研究領域

細菌分泌システムの概要

タンパク質分泌（細胞質から細胞の他の部分や環境、他の細菌や真核細胞へタンパク質を輸送する）は、原核細胞の必須機能の1つである。 原核生物は、専用のタンパク質分泌システムの助けを借りて、主に関与する場所間の輸送タンパク質を数多く開発してきた。 タンパク質分泌システムは、細菌の増殖に重要であり、多くのプロセスで有用である。 分泌システムの中には、ほとんど全ての細菌に存在し、多種多様な基質を分泌するものもあれば、ごく一部の細菌種に存在し、1つまたはいくつかのタンパク質のみを分泌するものもあることが分かっている。 ある種の場合、細菌性病原体はこれらの専用分泌システムを用いて宿主を操作し、複製ニッチを構築する。 また、これらの分泌系は、細菌が近隣の微生物と競争するのを助けるために、環境ニッチを利用することもある。 細胞質膜を通過する分泌システム

細胞質膜を通過するタンパク質の輸送に最もよく使われる細菌分泌システムには、一般分泌（Sec）経路と双子アルギニン転移（Tat）経路の2つの経路が存在する。 この2つの経路は、最も高度に保存されたタンパク質分泌機構と考えられており、すべての生命のドメイン（バクテリア、古細菌、真核生物）で同定されている。 細菌では、Sec経路とTat経路はペリプラズムまたは内膜に存在し、ほとんどのタンパク質を輸送する。 アンフォールド状態のタンパク質は、主にSec経路によって輸送される。 このシステムは、タンパク質ターゲティングコンポーネント、モータータンパク質、そしてSecYEGトランスロカーゼと呼ばれる膜に統合された伝導チャネルの3つの部分から構成されている。 Sec経路とは対照的に、Tat経路では主に折り畳まれたタンパク質が分泌される。 すべてのタンパク質がフォールディングされていない状態で分泌されるわけではないので、この経路は重要である。

グラム陰性菌によるタンパク質分泌

多くのグラム陰性菌は、専用の分泌システムを用いて、病原性タンパク質を細胞外に、時には真核生物や原核生物の標的細胞の細胞質内に直接輸送することが頼みの綱である。 グラム陰性菌が細胞外タンパク質を分泌するのは、最終的に目的地に到着するまでに、2つ、あるいは3つのリン脂質膜を通過しなければならないからである。 分泌されたタンパク質の中には、SecまたはTat分泌系を介してペリプラスムに送られた後、SecまたはTat依存性タンパク質分泌と呼ばれる第2のシステムによって外膜を通過する、2つの別々のステップでこれらの膜を通過するものがある。 さらに、SecまたはTat非依存性タンパク質分泌系として知られるプロセスを用いて、他の多くのタンパク質が細菌の内膜と外膜の両方にまたがるチャネルを介して分泌される。 グラム陰性菌のこれらのシステムは、タイプIからタイプVIまで番号が付けられており、それぞれのシステムが特定のサブセットのタンパク質をサポートしている。β-バレルチャネルは、細菌細胞の外膜にリングを形成するシステムにおいてこれらに関与しているが、それ以外の構造および機構的機能においてかなりの多様性を示す

図1. グラム陰性菌の分泌系

グラム陽性菌のタンパク質分泌

2つのリン脂質膜を持つグラム陰性菌に対し、グラム陽性菌は1つの脂質二重層のみを持ち、グラム陰性菌よりかなり厚い細胞壁で覆われている。 また、グラム陽性菌の中には、菌膜と呼ばれる脂質で大きく修飾された細胞壁を持つ種もある。 このような細胞の基本構造の違いを考慮すると、グラム陽性菌とグラム陰性菌では、細胞外へのタンパク質分泌のメカニズムが異なることは明らかである。 グラム陽性菌は、グラム陰性菌と同様に、Tat経路とSec経路の両方に依存して細胞質膜を通過してタンパク質を輸送する。 しかし、ほとんどの場合、この経路ではタンパク質を目的地に届けることはできない。 また、グラム陰性菌と同様に、グラム陽性菌が哺乳類宿主に感染した際に生存を助けるタンパク質は、その外表面に発現している。 これらのタンパク質は、グラム陽性菌の細胞壁に埋め込まれ、菌体外表面に保持される必要がある。 この機能を実現するために、グラム陽性菌はソルターゼと呼ばれる一群の酵素をコードしており、細胞質膜を越えて分泌されたタンパク質を細胞壁に共有結合させるようになっている。 例えば、「ハウスキーピング」ソーターゼである SrtA は 40 種類ものタンパク質を細胞壁に付着させることができるが、他のソーターゼは 1 つまたは 2 つのタンパク質に対してのみ特異的である

図 2. グラム陽性菌の分泌系

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