Forskningsområde

Översikt över bakteriesekretionssystem

Proteinsekretion, dvs. transport av proteiner från cytoplasman till andra delar av cellen, miljön och/eller andra bakterier eller eukaryota celler, är en av de viktigaste funktionerna i en prokaryotad cell. Prokaryoter har utvecklat ett antal proteiner som transporterar proteiner mellan olika platser och som till stor del är involverade i hjälp av särskilda proteinsekretionssystem. Proteinutsöndringssystemen är viktiga för bakteriernas tillväxt och är användbara i många processer. Det har visat sig att vissa sekretionssystem finns nästan i alla bakterier och att de kommer att utsöndra en mängd olika substrat, medan andra har hittats i bara några få bakteriearter och är involverade i att utsöndra endast ett eller ett fåtal proteiner. I vissa fall använder bakteriella patogener dessa särskilda sekretionssystem för att manipulera värden och bygga upp en replikatorisk nisch. Andra gånger utnyttjar dessa sekretionssystem en miljönisch för att hjälpa bakterierna att konkurrera med närliggande mikroorganismer. Det finns flera olika klasser av bakteriella sekretionssystem och deras utformning skiljer sig åt beroende på antalet transmembraner i proteinsubstratet.

Sekretion över cytoplasmimembranet

Det finns två vägar som är de bakteriella sekretionssystem som oftast används för att transportera proteiner över cytoplasmimembranet: den generella sekretionsvägen (Sec) och den dubbla arginintranslokationsvägen (Tat). Dessa två vägar anses vara de mest bevarade mekanismerna för proteinsekretion och har identifierats i alla livets domäner (bakterier, arkéer och eukarya). I bakterier finns Sec- och Tat-vägarna i periplasman eller det inre membranet och transporterar de flesta proteiner. Proteiner i oveckat tillstånd transporteras i första hand av Sec-vägarna. Detta system består av tre delar: en komponent som riktar proteinet, ett motorprotein och en membranintegrerad ledningskanal, som kallas SecYEG-translokas. Till skillnad från Sec-vägen utsöndrar Tat-vägen huvudsakligen veckat protein. Denna väg är viktig eftersom alla proteiner inte kan utsöndras i oveckat tillstånd.

Proteinsekretion av gramnegativa bakterier

Dedikerade sekretionssystem används av ett antal gramnegativa bakterier för att transportera virulenta proteiner utanför cellen och, i vissa fall, direkt in i cytoplasman hos en eukaryot eller prokaryot målcell. Det är en utmaning för gramnegativa bakterier att utsöndra extracellulära proteiner, eftersom dessa proteiner måste korsa två eller till och med tre fosfolipidmembran för att slutligen nå fram till sin destination. Vissa utsöndrade proteiner korsar dessa membran i två separata steg, där de först levereras till periplasman via Sec- eller Tat-sekretionssystemen och sedan överförs över det yttre membranet av ett andra system, som kallas Sec- eller Tat-beroende proteinsekretion. Dessutom används en process som kallas Sec- eller Tat-oberoende proteinsekretion för att utsöndra många andra proteiner genom kanaler som sträcker sig över både det inre och det yttre bakteriemembranet. Dessa system i de gramnegativa bakterierna numreras från typ I till typ VI, och varje system stöder en specifik undergrupp av proteiner. β-barrelkanaler är involverade i dessa i system som bildar en ring i bakteriecellens yttre membran, men uppvisar en ganska stor mångfald i sina strukturer och mekanistiska funktioner i övrigt.

Figur 1. Sekretionssystem hos gramnegativa bakterier

Proteinsekretion hos grampositiva bakterier

I motsats till de gramnegativa bakterierna, som har två fosfolipidmembran, innehåller grampositiva bakterier endast ett lipiddubbelskikt och är täckta av en mycket tjock cellvägg som är betydligt tjockare än den hos gramnegativa bakterier. Dessutom finns det vissa arter av grampositiva bakterier som har en cellvägg som är starkt modifierad av lipider och som kallas mykomembran. Med tanke på dessa skillnader i den grundläggande cellstrukturen är det uppenbart att mekanismerna för extracellulär proteinutsöndring skiljer sig åt mellan grampositiva bakterier och gramnegativa bakterier. I likhet med gramnegativa organismer förlitar sig grampositiva bakterier på både Tat- och Sec-vägarna för att transportera proteiner över cytoplasmimembranet. I de flesta fall är det dock inte tillräckligt för att leverera proteinerna till sin destination. I likhet med sina gramnegativa motsvarigheter uttrycks proteiner som hjälper grampositiva patogener att överleva vid infektion av en däggdjursvärd på deras yttre ytor. Dessa proteiner måste bäddas in i den grampositiva bakteriens cellvägg för att kunna hållas kvar på bakteriens yttre yta. För att uppnå denna funktion kodar grampositiva bakterier för en klass av enzymer, s.k. sortaser, som på ett kovalent sätt gör proteinerna fästa vid cellväggen efter sekretion genom cytoplasmimembranet. Dessa sortaser varierar i sin specificitet, till exempel kan ”hushållssortaser”, SrtA, fästa så många som 40 proteiner på cellväggen, medan andra sortaser är unika för endast ett eller två proteiner.

Figur 2. Sekretionssystem hos grampositiva bakterier

.