Кіріспе

Клеткалар мен тіндердің заттарды реттелген түрде босатуы. Секреция – бұл материалдың бір нүктеден екінші нүктеге қозғалысы, мысалы, жасушадан немесе безден шыққан химиялық заттың қозғалысы. Ал экскреция – бұл жасушадан немесе организмнен белгілі бір заттардың немесе қалдық өнімдердің шығарылуы. Жасуша секрециясының классикалық механизмі – плазмалық мембранадағы секреторлық тесіктер арқылы, олар поросомалар деп аталады. Поросомалар – жасуша мембранасына енген, секреторлық везикулалардың уақытша жабысып, жасуша ішіндегі мазмұнды босату үшін бірігуі мүмкін тұрақты, тостаған тәрізді липопротеин құрылымдары. Бактерия түрлеріндегі секреция – эффектор молекулаларының тасымалдануы немесе транслокациясы. Мысалы: ақуыздар, ферменттер немесе токсиндер (патогенді бактериялардағы, мысалы, Vibrio cholerae-дегі холера токсині сияқты) бактерия жасушасының ішкі жағынан (цитоплазма немесе цитозол) сыртқа қарай тасымалдануы. Секреция – бактериялардың табиғи ортадағы қызметі үшін, бейімделуі мен тіршілік етуі үшін өте маңызды механизм болып табылады.

Механизм

Эукариотикалық жасушалар, оның ішінде адам жасушалары, секреция процесінің жоғары дамыған түріне ие. Сыртқа бағытталған ақуыздар, эндоплазмалық торға (ЭР) бекітілген рибосомалар арқылы синтезделеді. Синтезделген кезде, бұл ақуыздар ЭР люменіне транслокацияланады, онда олар гликозильденеді және молекулалық шаперондар ақуыздың дұрыс бүгілуіне көмектеседі. Бұрыс бүлінген ақуыздар әдетте осы жерде анықталады және ЭР-мен байланысты ыдырау арқылы цитозольге қайта транслокацияланады, онда олар протеасомамен ыдырайды. Дұрыс бүлінген ақуыздарды қамтитын көпіршіктер Гольги аппаратына енгізіледі. Гольги аппаратында ақуыздардың гликозильдеуі өзгертіледі және одан әрі трансляциядан кейінгі модификациялар, соның ішінде кесілу және функционализация жүзеге асуы мүмкін. Содан кейін ақуыздар секреторлық көпіршіктерге көшіріледі, олар цитоскелет арқылы жасушаның шетіне дейін қозғалады. Секреторлық көпіршіктерде қосымша өзгерістер болуы мүмкін (мысалы, инсулин секреторлық көпіршіктерде проинсулинден кесіледі). Ақырында, экзоцитоз процесі арқылы, порсомалардағы жасушалық мембранамен көпіршіктер бірігіп, жасушаның сыртқы ортасына мазмұнын шығарады. Бұл тізбекке қатаң биохимиялық бақылау pH градиенті арқылы жүзеге асырылады: цитозольдің pH 7.4, ЭР-дің pH 7.0, ал цис-Гольгидің pH 6.5 құрайды. Секреторлық көпіршіктердің pH 5.0 мен 6.0 аралығында өзгереді; кейбір секреторлық көпіршіктер 4.8 pH-ға ие лизосомаларға айналады.

Адамның тіндерінде

Адамның көптеген жасуша түрлері секреторлық жасушалар болуға қабілетті. Олар осы функцияны атқару үшін жақсы дамыған эндоплазмалық тор және Гольджи аппаратына ие. Секреция өндіретін тіндерге асқазан-ішек жолы (ас қорыту ферменттері мен асқазан қышқылын бөліп шығарады), өкпелер (беттік белсенді заттарды бөліп шығарады) және тері мен шашты майлау үшін май бездері жатады. Көз қабағындағы мейбом бездері көзді майлау және қорғау үшін мейбум бөліп шығарады.

Грам-негативті бактерияларда

Секреция эукариоттарға ғана тән емес – ол бактериялар мен археяларда да кездеседі. АТФ байланыстыратын кассеталық (АВС) типті транспортерлер тіршілік әлемінің үш доменіне ортақ. Кейбір секрецияланатын ақуыздар цитоплазмалық мембрана арқылы SecYEG транслоконымен транслокацияланады, ол секрецияланатын ақуызда N-терминалды сигнал пептидінің болуын қажет ететін екі транслокациялық жүйенің бірі. Ал басқалары цитоплазмалық мембрана арқылы қос аргинин транслокациялық жолы (Tat) арқылы транслокацияланады. Грам-теріс бактерияларда екі мембрана болғандықтан, секреция топологиялық тұрғыдан күрделірек. Грам-теріс бактерияларда кем дегенде алты арнайы секреция жүйесі бар. Көптеген секрецияланатын ақуыздар бактериялық патогенезде маңызды рөл атқарады.

I типті секреция жүйесі (T1SS немесе TOSS)

I типті секреция – Hly және Tol гендер кластерлерін қолданатын шаперонға тәуелді секреция жүйесі. Процесс бөлінетін ақуыздың лидерлік тізбегін HlyA таниды және HlyB мембранаға байланыстырады. Бұл сигналдық тізбек ABC тасымалдағышы үшін өте ерекше. HlyAB кешені HlyD-ні стимуляциялайды, ол оралуын ашып, сыртқы мембранаға жетеді, онда TolC HlyD-дегі соңғы молекуланы немесе сигналды таниды. HlyD TolC-ді ішкі мембранаға тартады және HlyA ұзын туннельді ақуыз арнасы арқылы сыртқы мембранадан шығарылады. I типті секреция жүйесі иондардан, дәрі-дәрмектерден бастап әртүрлі өлшемдегі (20–900 кДа) ақуыздарға дейін әртүрлі молекулаларды тасымалдайды. Бөлінетін молекулалардың мөлшері кішкентай Escherichia coli пептиді колицин V (10 кДа) пен 520 кДа Pseudomonas fluorescens клеткасының адгезиялық протеині LapA-ға дейін ауытқиды. Ең жақсы сипатталғандары – RTX токсиндері және липазалар. I типті секреция циклдік β-глюкандар мен полисахаридтер сияқты ақуыз емес субстраттарды экспорттауға да қатысады.

II типті секреция жүйесі (T2SS)

II типті жүйе арқылы немесе жалпы секреторлық жолдың негізгі соңғы тармағы арқылы шығарылатын ақуыздар, бастапқыда периплазмаға тасымалдану үшін Sec немесе Tat жүйесіне тәуелді. Периплазмаға жеткеннен кейін, олар тесік түзетін секретин ақуыздарының көпқұрылымдық (12–14 суббірлік) кешені арқылы сыртқы мембранадан өтеді. Секретин ақуызынан басқа, толық секреция аппаратын құрайтын ішкі және сыртқы мембрананың 10–15 басқа ақуызы бар, олардың көпшілігінің функциясы әлі белгісіз. Грам-теріс IV типті пилилер өз биогенезі үшін II типті жүйенің өңделген нұсқасын пайдаланады, және кейбір жағдайларда белгілі бір ақуыздар пили кешені мен II типті жүйе арасында бір бактериялық түрде ортақ болады.

III типті секреция жүйесі (T3SS немесе TTSS)

Ол бактериялық флагелланың базальды денесімен гомологты. Бұл молекулалық шприц сияқты, осы арқылы бактериялар (мысалы, Salmonella, Shigella, Yersinia, Vibrio) эукариотты жасушаларға ақуыздарды инъекциялай алады. Цитозольдегі төмен Ca2+ концентрациясы T3SS-ті реттейтін қақпаны ашады. Yersinia pestis пайдаланатын lcrV (Low Calcium Response) антигені кальцийдің төмен концентрациясын анықтаудың осындай механизмін көрсетті, ол төмен кальций концентрациясын анықтау үшін қолданылады және T3SS-тің бекітілуін шақырады. Өсімдік патогендеріндегі Hrp жүйесі ұқсас механизмдер арқылы өсімдіктерге гарпин мен патогендік эффекторлық ақуыздарды инъекциялайды. Бұл секреция жүйесі алғаш рет Yersinia pestis-те анықталды және токсиндердің бактериялық цитоплазмадан тікелей иесінің жасушаларының цитоплазмасына инъекциялануы мүмкін екенін, жай ғана клеткадан тыс ортаға секрецияланбайтынын көрсетті.

IV типті секрециялық жүйе (T4SS немесе TFSS)

Ол бактериялардың конъюгация машинасына, конъюгациялық пилиге гомологты. Ол ДНК және ақуыздарды тасымалдауға қабілетті. Ол алғаш рет Agrobacterium tumefaciens бактериясында табылды, ол осы жүйені пайдаланып Ti плазмидінің T ДНК бөлігін өсімдік жасушаларына енгізеді, бұл зақымдалған аймақтың тамырлық омыршаға (ісікке) айналуына себеп болады. Helicobacter pylori асқазан эпителий жасушаларына CagA ақуызын жеткізу үшін IV типті секреция жүйесін пайдаланады, бұл асқазан карциногенезімен байланысты. Құсық ауруын қоздыратын Bordetella pertussis бактериясы құсық токсинінің бір бөлігін IV типті жүйе арқылы шығарады. Легионелла пневмофила, легионеллез (Легионера ауруы) қоздырғышы, эукариоттық жасушаларына көптеген эффектті ақуыздарды тасымалдау үшін ICM/DOT (жасушаішілік көбейту / органеллалардың тасымалдану гендеріндегі кемшілік) жүйесі деп аталатын IVB типті секреция жүйесін қолданады. IVA типті секреция жүйесінің классикалық мысалы – Agrobacterium tumefaciens VirB комплексі. Бұл отбасының ақуыздық құрамы IV типті секреция жүйесінің бөліктері болып табылады. Олар бактериялық конъюгация машиналарымен генетикалық байланысты механизм арқылы макромолекулалардың жасушаішілік тасымалдануын қамтамасыз етеді.

Функция

IV типті секреция жүйесі (T4SS) – бактериялық жасушалардың макромолекулаларды секрециялауы немесе сіңіруінің жалпы механизмі. Олардың нақты механизмі әлі белгісіз. T4SS бактериялардағы грам-теріс конъюгациялық элементтерде кодталған. T4SS – жасушалық қабық арқылы өтетін кешендер, яғни донор жасушасының цитоплазмасынан қабылдаушы жасушаның цитоплазмасына ДНК мен ақуыздардың өтуіне мүмкіндік беретін 11–13 негізгі ақуыз. T4SS сондай-ақ вируленттілік факторларын тікелей қожайын жасушаларына секрециялайды, ал табиғи трансформация кезінде ортадан ДНК сіңіреді.

Құрылымы

Жоғарыда көрсетілгендей, TraC, әсіресе, үш спиральді шоғырдан және еркін шар тәрізді қосымшадан құралған.

V типті секреция жүйесі (T5SS)

Автотранспортер жүйесі деп те аталатын V типті секреция, ішкі мембрананы кесіп өту үшін Sec жүйесін пайдалануды қамтиды. Бұл жолмен тасымалданатын белоктар өз С-ұшымен бета-барель құруға қабілетті, ол сыртқы мембранаға еніп, пептидтің қалған бөлігінің (жолаушы доменнің) жасуша сыртына жетуіне мүмкіндік береді. Көбінесе автотранспортерлер кесіледі, нәтижесінде бета-барель домені сыртқы мембранада қалады, ал жолаушы домен босатылады. Кейбір зерттеушілер автотранспортерлердің қалдықтарынан ұқсас бета-барель құрылымдарын құрайтын пориндер пайда болғанын айтады. Осы секреция жүйесін пайдаланатын автотранспортердің кең таралған мысалы – тримерлік автотранспортерлік адгезиндер.

VI типті секрециялық жүйе (T6SS)

VI типті секреция жүйелері алғаш рет 2006 жылы Гарвард медицина мектебіндегі (АҚШ, Бостон) Джон Мекаланос тобы Vibrio cholerae және Pseudomonas aeruginosa бактериялық патогендерінде анықталды. Бұл, Vibrio cholerae-дегі Hcp және VrgG гендеріндегі мутациялар вируленттілік және патогендік қасиеттердің төмендеуіне себеп болғанда байқалды. Содан бері VI типті секреция жүйелері барлық протеобактерия геномдарының төрттен бірінде, оның ішінде жануарлар, өсімдіктер, адам патогендері, сондай-ақ топырақ, қоршаған орта және теңіз бактерияларында кездеседі. VI типті секрецияның алғашқы зерттеулері негізінен жоғары сатыдағы организмдердің патогенезіндегі рөліне бағытталған болса, соңғы зерттеулер қарапайым эукариоттық хищниктерге қарсы қорғаныстағы кеңірек физиологиялық рөлін және бактериялар арасындағы өзара әрекеттесудегі маңыздылығын көрсетті. VI типті секреция жүйесінің ген кластерлері 15-ден 20-дан астам генді қамтиды, олардың ішінде Hcp және VgrG екеуі жүйенің дерлік барлық жағдайда секрецияланатын субстраттары болып табылады. Осы және басқа да белоктардың құрылымдық талдауы T4 фагының құйрық тікенегімен ұқсас екенін көрсетті, ал жүйенің активтілігі фаг инфекциясына ұқсас функционалдық қасиеттерге ие деп саналады.

Сыртқы мембраналық көпіршіктердің босауы

Жоғарыда аталған мультибелок кешендерін пайдаланудан басқа, грам-теріс бактерияларда материалды босатудың тағы бір тәсілі бар: бактериялық сыртқы мембрана көпіршіктерінің қалыптасуы. Сыртқы мембрананың бөліктері кесіліп, липополисахаридтерге бай липидтік екі қабаттан тұратын, наноөлшемді шар тәрізді құрылымдарды құрайды, олар периплазмалық материалдарды қоршап, қоршаған ортаға әсер ету немесе ие-патоген арақатынасында жаулап кіру үшін мембрана көпіршіктерін тасымалдауға қолданылады. Көптеген бактерия түрлерінен алынған көпіршіктердің құрамында вируленттілік факторлары, кейбіреулері иммуномодуляциялық әсерге ие, ал кейбіреулері тікелей ие жасушаларына жабысып, уландыруға қабілетті екені анықталды. Көпіршіктердің шығарылуы стрестік жағдайларға жауап ретінде жүзеге асырылады, бірақ жүктік белоктарды жүктеу процесі таңдамалы болып көрінеді.

Грам-позитивті бактерияларда

Кейбір Staphylococcus және Streptococcus түрлерінде қосымша секреторлық жүйе жоғары қайталанатын адгезиялық гликопротеиндерді шығаруды қамтамасыз етеді.