gramnegative bakterier, ligesom energiorganellerne fra planter og dyr (kloroplast og mitokondrier), har to membran-dobbeltlag kaldet de ydre og indre membraner. Rummet mellem disse to membraner kaldes periplasm. Længe før encellede eukaryoter udviklede periplasmen sig som det første ekstrakytoplasmatiske rum for at give en vigtig konkurrencedygtig tilpasning til gram-negative bakterier. Tidlig viden og opdagelsen af periplasmen udviklede sig allerede før dens morfologiske visualisering. I 1960 ‘ erne forsøgte forskere at forstå, hvordan giftige stoffer involveret i nedbrydning af vigtige biologiske molekyler, såsom ribonukleaser og fosfataser produceret af de gramnegative bakterier Escherichia coli, ikke var giftige for cellen. Biokemiske ekstraktionsmetoder foreslog et separat rum, fordi en sådan ekstraktion bevarede den indre membranbundne cytoplasma, og disse sfæroplaster kunne vokse igen og syntetisere flere . Udviklingen af elektronmikroskopi førte til visualiseringen af de to membran-dobbeltlag adskilt af periplasmen .

den ekstra membran muliggør oprettelse af periplasmen som et separat cellulært rum, hvis nye funktioner sandsynligvis gav en signifikant og måske endnu vigtigere selektiv fordel end toksinudelukkelse (tabel 1). Disse nye funktioner inkluderer proteintransport, foldning, iltning og kvalitetskontrol svarende til det eukaryote celle endoplasmatiske retikulum. Periplasmaen tillader også sekvestrering af celler, der kan være giftige i cytoplasmaet, vigtige signalfunktioner og regulering af celledeling. Derudover bidrager det til cellens evne til at modstå turgor-tryk ved at tilvejebringe strukturelle systemer, der fungerer sammen med den ydre membran, såsom peptidoglycan og lipoproteiner, flerdrugudstrømningssystemer og specifikke opløste stoffer, der bidrager til et Donnan-eller ionisk potentiale på tværs af den ydre membran. Periplasmen indeholder også samlingsplatforme involveret i sekretion af unikt strukturerede beta-tøndeproteiner, lipoproteiner og glycerolphospholipider til den ydre membran (Fig 1).

Hent: billede

originalbillede

Fig 1. Arkitektur af den gram-negative bakteriecellehylster.

vist er det asymmetriske dobbeltlag af lipopolysaccharid og glycerolphospholipider, der omfatter den ydre membran. Den indre membran er et symmetrisk dobbeltlag af glycerolphospholipider. Det periplasmiske rum er regionen mellem disse membraner, der inkluderer en række forskellige funktioner, herunder iltning og kvalitetskontrol af proteiner. Også inden for det periplasmiske rum er et lag af tværbundne sukkerarter og aminosyrer betegnet peptidoglycan, som omgiver cellen. Peptidoglycan er bundet til den ydre membran i enteriske bakterier gennem kovalente transpeptidase-forbindelser mellem et rigeligt ydre membranlipoprotein Lpp. En række sensorer sidder i den indre membran med periplasmiske domæner, der registrerer miljøændringer og, i tilfælde af Rcs-systemet, en ændring i placeringen af RcsF ydre membranlipoprotein. Multikomponentproteinkomplekser såsom den flagellære maskine spænder over de to membraner. IM, indre membran; Lpp, Brauns lipoprotein; LPS, lipopolysaccharid; RcsF, Regulator for kapselsyntese F.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2004935.g001

den ydre membran er en unik organel forbundet med andre dele af cellehylsteret via periplasmen. Gram-positive bakterier mangler en ydre membran, men har en mere omfattende peptidoglycanpolymer, der beskytter deres overflade. I modsætning til den bakterielle indre membran—som er et dobbeltlag af glycerolphospholipider svarende til det for de fleste pattedyrsmembraner, og som har specifik strømning karakteriseret ved lateral diffusion—har den ydre membran begrænset strømning . Det er et unikt dobbeltlag, hvor den indre folder har et typisk glycerolphospholipidindhold i phosphotidylethanolamin, phosphatidylglycerol og cardiolipin og den ydre folder stort set sammensat af et unikt glycolipid, lipopolysaccharid (LPS) . LPS-fosfaterne giver en negativ ladning til overfladen, og der skabes et specifikt Donnan-potentiale over den ydre membran ind i periplasmen . Den ydre membran fungerer som en selektiv barriere, der tillader transport af værdifulde næringsstoffer, samtidig med at der tilvejebringes en barriere mod giftige forbindelser, såsom kationiske antimikrobielle forbindelser produceret af alle organismer, herunder mange gram-positive bakterier . En anden komponent i denne barriere er ydre membranproteiner med en unik beta-tønde struktur, der indsættes i den ydre membran gennem et specifikt periplasmisk chaperonsystem . Disse proteiner samles i den ydre membran som specifik puncta, hvilket indikerer, at den ydre membran sandsynligvis samles i specifikke diskrete pletter indeholdende protein og det unikke asymmetriske lipid-dobbeltlag . Inkluderet blandt disse ydre membranproteiner er porinerne, som kan fungere som selektive kanaler, der tillader hydrofile substrater af en bestemt størrelse indgang til periplasmen. Heldigvis for mennesker transporterer disse poriner hydrofile beta-lactam-antibiotika, som tillader deres indtrængning i periplasmen, hvor de målretter mod syntesen af det vigtige strukturelle element i cellevæggen—den polymere peptidoglycan. Den ydre membran i nogle bakterier er forankret til peptidoglycanpolymeren gennem rigelige lipoproteiner, som indsættes i den indre folder af den ydre membran gennem specifikke sekretionssystemer . En række vigtige proteinkomplekser fungerer som nanomaskiner og bruger ATP-hydrolyse til at udskille makromolekyler eller dreje en motilitetsorganel kaldet flagella . Derfor er den ydre membran og den indre membran også forbundet over periplasmen ved hjælp af membranspændende proteinkomplekser. Derfor er den ydre membran sammensat af tydeligt samlede pletter, der omfatter en kompleks organel, der kan fastgøres til peptidoglycanlaget og den indre membran gennem kovalente og ikke-kovalente proteinforbindelser. Samlingen af den ydre membran og dens forbindelse til peptidoglycan og cytoplasma skaber et mellemrum mellem den indre membran og den ydre membran, som er periplasmen.

På trods af de vigtige funktioner indeholdt i det periplasmiske rum har der i mange år været debat om intermembranafstanden eller størrelsen af dette rum, og om der er ensartethed i afstanden mellem de indre og ydre membraner i hele cellen. Der var bekymring for, at mange af visualiseringerne af dette rum som værende af en bestemt størrelse var artefakter til fiksering til billeddannelse ved elektronmikroskopi, og at rummet faktisk kun var et potentielt rum. De tidlige elektronmikroskopiske undersøgelser af Bayer demonstrerede adhæsioner mellem den ydre og indre membran, der udslettede en del af disse rum; han foreslog, at adhæsionspunkter var områder, hvor den største ydre folder lipid, LPS, blev leveret til den ydre membran fra dets syntesested ved den indre membran . Imidlertid blev hans arbejde efterfølgende miskrediteret som afledt af observation af potentielle fikseringsartefakter, skønt mange eksperter i dag mener, at der kan være reelle proteinbaserede vedhæftninger mellem membranerne, fordi nogle udstrømnings-og transportsystemer ikke indeholder komponenter med tilstrækkelige dimensioner til at spænde over det visualiserede rum. Tilstedeværelsen af specifikke områder, hvor membranerne er tæt på hinanden, ville forklare, hvordan nogle af disse ATP-bindende kassette (ABC) transport-og efflukspumper kunne fungere; disse systemer har periplasmiske proteinkomponenter, der er essentielle for udstrømning, LP ‘ er eller anden glycolipidtransport, men mangler en iboende størrelse eller polymer natur, der er stor nok til at nå den ydre membran og således tilvejebringe en mekanisme til fremme af transport. Desuden indeholder periplasmen mange andre komponenter, der kræver i det mindste noget volumen for det periplasmiske rum, mest fremtrædende peptidoglycan-polymerlaget, der omgiver cellen. På nuværende tidspunkt er det uklart, hvordan disse transportører kommer rundt om denne polymer og bredden af periplasmen for at kontakte membranen, selvom det nylige arbejde, der viser, at ydre membranlipoproteiner kan koordinere peptidoglycansyntese gennem direkte kontakt, indikerer, at i det mindste nogle proteiner kan passe gennem porer i peptidoglycan for at udføre vigtige funktioner

i modsætning hertil kræver en række organeller, herunder flagellum og det virulensassocierede type III-sekretionssystemnålkompleks, samling af polymerer inden i periplasmen, der spænder over de to membraner. I tilfælde af flagellum spænder dens stang eller drivaksel over periplasmen, og dens længde bestemmes af polymeren, der kommer i kontakt med den ydre membran. Elegant nyligt arbejde fra gruppen af Kelly Hughes har vist, at størrelsen af periplasmen eller afstanden mellem de to membraner styres stort set i enteriske bakterier af et specifikt lipoprotein betegnet Brauns lipoprotein (eller Lpp), som kovalent forbinder den ydre membran med peptidoglycanlaget . Dette er ganske bemærkelsesværdigt, fordi Lpp er det mest rigelige protein, der findes i enteriske bakterier, beskrevet af Braun for 48 år siden, og indtil dette tidspunkt var der ikke tilskrevet nogen specifik funktion. Dette alfa-spiralformede protein indsættes gennem dets lipidanker i den indre folder af den ydre membran og kovalent bundet til peptidoglycanpolymeren af en familie af transpeptidaser . Forlængelse af disse lipoproteiner, der tillader udvidelse af periplasmen, fører til en længere flagellarstang og mere effektiv svømmeadfærd. Disse forfattere fortolkede dette resultat som tegn på, at der skal være andre evolutionært udvalgte funktioner, der begrænsede den periplasmiske størrelse, hvilket tvang en reduktion i svømmeeffektivitet. I dette nummer af PLOS Biology afsløres en af disse vigtige funktioner: en signalfunktion af konvolutskader styret af et andet ydre membranlipoprotein, Regulator for kapselsyntese F (RcsF), som registrerer forstyrrelse eller beskadigelse af konvolutten.

gramnegative bakterier har en række vigtige funktioner, der mærker membranskader og giftige forbindelser, såsom antimikrobielle peptider, der beskadiger den ydre membran . Disse sensorsystemer inkluderer dem, der tillader ombygning af bakterieoverfladen at være mere modstandsdygtig over for giftige forbindelser—analogt med rumskibe, der aktiverer deres skjolde i science fiction-historier . Nogle af disse sensorsystemer er receptorer, der fungerer som sensorkinaser med domæner i periplasmen for at mærke specifikke molekyler eller skader. Imidlertid, et af de mere unikke sensorkinasesystemer, betegnet Rcs—systemet—som ved membranskade aktiverer syntese af ekstracellulært polysaccharid for at tilvejebringe cellulær beskyttelse og dannelse af biofilm-har et ydre membranlipoprotein rcsf, som interagerer med signalproteiner med specifikke periplasmiske domæner på konvolutskader og peptidoglycanspænding for at aktivere syntesen af ekstracellulær polysaccharidproduktion og andre stressrelaterede håndteringsveje . Således bringer konvolutskader på en eller anden måde rcsf-lipoproteinet i større nærhed til det indre membranfølingssystem, og det udviklede sig således til sansforstyrrelse i den ydre membran og/eller peptidoglycan (Fig 2). I dette nummer af PLOS Biology demonstrerer forfatterne endeligt, at denne sensing kræver, at periplasmen er en specifik størrelse, fordi mutationer, der forlænger det meget rigelige LPP-lipoproteinanker fra den ydre membran til peptidoglycan (hvilket resulterer i en øget størrelse af periplasmen) afskaffede signalering, medmindre sensinglipoproteinet (som ved membranskader skal nå til den indre membransensor) også forlænges . Dette arbejde viser også tydeligt en meget specifik rækkefølge og størrelse til periplasmen; periplasmens størrelse ses tydeligt, da den findes i forbindelse med ændringerne i lipoproteinforankring eller længde ved kryo-elektronmikroskopi. Denne teknologi og elektrontomografi, der anvendes i Hughes-gruppens arbejde i forhold til den flagellære rotor, revolutionerer vores syn på bakteriecellehylsteret og proteinkomplekserne, der spænder over periplasmen for at udføre vigtige funktioner .

Hent:

• større billede
• originalt billede

Fig 2. Rcsf-signalering ændres ved en ændring i størrelsen af det periplasmiske rum.

rcsf ydre membran lipoproteinsensor skal kontakte sine indre membransignalpartnere for at aktivere sensing. Denne sensing kræver en specifik periplasmisk afstand, fordi forlængelse af Lpp-forbindelserne til peptidoglycan øger afstanden til periplasmen, og medmindre RcsF forlænges, kan signalering ikke længere forekomme. I panel A: den tilstand, hvor RcsF ikke aktiverer signalering, fordi der ikke pågår nogen konvolutforstyrrelse. I panel B: konvolutforstyrrelse fører til rcsf fysiske interaktioner med det indre membranfølingssystem, og Rcs regulon aktiveres. I panel C, hvor Lpp er blevet forlænget og den periplasmiske intermembranafstand forlænget, kan Rcs regulon ikke aktiveres på trods af konvolutforstyrrelse. I panel D: fejlen i den lange Lpp korrigeres ved at forlænge RcsF. IM, indre membran; Lpp, Brauns lipoprotein; OM, ydre membran; PG, peptidoglycan; RcsF, Regulator af kapselsyntese F.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2004935.g002

selvom disse nylige undersøgelser har defineret Lpp som en specifik molekylær lineal mellem den ydre membran og peptidoglycan, er det ukendt, hvad der regulerer afstanden mellem den indre membran og peptidoglycan, og hvad der styrer polymeriseringen eller nedbrydningen af peptidoglycanpolymeren, så den ikke fuldt ud hindrer proteiner, der spænder over periplasmen. At definere disse og andre mysterier i cellehylsteret kan føre til vigtige praktiske fremskridt ud over at tilfredsstille vores videnskabelige drivkraft til at løse mysterierne i den gramnegative bakteriecellehylster. Denne konvolut er en bemærkelsesværdig effektiv og evolutionært avanceret molekylsigte, der gør udviklingen af antibiotika mod disse organismer meget vanskeligere end for gram-positive bakterier, der mangler den ekstra membran og periplasma.

øget viden om gram-negativ cellehylster er også kritisk for at forstå mekanismerne for antibiotikaresistens, fordi mange af vores mest succesrige antibiotika, herunder beta-lactam-antibiotika (som er målrettet mod peptidoglycan og trænger ind gennem porinerne), målretter mod cellehylsteret. Gramnegative bakterier og multiresistente organismer fortsætter med at udvikle sig gennem kuvertmutationer og erhvervelse af nye periplasmiske organismer. Der mangler nye antibiotika til gramnegative bakterier i rørledningen på grund af vanskeligheden ved at overtræde den unikke barriere, der leveres af den ydre membran og periplasmen. I denne henseende har antibiotika med periplasmiske mål en fordel i forhold til dem, der står over for vanskelighederne med at trænge ind i den indre membran og undgå betydelig udstrømning. Det er interessant at spekulere i, at målretning af essentielle periplasmiske funktioner, der kræver en periplasm af specifik størrelse og evne til at rumme forskellige funktioner, kunne tilbyde vigtige nye mål for antibiotikaudvikling. Nylige undersøgelser har afdækket nye grundlæggende funktioner i den gramnegative konvolut gennem bakteriel genetik, strukturel biologi og avancerede morfologiske teknikker. På trods af årtiers undersøgelse er der stadig meget at lære om den gram-negative bakteriecellehylster. At afdække andre mysterier på dette område bør føre til en ny generation af mål for udvikling af antibiotika for at holde os et skridt foran i våbenkapløbet med antibiotikaresistente gramnegative bakterier.