Строение системы секреции первого типа

В сравнении с другими системами секреции аппарат секреции первого типа устроен относительно просто. Во всех случаях он состоит из трех компонентов белковой природы. Первый принадлежит к классу АТФаз, называемых ABC-транспортерами и обеспечивает энергозависимые стадии процесса транспорта. Этот белок является заякоренным во внутренней мембране и ассоциированным со вторым белком MFP, обеспечивающим слияние цитоплазматической и наружной мембраны, и фактически образующим канал, через который транспортируется секретируемый белок. Третий белок OMP, так называемый белок-щвейцар (gatekeeper), локализован во внешней мембране. Его функцией является создание секреторного мембранного канала и его закрытие в отсутствие субстрата (D. Thanassi еt al., 2000).

Рис. 1. Строение системы секреции I типа.

(по D. Thanassi еt al., 2000)

Первый тип секреции используется широким кругом грамотрицательных бактерий для экспорта токсинов, протеаз, липаз. Кроме того, эта система сохраняется при переходе от прокариот к эукариотам и экспортирует большое число токсинов и антибиотиков. Система секреции первого типа является Sec-независимой и экспортирует белки в один этап непосредственно из цитоплазмы во внешнюю среду через внешнюю мембрану без периплазматических посредников. Субстраты этой системы секреции лишены сигнальных амино-концевых последовательностей, сигнал к секреции у них расположен на карбокси-конце в пределах последних 60 аминокислотных остатков (D. Thanassi еt al., 2000).

Система секреции α-гемолизина Escherichia сoli представляет собой прототип системы секреции первого типа, и на сегодняшний день хорошо изучена. Она состоит из трех компонентов: TolC, HlyD, HlyB. Белок TolC является аналогом OMP для экспорта α-гемолизина, и представляет собой тримерный комплекс, расположенный во внешней мембране. Предполагается, что он состоит из пориноподобного β-складчатого мембранного домена с гидрофильной карбокси-концевой областью, расположенной в периплазматическом пространстве. Однако, недавний анализ последовательности указывает на то, что TolC и другие OMP не являются поринами. OMP функционирует как канал секреции через внешнюю мембрану, что было доказано порообразующим действием олигомеров TolC в экспериментальных липидных бислоях (D. Thanassi еt al., 2000). Периплазматический MFP (HlyD) также является тримерным и взаимодействует и с OMP, и с ABC-транспортером (HlyB). HlyD содержит короткий гидрофильный амино-концевой домен, заякоренный во внутренней мембране, включающий около 150 аминокислотных остатков; крупный гидрофобный домен, расположенный в периплазме, включающий 275 аминокислотных остатков, и карбокси-концевой домен, имеющий β-складчатую структуру, способный связываться с внешней мембраной, содержащий 275 аминокислотных остатков (M. J. Fath еt al., 1993). Предполагается, что MFP облегчает секрецию субстрата без промежуточного периплазматического звена, формируя закрытый канал, соединяющий внутреннюю и внешнюю мембраны, и осуществляя прямой контакт между ABC-транспортером и OMP. Что касается HlyB, то его точное строение пока не установлено, предполагается, что он состоит из восьми доменов. Два из них в амино-концевой области и шесть в центральной гидрофобной области. Результаты экспериментального изучения этого аппарата привели к возникновению двух моделей секреции первого типа (D. Thanassi еt al., 2000).

Эксперименты по секреции α-гемолизина E. coli показывают, что ABC-транспортер и MFP ассоциируются еще до связывания с субстратом. Прикрепление субстрата к этому комплексу вызывает контакт MFP с OMP. Это соединение является обратимым, и разрушается сразу после экспорта субстрата. Энергия гидролиза АТФ посредством ABC-транспортера расходуется только на транслокацию субстрата и не требуется для связывания субстрата или для сборки комплекса (D. Thanassi еt al., 2000).

Эксперименты по секреции гемопротеина Serratia мarcescens и металлопротеазы Erwinia chrysanthemi указывают на немного иной порядок событий. По этой модели, ABC-транспортер и MFP не связываются перед закреплением субстрата. Субстрат в первую очередь связывается с ABC-транспортером, затем образовавшийся комплекс ассоциируется с MFP, и только потом происходит связывание с OMP, после чего происходит секреция субстрата. Для определения правильной модели, или для уточнения возможных индивидуальных отличий в функционировании аппарата секреции первого типа необходимы дальнейшие исследования (D. Thanassi еt al., 2000).

Было установлено, что ОМР системы секреции α-гемолизина (TolC), используется также в системе секреции колицина V и в некоторых других системах, например при сегрегации хромосом, а также он может формировать канал во внешней мембране, специфический для медикаментов. ОМР системы секреции гемопротеина S. marcescens, называемый HasF, является в высокой мере идентичным с TolC E. сoli. Для воссоздания секреции HasА у E. сoli необходимо наличие в качестве ОМР либо TolC, либо HasF, либо PrtF. Такие гибридные секреторные системы функционируют как для секреции HasA, так и для секреции протеазы. Это является типичным примером комплементации ОМР (R. Binet et al., 1997). В частности, степень гомологии между компонентами системы секреции липазы S. marcescens, белками lipB, lipC, lipD и компонентами транспортера металлопротеазы Er. chrysanthemi PrtD, PrtE, PrtF составляет 45-55%. А гомология между LipB и LipC, и HasD, и HasE у S. marcescens составляет 45-53%. Эти показатели считаются довольно высокими (H. Akatsuka et al., 1998). Однако было выявлено, что не все комбинации между компонентами гибридных секреторных систем являются активными. Так, HasE формирует активные экспортеры и с PrtF, и с TolC, тогда как PrtE может формировать активный экспортер только с PrtF, но не с TolC. Исследования этих мультибелковых комплексов in vitro подтвердили существование некоторых функциональных различий между HasE и PrtE. Полученные результаты могут быть полезными при определении сайтов, ответственных за связывание MFP и OMP (H. Akatsuka et aj., 1998).