سیستم ترشح پروتئین در باکتری های گرم منفی

سیستم ترشح پروتئین در باکتری های گرم منفی

 

سیستم های صدور پروتئین در تما ارگانیسم های زنده شامل باکتری های گرم منفی و ارگانل های یوکاریوتی مشتق از آنها حضور دارند.در مقایسه با ارگانیسم های دیگر،باکتریهای گرم منفی سیستم های مستقل بسیاری را برای صدور پروتئین دارا می باشند،شامل 8تیپ برای ورود و خروج پروتئین از عرض غشای درونی و 8 تیپ دیگر برای ورود و خروج پزوتئین از عرض غشای خارجی محتوی لیپوپلی ساکارید.3تا از سیستم های مسیر ترشحی به نام های تیپI ISP,ABC))،تیپ III

(IIISP,Fla/Path) و تیپ(IVSP,conj/vir)  IV می‌توانند پروتئین‌ها را از عرض غشای داخلی و خارجی در یک فرایند تک مرحله‌ای وابسته به انرژی عبور دهند.چهارمین مکانیزم که ما تحت عنوان سیستم ترشحی تیپII به آن مراجعه می‌کنیم(IISP)  ، برای خروج پروتئین‌ها از عرض پاکت دو لایه‌ای در 2 مرحله‌ی مجزاست. IISPبرای خروج پروتئین‌ها ازعرض غشای داخلی،مسیر ترشحی عمومی   (Sec) یا ترانسلوکاز twin arginin(Tat) را به کار می‌گیرد و برای خروج از عرض غشای خارجی هر یک از چندین تیپ سیستم را به کار می‌گیرد.علاوه بر این پروتئین‌های پری‌پلاسمی با مقصد محیط خارجی یا از طریق MTB یا یکی از چندین سیستم برای خروج پروتئین‌های اختصاصی از عرض غشای خارجی،از عرض این غشا عبور می‌کند.

 

اکسپورتر‌های مسیر تک مرحله‌ای ترشح پروتئین تیپI (ISP)

از 65 خانواده اخیرا شناسایی شده در ABC superfamily ،2 خانواده پروتئین‌های بزرگ را خارج می‌کنند در حالی که 4 خانواده دیگر پپتید‌ها و پروتئین‌های کوچک را خارج می‌کنند.این اکسپورتر‌هایABC،محتوی 2 دومین درون غشایی تشکیل دهنده کانال و 2 دومین سیتوپلاسمی انرژی دهنده که مولکول‌های ATP را هیدرولیز می‌کنند.انتقال محدود می‌شود به سایز و آسانی

 

unfplding پروتئین‌های خاص که خارج می‌شوند.اکسپورترهای پروتئینی تیپ ABC می‌توانند با 2 پروتئین کمکی مرتبط شوند:پروتئین‌های فیوژن غشایی (MFP)  و فاکتورهای غشای خارجی(OMF)  که همراه با هم اجازه انتقال از عرض 2 غشا و پری‌پلاسم پاکت باکتریایی گرم منفی را در یک فرایند تک مرحله‌ای وابسته به انرژی می‌دهد.

 

مسیر ترشحی دو مرحله‌ای تیپ II (IISP)

سیستم‌های ترشحی عمومی (Sec) که پروتئین‌های بسیاری را از عرض غشای سیتوپلاسمی خارج می‌کننددر تمام ارگانیسم‌های زنده حضور دارند،در مقابل (Tat) که تعداد نسبتا کوچکی از پروتئین‌ها را از عرض غشای سیتوپلاسمی خارج می‌کنند،به طور گسترده‌ای در طبیعت پراکنده هستند ولی در همه جا حضور ندارند.سیستم‌های MTB (مسئول انتقال بسیاری از پروتئین‌های منتقل شونده از طریق Sec  و Tat از عرض غشای خارجی باکتری‌های گرم منفی)به این ارگانیسم‌ها محدود می‌شوند.ATP و GTP انرژی انتقال پروتئین‌هایunfolded وpartially folded را از طریق سیستم‌های Sec  وMTB فراهم می‌کند در حالی که Tat translocase آنزیم‌های fully folded را با استفاده از نیروی محرکه پروتونی برای انرژی ترشح می‌کند.

سیستم Sec شامل چندین زیرواحد پروتئینی ضروری است،برای نمونه SecY دارای 10 قطعه‌ی آلفا هلیکال و ترانسممبران است و زمانی که به 2 پروتئین کوچک غشای داخلی SecE و secG متصل می‌شوند،کانال انتقال پروتئین را شکل می دهند.

ترانسلوکاز E.coli ،SecY/E/G و ATPase  سیتوپلاسمی SecA را در بر می‌گیرد.SecA ممکن است برای تشکیل کمپلکس انتقالی فعال کمپلکس SecY/E/G را به خدمت درآورد.

سیستم‌های Tat کمپلکس‌های بزرگی را تشکیل می‌دهندکه با سوبستراهای پروتئینی fully folded با موتیف راهنمای N ترمینالtwin arginin) (S/T)RRXFLK ) میانکنش می‌دهند.TatC با 6 قطعه‌ی ترانسممبران فرضیTMS  می‌‌تواند به عنوان یک عامل تعیین کننده مخصوص برای کمپلکس خدمت کند،در حالی که TatA با یک TMS،یک منفذ ترانسممبران الیگومریک بزرگ را شکل می‌دهد که از طریق آن سوبستراهای پروتئینی می‌گذرند.

MTB (Main Terminal Branch) دربر می‌گیرد یک secretin،یک پروتئین تشکیل دهنده‌ی منفذ غشای خارجی که همولوگ ساختار IIISPاست.secretin ها ساختارهای حلقه‌ای با منافذ مرکزی بزرگ و دریچه دار را شکل می‌دهند.ATPase در MTB همولوگ ATPase  سیستم ترشحی تیپ IVاست.

 

سیستم‌های مسیر ترشحی تک مرحله‌ای تیپ IV Congugation and Virulence related

کمپلکس‌های پروتئینی خانواده IVSP شامل زیرواحدهای چندتایی که غشای دو لایه‌ای پاکت سلولی باکتری‌های گرم منفی یا غشای تک لایه پاکت سلولی باکتری‌های گرم مثبت را گسترش می‌دهند.آنها پروتئین‌ها و کمپلکس‌های DNA-Pr را از سلولهای باکتریایی به درون سیتوپلاسم سلول میزبان خارج می‌کنند.این سیستم‌ها قادر به انتقال کمپلکس‌های DNA-Pr به درون باکتریهای دیگر،مخمر،گیاهان یا محیط خارجی هستند؛برای مثال سیستم VirB از گونه‌های آگروباکتریوم DNA را به درون سلول‌های گیاهی انتقال می‌دهد و منجر به ایجاد رشد غده‌ای می‌شود.آنها همچنین می‌توانند پلاسمیدهای DNA را به درون سلول‌های باکتریایی انتقال دهند.

 

سیستم ترشحی تیپ  III ( (IIISP

سیستم وابسته به پاتوژنیسیسته به طور گسترده در باکتریهای گرم منفی یافت می‌شود:ترشح پروتئین‌های سنتز شده سیتوپلاسمی از عرض دو لایه پوشش سلولی.در پاتوژن‌های گرم منفی این سیستم‌ها معمولا درگیر در ترشح فاکتورهای ویرولانس هستند.بسیاری از این پروتئین‌ها در خارج کردن پروتئین‌های تاژه‌ای باکتریایی درگیر هستند.برخی سیستم‌های IIISP که کمپلکس‌های پروتئینی هستند و مانند سوزن‌های هیپودرمیک عمل می‌کنند می‌توانند پروتئین‌ها را مستقیما به سیتوپلاسم میزبان تزریق کنند بدون این که این پروتئین‌ها در معرض محیط خارج سلول قرار بگیرند.این حقیقت دلالت دارد بر حضور یک کمپلکس منفذ پروتئینی باکتریایی که می‌تواند غشاهای برخی سلول‌های میزبانی را در بر بگیرد و به ابزارهای ترشح باکتریایی متصل است.این سیستم‌های ترشحی پروتئین‌هایی با کمبود توالی سیگنال را انتقال می‌دهند که برای ترشح به چاپرون‌های اختصاصی نیاز دارد.TTSS ها در وابستگی ترشح به سیگنال‌های خارجی عموما ارتباط با سلول میزبان منحصر به فرد هستند.مکانیسم صادر کننده TTSS معمولا متشکل از 20 پروتئین مختلف و شامل پروتئین‌های محلول سیتوپلاسمی،پروتئین‌های غشای خارجی و پروتئین‌های غشای داخلی است.TTSS ها باکتریها را قادر می‌سازند که یک تنوعی از افکتورها را مستقیما به سیتوزول میزبان بفرستند و باعث دستکاری پروسه‌های سلولی میزبان شوند و برای مزایای خود آنها را از درون تخریب کنند.

ژن‌های کد کننده سیستم ترشحی تیپ IIIروی عناصر ژنتیکی غیر پایدار،پلاسمید و جزایر پاتوژنیسیته واقع شده‌اند شامل hrp-PAI در Pseudomonas syringae.

درPeudomonas syringae مانند سایر پاتوژن‌های گیاهی ژن‌های کد کننده TTSS درون یک جزیره پاتوژنیسیته دسته بندی می‌شوند.تشریح ژنتیکی TTSS در P.syringae با کشف موتانت hrp پاتوژن لوبیا  Pseudomonas syringae pv phaseolicola آغاز شد که توانایی ایجاد hypersensitive resistant reaction  در گیاهان غیر میزبان مانند Tobacco و پاتوژنیسیته را در لوبیا از دست داد.

 

سیستم ترشحی Hrp در P.syringae

ژن‌های hrp در پاتووار P.syringae  در یک منطقه کروموزومی kb 25 دسته‌بندی شده‌اند شامل بیش از 27 ژن hrp سازماندهی شده در 7 اپرون کد کننده پروتئین‌های افکتور،ترشحی یا تنظیمی.9 تا از ژن‌های hrp در میان پاتوژن‌های باکتریایی مختلف گیاهان و جانوران حفاظت شده‌اند و به hrc تغییر نام یافته‌اند.این ژن‌های hrc شامل hrcC,hrcN,hrcJ,hrcQ,hrcR,hrcS,hrcT,hrcU,hrcV هستند.8 تا از ژن‌های hrc در سطح غشای داخلی قرار گرفته‌اند و یک منفذ محافظت شده مشابه بازال بادی را شکل می‌دهند.حدس زده می‌شود که منفذ می‌تواند در شناسایی یک سیگنال ترشحی عمومی درگیر باشد.hrcC یک استثنا است وابسته به خانواده secretin و به عنوان یک پروتئین تشکیل دهنده منفذ در غشای خارجی عمل می‌کند.

 

تنظیم بیان ژن‌های hrp و ترشح

HrpL یک سیگما فاکتور است که تمام ژن‌های hrp وavr را با شناسایی یک توالی حفاظت شده bp 26که hrp-box نامیده می‌شود شناسایی می‌کندGGAACC-N16-CCAC  ،که در بالادست بسیاری از ژن‌های avr وhrp حضور دارند.آنالیز شبکه تنظیمی مرتبط با       TTSS  hrp نشان داد که HrpR وHrps پروتئین‌های اتصالی افزایش دهنده‌ای هستند که با DNA میانکنش می‌دهند تا یک کمپلکس فعالسازی را برای پروموتور hrpL شکل دهند.این دو پروتئین یک هترودایمر را شکل می‌دهند که به پروموتور hrpL متصل می‌شود و رونویسی آن را فعال می‌سازد.

 

ساختار پیلوس Hrp و عملکرد آن

HrpA یک پروتئین اسیدی 113 آمینو اسیدی است و به تنهتیی برای تشکیل ساختارهای فیلامنتی کافی است؛تایید کننده این مطلب که HrpA تنها پروتئین ساختاری یا پروتئین اصلی ساختاری پیلوس Hrp  است.پیلوس Hrp به عنوان یک لوله هدایت کننده پروتئین‌ها از عرض دیواره سلولی گیاهی به سیتوپلاسم میزبان عمل می‌کند.توسعه قطبی زایده از طریق افزودن دور زیرواحدهای HrpA به انتهای فیلامنت،به پیلوس اجازه نفوذ به دیواره سلولی گیاهی را می‌دهد.

پروتئین HrpA کارا برای ترشح هارپین HrpW و Avrpto در محیط کشت مورد نیلز است.از نظر مورفولوژیکی پیلی Hrp به نظر انعطاف پذیر می‌رسد در حالی که سوزن T3SS در پاتوژن‌های گیاهی به نظر سخت است.

 

پروتئین‌های ترشح شده از طریق سیستم ترشحی Hrp

سیستم ترشحی Hrp در P.syringae دو خانواده مهم پروتئین‌ها را ترشح می‌کند:

خانواده اول شامل هارپین‌هایی مانند HrpZ وHrpW (که در درون PAI کد می‌شوند)و به درون آپوپلاست (فضاهای درون سلولی )ترشح می‌شوند.هارپین‌ها می‌توانند HR را در درون سلولهای غیر میزبان ایجاد کنند.

خانواده دوم شامل پروتئین‌های Avr/Effector می‌باشند که درون سلولهای گیاهی عمل می‌کنند و در پاتوژنیسیته در گیاهان میزبان عمل می‌کنند.

 

پروتئین‌های هارپین

HrpZ درP.syringae به غشای پلاسمایی گیاه متصل می‌شود و نفوذ و هدایت یون را در دو لایه لیپیدی مصنوعی شکل می‌دهند.این یافته‌ها پیشنهاد می‌کنند که هارپین‌ها می‌توانند در آزاد سازی مواد غذایی از سلول میزبان درگیر باشند یا این که آنها می‌توانند یک پروتئین کمکی فرضی سیستم ترشحی باشند و در تغییر شکل دیواره سلولی گیاهی در طی انتقال پروتئین‌های Avr عمل کنند.

 

 

پروتئین‌های Avr/Effector

سویه‌های P.syringae شامل چندین ژن avr هستند که نه تنها در دسته‌های ژنی hrp/hrc قرار گرفته‌اند بلکه در فضاهایی نزدیک به آن نیز قرار دارند.یک Hrp system کارا برای فعالیت کامل پروتئین‌های Avr مورد نیاز است.

 

حسگر دو جزئی RhpS القای سیستم ترشحی تیپ III در P.syringae  را توسط مهار تنظیم کننده منفی RhpR پیشرفت می‌دهد.

TTSS درP.syringae  در طی تماس با گیاه یا کشت در محیط کشت حداقل القا می‌شود.این که چگونه باکتری این محیط را احساس می‌کند که TTSS را فعال کند هنوز دانسته نشده است.در اینجا ما تعیین یک سیستم دو جزئی جدید RhpR/S که القای ژن‌های TTSS  را در P.syringae تنظیم می‌کند را گزارش می‌کنیم.ژن‌های rhpS,rhpR در یک اوپرون شناسایی می‌شوند.

rhpR یک تنظیم کننده پاسخ Response regulator وrhpS یک Biphasic sensor kinase را کد می‌کنند.rhpS و rhpR در بالادست hrpR برای تنظیم ژن‌های TTSS عمل می‌کنند.

(Regulator of hrp genes,sensor) :RhpS

(Regulator of hrp genes,response regulator):RhpR

یک TCS سیستم دو جزئی شامل یک Sensor kinase و یک Response regulator  است.به طور کلی کیناز حسگر در یک هیستیدین بسیار حفاظت شده اتوفسفریله میشود و متعاقبا گروه قسفات را به آسپارتات درResponse regulator  منتقل می‌کند.فسفریلاسیون  Response regulator رونویسی ژن‌های هدفش را یا بیان و یا مهار می‌کند.بسیاری از TCS sensor kinas  ها دارای فعالیت فسفاتازی هستند که می‌توانند تنظیم کننده نظیر خود را فسفریله کنند.فعالیت فسفاتازی پروتئین‌های حسگر مختلف می‌تواند توسط شرایط محیطی تنظیم شود.

p-RhpR به عووان یک مهار کننده مسیر تنظیمی hrpRS-hrpL-T3SS عمل می‌کند و RhpS فسفریلاسیون  RhpR  را تحت شرایط القایی T3SS  برمی‌گرداند.

چاپرون‌های ترشحی تیپ  III در P.syringae افکتورها را از تجزیه مرتبط با Lon  حفاظت می‌کند.

Lon یک عملکرد دو گانه در تنظیم hrp-TTSS در سویه‌های P.syringae  دارد بوسیله‌ی:

1.    تنظیم سرهم بندی TTSS و بیان افکتورها از طریق پروتئولیز تنظیم شده HrpR .

2.    کنترل تجمع افکتورها پیش از ترشح از طریق Turn over .

Lon  وابسته به یک خانواده از پروتئاز‌های وابسته به ATP سیتوزولی است.در بین باکتریها و آرکی‌ها به شدت حفاظت شده است و همچنین در چندین ارگانل از سلولهای یوکاریوت یافت می‌شود.مانند سایر پروتئازهای وابسته به انرژی باکتریایی،Lon یک کمپلکس مولتی‌مریک را تشکیل می‌دهد که با پروتئین‌های وابسته به انرژی unfold شده توسط فعالیت یک اندوپپتیداز ،برای تجزیه هدف‌های پروتئینی بدون تشکیل واسطه‌های نسبتا تجزیه شده،جفت می‌شود.فعالیت دیگر Lon تجزیه پروتئین‌های Misfold وAbnormal است مثل پروتئین‌های دارای آمینواسیدهای غیر استاندارد یا موتانت‌های حساس به حرارت.

نشان داده شده است که بسیاری افکتورهای TTSS در سیتوپلاسم باکتریایی با پروتئین‌های اسیدی کوچکی تحت عنوان چاپرون‌های ترشحی III میانکنش می‌دهند.یکی از مهمترین نقش‌های چاپرون‌ها حفاظت افکتورها از تجزیه توسط Lon است.دیگر نقش فرضی برای چاپرون‌ها بلوکه کردن فعالیت آنزیمی یا سمی افکتورها در سیتوپلاسم باکتری است.مکانیسمی که توسط آن چاپرون‌های P.syringae افکتورها را از تجزیه توسط Lon محافظت می‌کنند نشی از پوشیده شدن موتیف هدف نیست.محتمل است که کمپلکس چاپرون-افکتور یک کانفورماسیون غیر حساس به Lon دارد Lon-insensitive .مهانطور که unfolding سوبستراها یک بخش غیر ضروری از پروتئولیز Lon است،تشکیل یک کمپلکس پایدار با چاپرون می‌تواند تجزیه توسط Lon را مهار کند.

 

Chaperon          ShcA          ShcM          ShcV          ShcB1

 

Effector             HopPsyA    HopPtoM     HopPtoV   HopPsyB

 

دومین متصل شونده به چاپرون (CBD)  در HopPtoM در دومین 300 آمینواسیدی داخلی بین رزیدوهای 100-400 تعیین موقعیت شده بود برای تعیین این که دومین هدف Lon در HopPtoM  با CBD همپوشانی دارد یا نه،مشتق‌های His-tagged از HopPtoM  که حذف‌هایی در انتهای کربوکسیل یا آمینو دارند.یکی از این ساختارها  (D400)بیان کرد که انتهای C-terminal  از HopPtoM نمی‌تواند به ShcM متصل شود در حالی که دو ساختار دیگر (D200 and N200) حاوی توالی‌های کد کننده برای نواحی هستند که به ShcM متصل می‌شوند.وقتی ساختارها در سلول‌های Lon+ بیان شدند پروتئین‌های ناقص بیان کننده CTD پپتید تجزیه شدند در این میان،(D400) فاقد CBD یک نیمه عمر کوتاه را به نمایش گذاشت.در مقایسه پروتئین‌های ناقصی که یک NTD 200 آمینواسیدی را بیان کردند و شامل بخشی از CBD  بودند به نظر نمی‌رسید که توسط Lon تجزیه شوند و نیمه عمر در هر دو سویه برابر بود.این نتایج پیشنهاد می‌کنند که دومین هدف Lon در CTD 200 آمینو اسیدی HopPtoM  قرار دارد و با CBD،همپوشانی ندارد.

پایداری Avrpto در یک باکتری Lon+ و یک باکتری Lon- با نشان دادن سطوح Avrpto توسط جست و جوی تمام عصاره سلولی با سرم پلی کلونال آنتی Avrpto پس از مهار ترجمه مقایسه شد.نیمه عمر Avrpto  در  P.syringae pv syringae DC30008 دقیقه و در JB7 30 دقیقه و Avrpto در  JB75 برابر بیشتر از میزان این پروتئین در DC3000 است.ازآنجائیکه انتظار می‌رود سرعت بیوسنتز در سویه برابر باشد تفاوت تجمع Avrpto به تجزیه سریعتر این پروتئین در حضور Lon  نسبت داده می‌شود.

نوشته شده توسط یونس قاسمی  | لینک ثابت |