Type IV secretion system, T4SS知识介绍1

四型分泌系统 (type IV secretion system, T4SS) 是一种在革兰氏阴性菌 、革兰氏阳性菌和古细菌中均广泛存在的多功能、多组分的跨膜通道结构,将DNA，蛋白质或其他大分子递送至靶细菌或真核细胞。与细菌中已发现的其它分泌系统不同，T4SS形成的管道既能通过蛋白质又能通过DNA，因此T4SS能够介导细菌接合转移、DNA释放和摄取以及效应蛋白分泌等功能。

研究进展与研究技术：

单颗粒冷冻电镜（single particle CryoEM），原位冷冻电镜（in situ CryoET）和荧光显微镜方法（ fluorescence microscopy approaches）。最近，T4SS的体系结构和组装路径方面取得了很大的进展。T4SS的结构研究始于大约20年前，报道了一些高度保守的T4SS亚基的X射线（X-ray）结构。在随后的10年中，通过单粒子电子显微镜（single particle electron microscopy ）和晶体学 (crystallography)解决了来自R388和pKM101质粒接合系统的大的（〜1兆道尔顿；MDa）组件结构。然而，在过去的几年中，电子显微镜的进步使得能够在细菌细胞膜的天然环境中可视化更大的子组件和完整的T4SS系统结构。这些方法与最先进的荧光显微镜相结合，为完整细胞中T4SS组装动力学和空间组织结构提供了新的发现。

模型革兰氏阴性细菌T4SSs结构-功能关系知识的进展

根癌土壤杆菌（Agrobacterium tumefaciens ）VirB/VirD4 T4SS的“最小化”系统；幽门螺杆菌Cag（ Helicobacter pylori Cag），嗜肺军团菌 (Legionella pneumophila) Dot/Icm代表的“扩展”系统；F质粒编码的Tra T4SS系统（F plasmid-encoded Tra systems ）。

分类方法：

按初始的分类 方法(original classification scheme)，基于代表性质粒分型，将编码在 IncF质粒 (即 F 质粒)上者称为 F 亚 型、将编码在 IncP 质粒(即 RP4 质粒)上者称为 P 亚 型，将编码在IncI(即质粒R64)上者称为I亚型。

按选择分类方法(alternative classification scheme)， 根据 F、P 和 I 亚型之间同源性的高低和进化关系的远近，T4SS 又可被分为 IVA 亚型（F型与P型，根瘤农杆菌VirB/VirD4系统的原型类似 ）、IVB 亚型（I型，嗜肺军团菌的Dot/Icm系统的原型类似）和以 GI 亚型 (genome island, GI)为代表的三种亚型（IVA 亚型、IVB 亚型同源性很低或者没有同源性 的所有其它的 T4SS，统称为 GI 亚型），根据基因组岛携带基因编码蛋白质的不同 可将其分为致病岛、共生岛、代谢岛和抗生素抗性 岛等。不同的基因组岛对于细菌致病或耐药相关基 因的获得以及适应环境具有重要意义。基因组岛通 过 GI 亚型 T4SS 在细菌间移动和传递，从而在细菌 毒力、进化及适应环境变化等方面起到重要作用，最早对 GI 亚型 T4SS 的功能研究来自对流感嗜血杆菌(Haemophilus influenzae)基因组岛ICEHin1056 的功能分析。流感嗜血杆菌的基因组岛 ICEHin1056 是一种抗生素抗性岛，它为宿主菌提供了对氨苄青 霉素、氯霉素和四环素的抗性。

T4SS可以根据其功能分为：分别为接合系统、效应蛋白转运系统和ＤＮＡ释放及摄取系统。接合系统负责细菌中抗生素抗性基因和毒力基因的转移。效应蛋白转运系统用于将蛋白质转移至靶细胞；ＤＮＡ释放及摄取系统：用于与细胞外环境交换DNA（称为转化的过程）。T4SS所介导的接合转移是基因水平转移的重要机制之一，多数接合型质粒和整合性接合元件都依靠它们自身编码的T4SS进行接合转移，进而散播它们所携带的生物学性状，如耐药性和致病性等重要性状。

生物学意义：

T4SS在多种细菌的发病机理中起关键作用。T4SS 介导基因水平转移，通过细菌间接合作用，传递抗生素耐药性基因和毒力基因，导致病原体耐药性出现或毒力增强，有利于致病菌的进化。此外，T4SS可以分泌一些效应蛋白质分子通过细菌细胞膜及真核宿主细胞质膜，这与细菌的致病性密切相关。使用T4SS进行毒力的细菌病原体的显着例子是淋病奈瑟菌（Neisseria gonorrhoeae），其使用其T4SS介导DNA摄取（其促进毒力基因获得），以及嗜肺军团菌(Legionella pneumophila)，布鲁氏菌(Brucella suis)和幽门螺杆菌(Helicobacter pylori)，在感染期间将效应蛋白转移到宿主细胞中以破坏它们的防御策略。这些效应蛋白具有广泛的功能。例如根癌土壤杆菌(Agrobacterium tumefaciens)的T4SS利用T4SS 转移致瘤基因 T-DNA 到植物细胞核, 并整合到植物基因组, 使植物产生肿瘤；幽门螺旋杆菌的T4SS通过转运细胞相关毒素cagA而在细菌致病过程中起着关键作用；百日咳博德特菌 (Bordetella pertussis)通过Ptl输出装置输送百日咳毒素到胞外环境；细胞内病原体嗜肺军团菌Dot/Icm系统产物向哺乳动物宿主输出一种毒素，可促进细菌在细胞内增殖，杀死人类巨噬细胞以及防止吞噬体溶酶体融合。T4SS领域的一个主要焦点是了解这些效应蛋白影响宿主细胞功能的作用。除了增强我们对宿主-病原体相互作用的理解之外，这些研究还导致了对真核细胞生物学的新见解。

研究思路与前景

T4SS的结构功能研究是一个非常有价值的研究，最热门的研究的一个领域是设计T4SSs的小分子抑制剂，其广泛目标是抑制抗生素耐药性的传播或减轻临床上重要病原体的毒力。例如，在一些情况下，通过高通量筛选鉴定阻断T4SS介导的过程的分子（例如接合）的抑制剂；在其他情况下，系统结构组件或功能的是被有针对性抑制的，例如VirB8二聚化或VirD4，VirB4或VirB11 ATP酶的催化活性，这种对了解系统组成的各个亚基的结构十分重要，这是药物靶分子接合破坏的首要目标。随着我们更多地了解寄生T4SS以进入细胞的雄性特异性噬菌体的感染过程，可能出现新的策略来部署噬菌体以杀死携带T4SS的细胞或选择性地使这些系统失活。最后，人们对T4SS的治疗应用越来越感兴趣通过递送有毒的DNA或蛋白质底物来杀死特定的目标靶细胞。T4SS是程序化递送系统的优秀候选者，因为它们是已知将DNA和蛋白质转移至细菌和人类细胞靶标的唯一细菌分泌系统。

参考文献：

[1] 赵岩,李明,胡福泉.细菌的IV型分泌系统[J].生命的化学,2011(1):128-133.

[2] Costa, TRD, Harb, L, Khara, P, Zeng, L, Hu, B, Christie, PJ. Type IV secretion systems: Advances in structure, function, andactivation. Mol Microbiol. 2021; 00: 1– 17. https://doi.org/10.1111/mmi. 14670

http://weixin.qq.com/r/lziGnqPEFv5pref9922F (二维码自动识别)

【未完待续】

猜你喜欢

SnapGene viewer

一文学会质粒图谱绘制软件——SnapGene viewer

使用SnapGene viewer绘制比较基因簇结构图

微生物基因组公开课回放

1.细菌基因组测序方式：重测序、扫描图、完成图、转录组如何选择

2.细菌基因组研究思路和案例分享

3.常见的比较基因组分析有哪些

4.什么是基因水平转移（HGT)?如何研究细菌的HGT?

5.PC电脑上如何绘制高水平的基因组圈图？

6.如何使用BRIG绘制比较基因组圈图？

7.如何通过BLAST软件进行比较基因组分析？

8.BRIG高级使用与常见问题？