Введение
Контролируемое высвобождение веществ клетками или тканями.
Секреция – это перемещение вещества из одной точки в другую, например, секретируемого химического соединения из клетки или железы. В отличие от этого, экскреция – это удаление определенных веществ или продуктов отходов из клетки или организма. Классический механизм клеточной секреции осуществляется через секреторные каналы на плазматической мембране, называемые поросомами. Поросомы – это постоянные чашеобразные липопротеиновые структуры, встроенные в клеточную мембрану, к которым временно прикрепляются и сливаются секреторные везикулы, высвобождая содержимое везикул из клетки. У бактерий секреция означает транспорт или транслокацию эффекторных молекул, например, белков, ферментов или токсинов (таких как холерный токсин у патогенных бактерий, например, Vibrio cholerae) изнутри (цитоплазмы или цитозоля) бактериальной клетки наружу. Секреция – важнейший механизм функционирования и деятельности бактерий в их естественной среде обитания для адаптации и выживания.
Secretion is the movement of material from one point to another, such as a secreted chemical substance from a cell or gland. In contrast, excretion is the removal of certain substances or waste products from a cell or organism. The classical mechanism of cell secretion is via secretory portals at the plasma membrane called porosomes. Porosomes are permanent cup shaped lipoprotein structures embedded in the cell membrane, where secretory vesicles transiently dock and fuse to release intra vesicular contents from the cell. Secretion in bacterial species means the transport or translocation of effector molecules. For example: proteins, enzymes or toxins (such as cholera toxin in pathogenic bacteria e. g. Vibrio cholerae) from across the interior (cytoplasm or cytosol) of a bacterial cell to its exterior. Secretion is a very important mechanism in bacterial functioning and operation in their natural surrounding environment for adaptation and survival.
Механизм
У эукариотических клеток, включая клетки человека, имеется высокоразвитый процесс секреции. Белки, предназначенные для внеклеточной среды, синтезируются рибосомами, прикрепленными к шероховатому эндоплазматическому ретикулуму (ЭР). По мере синтеза эти белки транслоцируются в просвет ЭР, где они гликозилируются, а молекулярные шапероны способствуют правильной укладке белка. Неправильно свернутые белки обычно идентифицируются здесь и ретротранслоцируются посредством ЭР-ассоциированной деградации в цитозоль, где они разрушаются протеасомой. Везикулы, содержащие правильно свернутые белки, затем поступают в аппарат Гольджи. В аппарате Гольджи гликозилирование белков модифицируется и могут происходить дальнейшие посттрансляционные модификации, включая расщепление и функционализацию. Затем белки перемещаются в секреторные везикулы, которые движутся вдоль цитоскелета к краю клетки. Дополнительная модификация может происходить в секреторных везикулах (например, инсулин отщепляется от проинсулина в секреторных везикулах). В конечном итоге происходит слияние везикулы с плазматической мембраной в поросомах посредством процесса, называемого экзоцитозом, что приводит к высвобождению содержимого во внеклеточную среду. Строгий биохимический контроль над этой последовательностью обеспечивается использованием градиента pH: pH цитозоля составляет 7,4, pH ЭР – 7,0, а цис-Гольджи имеет pH 6,5. Секреторные везикулы имеют pH в диапазоне от 5,0 до 6,0; некоторые секреторные везикулы превращаются в лизосомы, которые имеют pH 4,8.
В тканях человека
Многие типы клеток человека обладают способностью быть секреторными. Для выполнения этой функции у них хорошо развиты эндоплазматическая сеть и аппарат Гольджи. К тканям, производящим секреты, относятся желудочно-кишечный тракт, выделяющий пищеварительные ферменты и желудочный сок, легкие, секретирующие сурфактант, и сальные железы, выделяющие себум для смазки кожи и волос. Меибомиевы железы века секретируют мейбум для смазки и защиты глаза.
В граммо-отрицательных бактериях
Секреция не уникальна для эукариот – она также встречается у бактерий и архей. Транспортеры типа АТФ-связывающей кассеты (ABC) широко распространены во всех трех доменах жизни. Некоторые секретируемые белки транслоцируются через цитоплазматическую мембрану транслоконом SecYEG, одной из двух систем транслокации, для чего необходимо наличие N-концевого сигнального пептида на секретируемом белке. Другие транслоцируются через цитоплазматическую мембрану по двойному аргининному пути транслокации (Tat). У грамотрицательных бактерий две мембраны, что делает процесс секреции топологически более сложным. В грамотрицательных бактериях существует по крайней мере шесть специализированных систем секреции. Многие секретируемые белки играют особенно важную роль в бактериальном патогенезе.
Система секреции типа I (T1SS или TOSS)
Секреция типа I – это система секреции, зависящая от шаперона, использующая кластеры генов *hly* и *tol*. Процесс начинается с распознавания лидерной последовательности секретируемого белка белком HlyA, который связывается с HlyB на мембране. Эта сигнальная последовательность крайне специфична для ABC-транспортера. Комплекс HlyAB стимулирует HlyD, который начинает разворачиваться и достигает внешней мембраны, где TolC распознает терминальную молекулу или сигнал на HlyD. HlyD рекрутирует TolC к внутренней мембране, а HlyA экскретируется за пределы внешней мембраны через длинный туннельный белковый канал. Система секреции типа I транспортирует различные молекулы, от ионов и лекарств до белков разных размеров (20–900 кДа). Размер секретируемых молекул варьируется от небольшого пептида колицина V *Escherichia coli* (10 кДа) до клеточного адгезионного белка LapA *Pseudomonas fluorescens* массой 520 кДа. Наиболее хорошо изучены RTX-токсины и липазы. Секреция типа I также участвует в экспорте небелковых субстратов, таких как циклические β-глюканы и полисахариды.
Система секреции типа II (T2SS)
Белки, секретируемые через систему типа II, или главную терминальную ветвь общего секреторного пути, зависят от систем Sec или Tat для начальной транспортировки в периплазму. Попав туда, они проходят через внешнюю мембрану посредством мультимерического (12–14 субъединиц) комплекса, формирующего поры из секретиновых белков. Помимо секретинового белка, полный секреционный аппарат состоит из 10–15 других белков внутренних и внешних мембран, многие из которых имеют пока неизвестную функцию. Грам-отрицательные пили IV типа используют модифицированную версию системы типа II для своего биогенеза, и в некоторых случаях определенные белки общие как для комплекса пили, так и для системы типа II у одного и того же вида бактерий.
Система секреции типа III (T3SS или TTSS)
Он является гомологом базального тельца в бактериальных жгутиках. Это подобно молекулярному шприцу, посредством которого бактерия (например, определенные типы Salmonella, Shigella, Yersinia, Vibrio) может вводить белки в эукариотические клетки. Низкая концентрация Ca2+ в цитозоле открывает канал, регулирующий T3SS. Один из таких механизмов обнаружения низкой концентрации кальция продемонстрирован антигеном lcrV (Low Calcium Response), используемым Yersinia pestis, который служит для определения низкой концентрации кальция и инициирует сборку T3SS. Система Hrp у фитопатогенов вводит гарпины и эффекторные белки патогена в растения по схожим механизмам. Эта система секреции была впервые обнаружена у Yersinia pestis и показала, что токсины могут вводиться непосредственно из цитоплазмы бактерии в цитоплазму клеток хозяина, а не просто секретироваться во внеклеточную среду.
Система секреции типа IV (T4SS или TFSS)
Он гомологичен механизму конъюгации бактерий, конъюгативным пилям. Он способен транспортировать как ДНК, так и белки. Эта система была впервые обнаружена у Agrobacterium tumefaciens, которая использует её для введения Т-ДНК плазмиды Ti в растительную клетку-хозяина, что, в свою очередь, вызывает образование коронарной галлы (опухоли) в пораженной области. Helicobacter pylori использует систему секреции IV типа для доставки CagA в клетки эпителия желудка, что связано с развитием рака желудка. Bordetella pertussis, возбудитель коклюша, частично секретирует токсин коклюша посредством системы IV типа. Legionella pneumophila, возбудитель легионеллеза (болезни легионеров), использует систему секреции типа IVB, известную как система icm/dot (внутриклеточное размножение / дефект в транспорте органелл), для транслокации множества эффекторных белков в эукариотическую клетку-хозяина. Прототипической системой секреции типа IVA является комплекс VirB у Agrobacterium tumefaciens. Белковые компоненты этой группы входят в состав системы секреции IV типа и опосредуют внутриклеточную передачу макромолекул посредством механизма, имеющего эволюционное родство с механизмом конъюгации бактерий.
Функция
Система секреции типа IV (T4SS) – это общий механизм, посредством которого бактериальные клетки секретируют или поглощают макромолекулы. Точный механизм их работы остаётся неизвестным. T4SS кодируется на конъюгативных элементах грамотрицательных бактерий. T4SS представляют собой комплексы, пронизывающие клеточную оболочку, или, иными словами, 11–13 основных белков, формирующих канал, через который ДНК и белки могут перемещаться из цитоплазмы донорной клетки в цитоплазму клетки-реципиента. T4SS также секретируют белки факторов вирулентности непосредственно в клетки хозяина, а также поглощают ДНК из окружающей среды в процессе естественной трансформации.
Структура
Как показано на рисунке выше, TraC, в частности, состоит из трех спиральных пучков и рыхлого глобулярного придаткa.
Система секреции типа V (T5SS)
Также называемая системой автотранспортера, секреция типа V включает использование системы Sec для преодоления внутренней мембраны. Белки, использующие этот путь, способны формировать бета-баррель своим C-концевым доменом, который внедряется во внешнюю мембрану, позволяя остальной части пептида (пассажирскому домену) достичь внешней среды клетки. Зачастую автотранспортеры подвергаются расщеплению, оставляя домен бета-барреля во внешней мембране и высвобождая пассажирский домен. Некоторые исследователи полагают, что остатки автотранспортеров стали предшественниками поринов, которые формируют подобные бета-баррельные структуры. Типичным примером автотранспортера, использующего эту систему секреции, являются тримерные адгезивные автотранспортеры.
Система секреции типа VI (T6SS)
Системы секреции типа VI были впервые идентифицированы в 2006 году группой Джона Мекаланоса в Гарвардской медицинской школе (Бостон, США) у двух бактериальных патогенов – Vibrio cholerae и Pseudomonas aeruginosa. Их выявили, когда мутации в генах *hcp* и *vrgG* у Vibrio cholerae привели к снижению вирулентности и патогенности. С тех пор системы секреции типа VI обнаружены в четверти всех геномов протеобактерий, включая патогены животных, растений и человека, а также почвенные, экологические и морские бактерии. Хотя большинство ранних исследований системы секреции типа VI были сосредоточены на ее роли в патогенезе высших организмов, более поздние исследования указывают на более широкую физиологическую роль в защите от простых эукариотических хищников и в межбактериальных взаимодействиях. Генные кластеры системы секреции типа VI содержат от 15 до более чем 20 генов, два из которых – *hcp* и *vgrG* – оказались почти универсальными секретируемыми субстратами системы. Структурный анализ этих и других белков системы демонстрирует поразительное сходство с хвостовым шипом бактериофага T4, а механизм действия системы, предположительно, функционально напоминает инфекцию бактериофагом.
Выделение внешних мембранных пузырьков
Помимо использования мультипротеиновых комплексов, перечисленных выше, грамотрицательные бактерии обладают еще одним механизмом высвобождения материала: формированием бактериальных везикул внешней мембраны. От внешней мембраны отпочковываются участки, образуя сферические структуры наноразмерного масштаба, состоящие из липидного бислоя, богатого липополисахаридами, и заключающие в себе периплазматические компоненты. Эти везикулы используются для транспорта мембранных везикул, позволяющего манипулировать окружающей средой или проникать на границе хозяин-патоген. Везикулы, выделяемые многими видами бактерий, содержат факторы вирулентности, некоторые обладают иммуномодулирующим действием, а некоторые способны непосредственно прикрепляться к клеткам хозяина и оказывать на них токсическое воздействие. Высвобождение везикул было показано как общий ответ на стрессовые условия, однако процесс загрузки транспортных белков, по-видимому, является селективным.
В грамположительных бактериях
У некоторых видов стафилококков и стрептококков вспомогательная секреторная система осуществляет экспорт высокоповторяющихся адгезионных гликопротеинов.