Пили и жгутики прокариот
У большинства прокариот пили и жгутики представляют собой придатки клеточной поверхности.
Основные положения:
- Пили представляют собой внеклеточные белковые структуры, которые осуществляют самые разнообразные функции, включая обмен ДНК, адгезию и образование биопленки клетками прокариот.
- Многие адгезивные пили собираются с участием системы шаперон-Usher-белок . Сборка происходит на наружной мембране с участием Usher-белка , образующего пору, сквозь которую проходят субъединицы пили, и шаперона периплазмы, способствующего их скручиванию и прохождению через пору.
- Жгутики представляют собой внешние структуры клетки, которые служат пропеллерами, обеспечивающими ее движение.
- У прокариот жгутики состоят из множественных сегментов, каждый из которых образуется при сборке белковых субъединиц.
От поверхности прокариотической клетки отходят два типа придаточных структур, пили и жгутики. Пили представляют собой нитевидные олигомеры белков, присутствующие на клеточной поверхности ( рис. 20.27 ). Существуют различные типы пилей. Например, F-пили участвуют в клеточной конъюгации и в переносе ДНК. Когда эти придаточные структуры были впервые обнаружены, их назвали "фимбрии" (лат. fimbria - нить, волокно). Их присутствие коррелировало со способностью Е. coli агглютинировать красные кровяные клетки. Позже для обозначения фибриллярных структур (F-пили), связанных с процессом переноса генетического материала между организмами при конъюгации, был предложен термин пили (или пилюс) (лат. pilus - волос). С тех пор этот термин стал общим для описания всех типов ворсинчатых придаточных структур, и используется наряду с термином фимбрия .
Взаимодействие клеток бактерий с другими прокариотическими и эукариотическими клетками с участием ворсинок часто служит важным этапом заселения эпителия, проникновения микробов в клетки хозяина, обмена ДНК и формирования биопленок (см. Биопленки представляют собой высокоорганизованные сообщества микробов ). Пили могут служить рецепторами бактериофагов . Основная функция большинства пилей состоит в структурном обеспечении позиционирования специфических молекул, участвующих в клеточной адгезии. Адгезивные субъединицы ворсинок ( адгезины ) представляют собой минорные компоненты их кончиков, однако основные структурные субъединицы также могут функционировать в качестве адгезинов. Часто адгезивные пили представляют собой важные факторы заселения микробами организма хозяина. Например, при инфекциях мочевых путей патогенными бактериями Е. coli, клетки прикрепляются к эпителию мочевого пузыря с помощью пилей типа I . Пили этого типа присутствуют у многих грамотрицательных микроорганизмов. Они представляют собой сложные структуры, состоящие из толстого тела, соединенного с тонким фибриллярным концом. На конце расположены молекулы адгезина FimH , которые связываются с остатками маннозы на поверхности клеток хозяина.
Сборка пилей представляет собой сложный процесс, в котором участвуют структурные белки, составляющие тело пили, и дополнительные белки, способствующие сборке субъединиц на поверхности клетки. Все структурные компоненты, необходимые для процесса сборки пилей на поверхности грамотрицательных микроорганизмов, должны транслоцироваться через цитоплазматическую мембрану в периплазму и далее, через внешнюю мембрану. В завершении процесса сборки участвуют два специфических белка: шаперон , присутствующий в периплазме, и транспортный белок внешней мембраны, который называется Usher-белок . Процессы, в которых функционируют эти белки, обеспечивают биогенез более 30 различных типов ворсинчатых структур. Как показано на рис. 20.28 , комплексы шаперонов с субъединицами образуются в периплазме и на наружной мембране взаимодействуют с Usher-белком, где высвобождается шаперон. При этом на субъединицах открываются интерактивные поверхности, что обеспечивает их дальнейшую сборку в пили. Исследования пилей типа I и пилей типа P показали, что адгезин-шапероновые комплексы ( PapDG или FimCH ) обладают большим сродством к Usher-белку, и адгезины представляют собой начальные субъединицы, которые собираются в пили. Включение остальных субъединиц отчасти определяется кинетикой образования на Usher-белке комплекса с шапероном. Наряду с функционированием в качестве сборочной платформы, Usher-белок, вероятно, играет также и другие роли в сборке ворсинок. По данным электронной микросокопии высокого разрешения, PapC Usher имеет вид кольцевых комплексов диаметром 15 нм, которые в середине имеют пору размером 2 нм. После отщепления от шаперона, которое происходит на Usher-белке, субъединицы включаются в растущую структуру пили, которая, как считают, должна выталкиваться через центральную пору комплекса в виде толстой линейной фибриллы, состоящей из одной субъединицы.
Еще один тип внеклеточного фиброзного матрикса у грамотрицательных бактерий называется пили-кудряшки (cirli) . Это стабильные агрегированные волокна, которые являются частью ВКМ . Они участвуют в формировании биопленок и в других процессах, обеспечивающих существование клеток в сообществе. Пили-кудряшки относятся к числу впервые описанных функциональных амилоидных фибрилл у бактерий. Амилоид участвует в патогенезе некоторых заболеваний человека, например, болезни Альцгеймера , однако такие близкие по составу и структуре фибриллы, как пили-кудряшки, характерны для жизнеспособных здоровых клеток.
Сборка этого типа пилей происходит по специфическому и тщательно регулируемому механизму. У E. coli процесс сборки осуществляется с участием, по крайней мере, шести белков, синтез которых кодируется дивергентно-транскрибируемыми опероном csgBA и опероном csgDEFG . Основной белок, формирующий субъединицу фибриллы пили, обозначается CsgA . Вместе с минорной субъединицей CsgB этот белок участвует в фазе нуклеации фибриллы. После прохождения нуклеации белок CsgB включается в фибриллу. Фибриллы CsgA чрезвычайно устойчивы и остаются интактными после "кипячения в таком сильном детергенте как SDS", концентрированном растворе мочевины и после других агрессивных воздействий. Мономеры CsgA высвобождаются из фибрилл только после обработки 75% раствором муравьиной кислоты.
Для сборки пилей-кудряшек белки CsgA и CsgB не должны обязательно экспрессироваться в одной и той же клетке. В отсутствие затравочного белка CsgB, белок CsgA секретируется из "донорской" клетки в роастворимой форме. Белок CsgA может полимеризоваться в фибриллы при условии, что он контактирует с инициатором CsgB, который экспрессируется в соседней "акцепторной" клетке. Этот процесс носит название межбактериальной комплементации . Его можно использовать в качестве метода тестирования активности белков CsgA или CsgB в штаммах бактерий, у которых этот тип пилей отсутствует. Например, штамм с делецией по гену CsgB не продуцирует пили, однако он образует белок CsgA и действует как донор в процессе межбактериальной комплементации.
Оперон csgDEFG кодирует CsgD , активатор транскрипции при образовании пилей-кудряшек, и три предполагаемых фактора сборки. Регуляция транскрипции оперонов сложная и зависит от многих внешних факторов: осмотического давления, температуры, кислотности среды и агрегации белков в периплазме. Секреция белков CsgA и CsgB контролируется белком CsgG, локализованном на внешней мембране. В отсутствие белка CsgG субъединицы пили CsgA и CsgB не секретируются во внеклеточное пространство и не обнаруживаются в тотальных препаратах методом вестерн-блотинга. Белок CsgG образует поры в наружной мембране, через которые, как считают, проходят белки CsgA и CsgB.
Большинство микроорганизмов обладает подвижностью, и часто она обеспечивается длинными структурными придатками, которые называются жгутиками ( рис. 20.29 ). У грамположительных и грамотрицательных бактерий жгутики собираются на поверхности клеток. Когда на полюсе клетки находится один жгутик, такое расположение называется монотрихиальным (или полярным) . Если жгутики расположены вокруг клетки, то такое расположение называется перитрихиальным . Если на одном полюсе клетки находится группа жгутиков, то говорят об их лофотрихиальном расположении (от латинского "хохолок") . Жгутики бактерий отличаются от этих структур эукариотических клеток, которые состоят из микротрубочек и связанных с ними белков и окружены плазматической мембраной ( Микротрубочки ).
Жгутики могут быть различной длины, но их диаметр обычно составляет 20 нм. Они не видны в световом микроскопе, если препараты вначале не обрабатывались реагентами, которые увеличивали диаметр жгутиков. На рис. 20.30 видно, что жгутики состоят из трех отдельных доменов: филамента, крючка и базального тела. Филамент жгутика состоит из повторяющихся структур флагеллиновых белков. Флагеллины представляют собой высококонсервативные белки бактерий, что позволяет предполагать, что движение клеток с участием жгутиков характерно для примитивных форм живых организмов. В месте присоединения жгутика к клетке находится базальное тело, представляющее собой сложную структуру, состоящую из множества белков. Филамент жгутика соединяется с базальным телом посредством крючка. У грамотрицательных бактерий базальное тело проходит через наружную мембрану, протеогликан клеточной стенки и цитоплазматическую мембрану. С наружной мембраной жгутик связан посредством L-кольца. Две пары колец, пара колец MS и пара колец P , способствуют прикреплению жгутика к цитоплазматической мембране и к клеточной стенке соответственно. Каждое кольцо состоит из множества мембранных белков. На цитоплазматической мембране находятся два белка Mot , которые выполняют роль моторов, приводящих жгутики в движение. Еще один набор белков встроен в цитоплазматическую мембрану и выполняет реверсную функцию по отношению к моторам жгутика. Поскольку у грамположительных организмов наружная мембрана отсутствует, у них есть только МS-кольца.
В образовании и сборке филаментов жгутиков участвует несколько десятков различных генов. Их активность строго регулируется в соответствии с порядком процесса сборки. Так, первыми экспрессируются гены, участвующие в сборке базального тела и крючка, а затем наступает очередь генов, ответственных за образование субъединиц жгутика. Экспрессии флагеллиновых субъединиц не происходит до тех пор, пока не завершилась сборка крючка. В этот момент через канал крючка выходит супрессор транскрипции , и, таким образом, снимается подавление экспрессии флагеллина. Субъединицы флагеллина экспортируются через жгутик и добавляются к его растущему концу. Такой механизм обеспечивает сборку филамента только после образования структуры крючка. Эта структура также имеет отношение к другим секреторным системам белков (см. У прокариот существует несколько секреторных механизмов ).
Система хемотаксиса определяет наличие питательных компонентов и затем определяет направление вращения жгутика. В отсутствие питательных компонентов, жгутики вращаются по часовой стрелке, что вызывает поворот клетки. Движение клетки по направлению к молекулам химического соединения или от них называется хемотаксис . В данном разделе мы рассмотрим движение прокариотической клетки в присутствии аттрактанта , являющегося питательным продуктом. Для того чтобы обеспечить клетке такое движение, жесткий жгутик должен вращаться подобно пропеллеру, за счет энергии, доставляемой протонной движущей силой . Движение клетки состоит из серии прямых пробегов, за которыми следуют ее быстрые беспорядочные повороты. Когда жгутики вращаются против часовой стрелки, клетка перемещается по прямой линии, а при вращении по часовой стрелке клетка совершает повороты ( рис. 20.31 ). Поскольку в результате поворотов клетка занимает случайные позиции, можно было бы думать, что общий итог движения окажется нулевым. Однако периодичность пробегов регулируется в соответствии с доступностью питательного компонента: более длинные пробеги характерны для движения клетки по направлению к источнику питания, и количество поворотов возрастает, когда клетка направляется от него. Хотя направление отдельных пробегов все еще случайно, общий результат проявляется в движении клетки в сторону аттрактанта.
Пути передачи сигнала хемотаксиса у прокариот характеризуются чрезвычайно консервативной природой. Единственным из известных организмов, в геноме которого отсутствуют гены хемотаксиса, является Mycoplasma . Практически у всех прокариот обнаружены следующие консервативные белки хемотаксиса: CheR , CheA , CheY , CheW , и CheB . При протекании сложного каскада событий, включающих фосфорилирование и метилирование , эти белки обеспечивают сложный, скоординированный и высокогибкий ответ клетки на присутствие аттрактантов и репеллентов в окружающей среде. Мы опишем, как происходят эти события в клетках Е. coli. Присутствующие в окружающей среде аттрактанты или репелленты связываются с рецепторами, расположенными на цитоплазматической мембране. С этими рецепторами взаимодействует киназа CheA , также расположенная в цитоплазматической мембране. Эта киназа фосфорилирует CheY , который затем связывается с мотором жгутика, что приводит к переключению направления его вращения и к повороту клетки. Под действием фосфатазы CheZ из CheY удаляется фосфатная группа . При низкой концентрации аттрактанта происходит аутофосфорилирование CheA , фосфатная группа переносится на CheY , и последний мигрирует к мотору жгутика, изменяя характер движения клетки на поворот.
Система хемотаксиса характеризуется еще одним уровнем сложности, который позволяет клетке постоянно адаптироваться к условиям, существующим в окружающей среде. По мере своего продвижения по градиенту концентрации химических соединений, клетка может реагировать на возникающие небольшие флуктуации.Такая кратковременная память обеспечивается за счет метилирования мембранных рецепторов. CheR метилирует мембранные рецепторы, a CheB удаляет метильные группы . Метилирование рецепторов увеличивает активность киназы CheA, что приводит к десенсибилизации системы. В свою очередь, CheB также фосфорилируется CheA; это вызывает увеличение метилэстеразной активности CheB и замыкает цикл обратной связи для сигнального каскада.
Смотрите также:
