Onderzoeksgebied

Overzicht van bacterieel secretiesysteem

Eiwitafscheiding, het transport van eiwitten vanuit het cytoplasma naar andere delen van de cel, het milieu en/of andere bacteriën of eukaryote cellen, is een van de essentiële functies van een prokaryote cel. Prokaryoten hebben een aantal eiwitten ontwikkeld die eiwitten van de ene naar de andere plaats transporteren en die grotendeels betrokken zijn bij de hulp van specifieke eiwit-secretiesystemen. Eiwitafscheidingssystemen zijn belangrijk voor de groei van bacteriën en zijn nuttig bij een groot aantal processen. Gebleken is dat sommige secretiesystemen bijna in alle bacteriën voorkomen en dat zij een grote verscheidenheid van substraten zullen afscheiden, terwijl andere slechts in enkele bacteriesoorten zijn aangetroffen en betrokken zijn bij de afscheiding van slechts één of enkele eiwitten. In bepaalde gevallen gebruiken bacteriële pathogenen deze specifieke secretiesystemen om de gastheer te manipuleren en een replicatieve niche op te bouwen. Andere keren maken deze secretiesystemen gebruik van een niche in de omgeving om bacteriën te helpen concurreren met micro-organismen in de buurt. Er bestaan verschillende klassen van bacteriële secretiesystemen, en hun ontwerpen verschillen op basis van het aantal transmembranen in het eiwitsubstraat.

Secretie over het cytoplasmamembraan

Er zijn twee paden die de bacteriële secretiesystemen zijn die het meest worden gebruikt om eiwitten over het cytoplasmamembraan te transporteren: de algemene secretie (Sec) en de dubbele arginine translocatie (Tat) paden. Deze twee routes worden beschouwd als de meest geconserveerde mechanismen van eiwitsecretie, en zijn in alle domeinen van het leven geïdentificeerd (bacteriën, archaea en eukarya). Bij bacteriën bevinden Sec en Tat zich in het periplasma of het binnenmembraan, en transporteren ze de meeste eiwitten. Eiwitten in ongevouwen toestand worden hoofdzakelijk getransporteerd door de Sec-banen. Dit systeem bestaat uit drie delen: een component voor het richten van eiwitten, een motoreiwit, en een in het membraan geïntegreerd geleidingskanaal, dat het SecYEG translocase wordt genoemd. In tegenstelling tot de Sec pathway, scheidt de Tat pathway voornamelijk gevouwen eiwitten af. Deze route is belangrijk omdat niet alle eiwitten in ongevouwen toestand kunnen worden afgescheiden.

Eiwitafscheiding door Gram-negatieve bacteriën

Eigen afscheidingssystemen worden door een aantal Gram-negatieve bacteriën gebruikt om virulentie-eiwitten buiten de cel en soms rechtstreeks in het cytoplasma van een eukaryote of prokaryote doelcel te transporteren. Het is een uitdaging voor Gram-negatieve bacteriën om extracellulaire eiwitten uit te scheiden, omdat deze eiwitten twee of zelfs drie fosfolipidemembranen moeten passeren om uiteindelijk op hun bestemming aan te komen. Sommige gesecreteerde eiwitten passeren deze membranen in twee afzonderlijke stappen, waarbij zij eerst via het Sec- of Tat-secretiesysteem in het periplasma terechtkomen en vervolgens via een tweede systeem, dat bekend staat als Sec- of Tat-afhankelijke eiwitsecretie, over het buitenmembraan worden getransporteerd. Daarnaast wordt een proces dat bekend staat als Sec- of Tat-onafhankelijke eiwitafscheiding gebruikt om vele andere eiwitten af te scheiden via kanalen die zowel de binnen- als de buitenmembraan van de bacterie omspannen. Deze systemen in de Gram-negatieve bacteriën zijn genummerd van Type I tot Type VI, waarbij elk systeem een specifieke subset van eiwitten ondersteunt. β-barrel kanalen zijn betrokken bij deze in systemen die een ring vormen in het buitenmembraan van de bacteriële cel, maar vertonen voor het overige een behoorlijke diversiteit in hun structuren en mechanistische functies.

Figuur 1. Afscheidingssystemen bij Gram-negatieve bacteriën

Eiwitafscheiding door Gram-positieve bacteriën

In tegenstelling tot de Gram-negatieve bacteriën, die twee fosfolipidemembranen bezitten, bevatten Gram-positieve bacteriën slechts één lipide-bilaag en zijn ze bedekt met een zeer dikke celwand, die aanzienlijk dikker is dan die van Gram-negatieve bacteriën. Bovendien zijn er enkele soorten Gram-positieve bacteriën die een celwand hebben die sterk gemodificeerd is met lipiden, een zogeheten mycomembraan. Gezien deze verschillen in de basiscelstructuur is het duidelijk dat de mechanismen van de extracellulaire eiwitscheiding verschillen tussen de Gram-positieve bacteriën en de Gram-negatieve bacteriën. Net als bij de Gram-negatieve organismen vertrouwen Gram-positieve bacteriën op zowel de Tat- als de Sec-route om eiwitten over het cytoplasmamembraan te transporteren. In de meeste gevallen is dit echter niet voldoende om de eiwitten op hun bestemming te krijgen. Net als bij hun Gram-negatieve tegenhangers komen eiwitten die Gram-positieve pathogenen helpen te overleven tijdens de infectie van een zoogdiergastheer, tot expressie op hun buitenoppervlak. Deze eiwitten moeten zich in de celwand van de Gram-positieve bacterie vastzetten om aan het buitenoppervlak van de bacterie te worden vastgehouden. Om deze functie te verwezenlijken wordt een klasse enzymen, sortasen genaamd, gecodeerd door Gram-positieve bacteriën, die de eiwitten covalent aan de celwand vastmaken na secretie over het cytoplasmamembraan. Deze sortasen verschillen in hun specificiteit; zo kunnen de “huishoudelijke” sortasen, SrtA, wel 40 eiwitten aan de celwand hechten, terwijl andere sortasen uniek zijn voor slechts één of twee eiwitten.

Figuur 2. Secretiesystemen bij Gram-positieve bacteriën