterien eine Klasse von Enzymen, die so genannten Sortasen, die die Proteine nach der Sekretion durch die Zytoplasmamembran kovalent an die Zellwand binden. Diese Sortasen unterscheiden sich in ihrer Spezifität, z. B. kann die „Housekeeping“-Sortase SrtA bis zu 40 Proteine an die Zellwand binden, während andere Sortasen nur für ein oder zwei Proteine einzigartig sind.

Abbildung 2. Sekretionssysteme in Gram-positiven Bakterien