Tutkimusalue

Katsaus bakteerien eritysjärjestelmään

Proteiinien eritys eli proteiinien kuljettaminen sytoplasmasta solun muihin osiin, ympäristöön ja/tai muihin bakteereihin tai eukaryoottisoluihin on yksi prokaryoottisolun keskeisistä toiminnoista. Prokaryootit ovat kehittäneet useita paikkojen välillä kulkevia proteiineja, jotka ovat suurelta osin mukana erityisten proteiinien eritysjärjestelmien avulla. Proteiinien eritysjärjestelmät ovat tärkeitä bakteerien kasvun kannalta, ja niistä on hyötyä monissa prosesseissa. On havaittu, että joitakin eritysjärjestelmiä on lähes kaikissa bakteereissa, ja ne erittävät monenlaisia substraatteja, kun taas toisia on löydetty vain muutamista bakteerilajeista, ja ne osallistuvat vain yhden tai muutaman proteiinin eritykseen. Tietyissä tapauksissa bakteeripatogeenit käyttävät näitä erityisiä eritysjärjestelmiä manipuloidakseen isäntää ja rakentaakseen replikatiivisen markkinaraon. Toisinaan nämä eritysjärjestelmät hyödyntävät ympäristön markkinarakoa auttaakseen bakteereja kilpailemaan läheisten mikro-organismien kanssa. Bakteerien eritysjärjestelmiä on olemassa useita eri luokkia, ja niiden rakenteet eroavat toisistaan proteiinisubstraatin transmembraanien lukumäärän perusteella.

Sytoplasmakalvon läpi tapahtuva eritys

On olemassa kaksi reittiä, jotka ovat bakteerien yleisimmin käyttämiä eritysjärjestelmiä proteiinien kuljettamiseen sytoplasmakalvon läpi: yleinen eritys (Sec) ja kaksoistranslokaatioväylä (Tat). Näitä kahta reittiä pidetään kaikkein parhaiten konservoituneina proteiinien erityismekanismeina, ja ne on tunnistettu kaikilla elämänalueilla (bakteerit, arkeologit ja eukarya). Bakteereissa Sec- ja Tat-reitit sijaitsevat periplasmassa tai sisemmässä kalvossa, ja ne kuljettavat useimpia proteiineja. Sec-reittien kautta kulkeutuvat ensisijaisesti taitamattomassa tilassa olevat proteiinit. Tämä järjestelmä koostuu kolmesta osasta: proteiinin kohdentamiskomponentista, moottoriproteiinista ja kalvoon integroituneesta johtavasta kanavasta, jota kutsutaan SecYEG-translokaasiksi. Toisin kuin Sec-reitti, Tat-reitti erittää pääasiassa taitettua proteiinia. Tämä reitti on tärkeä, koska kaikkia proteiineja ei voida erittää taittumattomassa tilassaan.

Proteiinien eritys gramnegatiivisilla bakteereilla

Erityisten eritysjärjestelmien varassa monet gramnegatiiviset bakteerit kuljettavat virulenssiproteiineja solun ulkopuolelle ja joissakin tapauksissa suoraan eukaryoottisen tai prokaryoottisen kohdesolun sytoplasmaan. Gramnegatiivisten bakteerien on haastavaa erittää solunulkoisia proteiineja, koska näiden proteiinien on läpäistävä kaksi tai jopa kolme fosfolipidikalvoa päästäkseen lopulta määränpäähänsä. Jotkin erittyvät proteiinit ylittävät nämä kalvot kahdessa erillisessä vaiheessa, joissa ne toimitetaan ensin periplasmaan Sec- tai Tat-eritysjärjestelmien kautta ja siirretään sitten ulkokalvon läpi toisen järjestelmän avulla, joka tunnetaan Sec- tai Tat-riippuvaisena proteiinien erityksenä. Lisäksi Sec- tai Tat-riippumattomana proteiinien erityksenä tunnettua prosessia käytetään monien muiden proteiinien eritykseen kanavien kautta, jotka ulottuvat sekä bakteerin sisä- että ulkokalvon yli. Nämä gramnegatiivisten bakteerien järjestelmät numeroidaan tyypistä I tyyppiin VI, ja kukin järjestelmä tukee tiettyä proteiinien osajoukkoa. β-barrel-kanavat ovat mukana näissä järjestelmissä, jotka muodostavat renkaan bakteerisolun ulommassa kalvossa, mutta osoittavat muutoin melkoista moninaisuutta rakenteissaan ja mekanistisissa toiminnoissaan.

Kuva 1. Bakteerisolun ulomman kalvon kanavat. Gramnegatiivisten bakteerien eritysjärjestelmät

Proteiinien eritys grampositiivisilla bakteereilla

Vastoin kuin gramnegatiivisilla bakteereilla, joilla on kaksi fosfolipidikalvoa, grampositiivisilla bakteereilla on vain yksi lipidikaksoiskerros, ja niitä peittää hyvin paksu soluseinä, joka on huomattavasti paksumpi kuin gramnegatiivisilla bakteereilla. Lisäksi on joitakin grampositiivisia bakteerilajeja, joilla on voimakkaasti lipidien muokkaama soluseinämä, jota kutsutaan mykomembraaniksi. Kun otetaan huomioon nämä erot solun perusrakenteessa, on selvää, että solunulkoisen proteiinin eritysmekanismit eroavat grampositiivisten ja gramnegatiivisten bakteerien välillä. Samoin kuin gramnegatiiviset organismit, grampositiiviset bakteerit käyttävät sekä Tat- että Sec-reittejä proteiinien kuljettamiseen sytoplasmakalvon läpi. Useimmissa tapauksissa se ei kuitenkaan riitä toimittamaan proteiineja määränpäähänsä. Samoin kuin gramnegatiiviset bakteerit, myös grampositiiviset patogeenit ilmentävät ulkopinnoillaan proteiineja, jotka auttavat grampositiivisia patogeenejä selviytymään nisäkäsisännän infektion aikana. Näiden proteiinien on upotuttava grampositiivisen bakteerin soluseinään, jotta ne pysyisivät bakteerin ulkopinnalla. Tämän tehtävän saavuttamiseksi grampositiiviset bakteerit koodaavat sortaaseiksi kutsuttuja entsyymiluokkia, jotka kiinnittävät proteiinit kovalenttisesti soluseinään sen jälkeen, kun ne ovat erittyneet sytoplasmakalvon läpi. Näiden sortaasien spesifisyys vaihtelee, esimerkiksi ”taloutta ylläpitävä” sortaasi, SrtA, voi kiinnittää soluseinään jopa 40 proteiinia, kun taas toiset sortaasit ovat uniikkeja vain yhdelle tai kahdelle proteiinille.

Kuvio 2. Sortaasien spesifisyys. Gram-positiivisten bakteerien eritysjärjestelmät