letöltés:

• PowerPoint slide
• nagyobb kép
• eredeti kép

1.ábra. A gram-negatív baktériumsejt burok felépítése.

a külső membránt alkotó lipopoliszacharid és glicerolfoszfolipidek aszimmetrikus kétrétege látható. A belső membrán a glicerin-foszfolipidek szimmetrikus kétrétege. A periplazmikus tér a membránok közötti régió, amely számos enzimet és funkciót tartalmaz, beleértve a fehérjék oxidációját és minőségellenőrzését. Szintén a periplazmás térben van egy réteg térhálósított cukrok és aminosavak úgynevezett peptidoglikán, amely körülveszi a sejt. A peptidoglikán az enterális baktériumok külső membránjához kapcsolódik a bőséges külső membrán lipoprotein Lpp közötti kovalens transzpeptidáz kapcsolatok révén. A belső membránban különféle érzékelők helyezkednek el periplazmás doménekkel, érzékelve a környezeti változásokat, valamint az Rcs rendszer esetében az RcsF külső membrán lipoprotein helyének változását. A többkomponensű fehérjekomplexek, például a flagelláris gép a két membránt átfogják. IM, belső membrán; Lpp, Braun lipoprotein; LPS, lipopoliszacharid; RcsF, kapszula szintézis szabályozója F.

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

a külső membrán egy egyedülálló organelle, amely a periplazmán keresztül kapcsolódik a sejtburok más részeihez. A Gram-pozitív baktériumok nem rendelkeznek külső membránnal, de kiterjedtebb peptidoglikán polimerrel védik a felületüket. A bakteriális belső membránnal ellentétben—amely a legtöbb emlősmembránhoz hasonló glicerolfoszfolipid kettős rétege, amelynek specifikus áramlását laterális diffúzió jellemzi-a külső membrán korlátozott áramlással rendelkezik . Ez egy egyedülálló kétrétegű, a belső szórólap tipikus glicerol-foszfolipid-tartalommal rendelkezik foszfotidil-etanol-amin, foszfatidil-glicerin és kardiolipin, a külső szórólap pedig nagyrészt egyedülálló glikolipidből, lipopoliszacharidból (LPS) áll . Az LPS-foszfátok negatív töltést adnak a felületnek, és egy specifikus Donnanpotenciál jön létre a külső membránon keresztül a periplazmába . A külső membrán szelektív gátként működik, amely lehetővé teszi az értékes tápanyagok szállítását, miközben akadályt képez a mérgező vegyületek, például az összes organizmus, köztük sok gram-pozitív baktérium által termelt kationos antimikrobiális vegyületek ellen . Ennek a gátnak egy másik összetevője az egyedülálló béta-hordó szerkezetű külső membránfehérjék, amelyeket egy speciális periplazmás chaperone rendszeren keresztül helyeznek a külső membránba . Ezek a fehérjék a külső membránba specifikus puncta-ként gyűlnek össze, ami azt jelzi, hogy a külső membrán valószínűleg specifikus különálló foltokká alakul, amelyek fehérjét és az egyedülálló aszimmetrikus lipid kettős réteget tartalmaznak . Ezen külső membránfehérjék közé tartoznak a porinok, amelyek szelektív csatornákként működhetnek, amelyek lehetővé teszik a meghatározott méretű hidrofil szubsztrátok bejutását a periplazmába. Az emberek szerencséjére ezek a porinok hidrofil béta-laktám antibiotikumokat szállítanak, amelyek lehetővé teszik a periplazmába való behatolást, ahol a sejtfal fontos szerkezeti elemének—a polimer peptidoglikán-szintézisét célozzák meg. Egyes baktériumok külső membránja bőséges lipoproteineken keresztül van rögzítve a peptidoglikán polimerhez, amelyeket specifikus szekréciós rendszereken keresztül helyeznek a külső membrán belső szórólapjába . Számos fontos fehérje komplex működik nanogépként, és ATP hidrolízist használnak a makromolekulák kiválasztására vagy a motilitás organellájának, a flagellának a megfordítására . Ezért a külső membránt és a belső membránt a periplazmán keresztül membránon átívelő fehérje komplexek kötik össze. Ezért a külső membrán egyértelműen összeállított foltokból áll, amelyek egy komplex organellát tartalmaznak, amely a peptidoglikán réteghez és a belső membránhoz kapcsolódhat kovalens és nem kovalens fehérje kötések révén. A külső membrán összeszerelése és a peptidoglikánhoz és a citoplazmához való kapcsolódása teret teremt a belső membrán és a külső membrán között, ami a periplazma.

a periplazmás térben található fontos funkciók ellenére évek óta vita folyik ennek a rekesznek az intermembrán távolságáról vagy méretéről, valamint arról, hogy a sejt belső és külső membránjai között egyenletes-e a távolság. Aggodalomra adott okot, hogy ennek a térnek a meghatározott méretű vizualizációi közül sok az elektronmikroszkópos képalkotás rögzítésének tárgyai voltak, és hogy valójában a tér valójában csak potenciális tér volt. A Bayer korai elektronmikroszkópos vizsgálata kimutatta a külső és a belső membrán közötti adhéziókat, amelyek eltörölték e terek egy részét; azt javasolta, hogy az adhéziós pontok olyan területek, ahol a fő külső szórólap lipid, LPS, a belső membrán szintézisének helyéről a külső membránba került . Munkáját azonban később hiteltelenné tették, mivel a lehetséges rögzítési leletek megfigyeléséből származik, bár sok szakértő ma úgy gondolja, hogy valódi fehérje alapú adhéziók lehetnek a membránok között, mivel egyes efflux és transzportrendszerek nem tartalmaznak elegendő méretű komponenseket a vizualizált tér átíveléséhez. Bizonyos területek jelenléte, ahol a membránok közel vannak egymáshoz, megmagyarázná, hogyan működhetnek ezek az ATP-kötő kazetta (ABC) transzport és efflux szivattyúk; ezek a rendszerek periplazmás fehérje komponensekkel rendelkeznek, amelyek nélkülözhetetlenek az effluxhoz, az LPS – hez vagy más glikolipid transzporthoz, de hiányzik a belső méret vagy a polimer természet, amely elég nagy ahhoz, hogy elérje a külső membránt, és így mechanizmust biztosít a transzport elősegítésére. Ezenkívül a periplazma sok más komponenst tartalmaz, amelyek legalább bizonyos térfogatot igényelnek a periplazmikus tér számára, leginkább a sejtet körülvevő peptidoglikán polimer réteg. Jelenleg nem világos, hogy ezek a transzporterek hogyan kerülik meg ezt a polimert és a periplazma szélességét, hogy kapcsolatba lépjenek a membránnal, bár a legújabb munkák, amelyek azt mutatják, hogy a külső membrán lipoproteinek közvetlen érintkezés útján képesek koordinálni a peptidoglikán szintézisét, azt jelzik, hogy legalább néhány fehérje átférhet a peptidoglikán pórusain, hogy fontos funkciókat hajtson végre

ezzel szemben számos organellum, beleértve a flagellumot és a virulenciához kapcsolódó III.típusú szekréciós rendszer tű komplexét, polimerek összeszerelését igényli a periplazmán belül, amelyek a két membránt átfogják. A flagellum esetében rúdja vagy hajtótengelye átfogja a periplazmát, hosszát pedig a külső membránnal érintkező polimer határozza meg. A Kelly Hughes csoport elegáns közelmúltbeli munkája kimutatta, hogy a periplazma méretét vagy a két membrán közötti távolságot nagyrészt bélben oldódó baktériumok szabályozzák egy specifikus lipoprotein, amelyet Braun lipoproteinnek (vagy Lpp-nek) neveznek, amely kovalensen összeköti a külső membránt a peptidoglikán réteggel . Ez azért figyelemre méltó, mert az Lpp a legelterjedtebb fehérje az enterális baktériumokban, amelyet Braun 48 évvel ezelőtt írt le, és eddig a pontig nem tulajdonítottak neki specifikus funkciót. Ezt az alfa-spirális fehérjét lipidhorgonyán keresztül a külső membrán belső szórólapjába helyezzük, és a transzpeptidázok családja kovalensen kapcsolódik a peptidoglikán polimerhez . Ezeknek a lipoproteineknek a meghosszabbítása, amelyek lehetővé teszik a periplazma kiterjedését, hosszabb flagelláris rúdhoz és hatékonyabb úszási viselkedéshez vezet. Ezek a szerzők ezt az eredményt úgy értelmezték, hogy azt jelzik, hogy más evolúciósan kiválasztott funkcióknak kell lenniük, amelyek korlátozzák a periplazmikus méretet, ami az úszás hatékonyságának csökkenését kényszeríti. A PLOS Biology ezen számában kiderül az egyik fontos funkció: a boríték károsodásának jelzőfunkciója, amelyet egy másik külső membrán lipoprotein, az F kapszula szintézis szabályozója (RcsF) irányít, amely érzékeli a boríték rendellenességét vagy károsodását.

a Gram-negatív baktériumok számos fontos funkcióval rendelkeznek, amelyek érzékelik a membrán károsodását és a mérgező vegyületeket, például az antimikrobiális peptideket, amelyek károsítják a külső membránt . Ezek az érzékelő rendszerek magukban foglalják azokat, amelyek lehetővé teszik a baktériumok felületének átalakítását, hogy ellenállóbbak legyenek a mérgező vegyületekkel szemben—hasonlóan az űrhajókhoz, amelyek pajzsukat tudományos-fantasztikus történetekben táplálják . Ezen érzékelő rendszerek egy része olyan receptor, amely szenzorkinázként működik a periplazmában lévő doménekkel, hogy érzékelje a specifikus molekulákat vagy károsodásokat. Azonban az egyik egyedülálló érzékelő kináz rendszer, az úgynevezett Rcs rendszer—amely a membrán károsodásán aktiválja az extracelluláris poliszacharid szintézisét, hogy biztosítsa a sejtek védelmét és a biofilm képződését—egy külső membrán lipoprotein RcsF, amely kölcsönhatásba lép a jelátviteli fehérjékkel a specifikus periplazmás doménekkel a boríték károsodásán és a peptidoglikán stresszen, hogy aktiválja az extracelluláris poliszacharid termelés szintézisét és más stresszel kapcsolatos megküzdési utakat . Így a boríték károsodása valamilyen módon az RcsF lipoproteint nagyobb közelségbe hozza a belső membránérzékelő rendszerhez, és így a külső membrán és/vagy a peptidoglikán érzékelési rendellenességévé fejlődött (2.ábra). A PLOS Biology ebben a számában a szerzők meggyőzően bizonyítják, hogy ehhez az érzékeléshez a periplazmának meghatározott méretűnek kell lennie, mivel azok a mutációk, amelyek meghosszabbítják a rendkívül bőséges Lpp lipoprotein horgonyt a külső membrántól a peptidoglikánig (ami a periplazma megnövekedett méretét eredményezi) megszüntették a jelátvitelt, kivéve, ha az érzékelő lipoprotein (amelynek a membrán károsodásakor el kell érnie a belső membránérzékelőt) szintén meghosszabbodik . Ez a munka egyértelműen megmutatja a periplazma nagyon specifikus sorrendjét és méretét is; a periplazma mérete egyértelműen látható, mivel a lipoprotein rögzítésének vagy hosszának krio-elektronmikroszkópos változásaival összefüggésben létezik. Ez a technológia és az elektrontomográfia, amelyet a Hughes csoport a flagelláris rotorral kapcsolatban alkalmazott, forradalmasítja a bakteriális sejtburok és a protein komplexek nézetét, amelyek a periplazmát átívelik, hogy fontos funkciókat hajtsanak végre .

letöltés:

• PowerPoint slide
• nagyobb kép
• eredeti kép

2.ábra. Az RcsF jelzést megváltoztatja a periplazmikus tér méretének változása.

az RcsF külső membrán lipoprotein érzékelőnek kapcsolatba kell lépnie a belső membrán jelző partnereivel az érzékelés aktiválásához. Ez az érzékelés speciális periplazmás távolságot igényel, mivel az Lpp-kötések peptidoglikánhoz való meghosszabbítása növeli a periplazma távolságát, és hacsak az RcsF nem hosszabbodik meg, a jelátvitel már nem fordulhat elő. Az a panelen: az az állapot, amelyben az RcsF nem aktiválja a jelzést, mert nincs borítékzavar folyamatban van. A B panelen: a borítékzavar rcsf fizikai kölcsönhatásokhoz vezet a belső membránérzékelő rendszerrel, és az Rcs regulon aktiválódik. A C panelen, amelyben az Lpp meghosszabbodott és a periplazmás intermembrán távolság meghosszabbodott, az Rcs regulon a boríték rendellenessége ellenére nem aktiválható. A D panelen: a hosszú Lpp hibáját az RcsF meghosszabbításával korrigálják. IM, belső membrán; Lpp, Braun lipoprotein; OM, külső membrán; PG, peptidoglikán; RcsF, kapszula szintézis szabályozója F.

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

bár ezek a legújabb vizsgálatok az Lpp-t a külső membrán és a peptidoglikán közötti specifikus molekuláris vonalzóként határozták meg, nem ismert, hogy mi szabályozza a belső membrán és a peptidoglikán közötti távolságot, és mi szabályozza a peptidoglikán polimer polimerizációját vagy lebomlását, így nem akadályozza teljesen a periplazmát átívelő fehérjéket. A sejtburok ezen és más rejtélyeinek meghatározása fontos gyakorlati előrelépésekhez vezethet, amellett, hogy kielégíti a gram-negatív baktériumboríték rejtélyeinek megoldására irányuló tudományos törekvésünket. Ez a burok egy rendkívül hatékony és evolúciósan fejlett molekulaszűrő, amely sokkal nehezebbé teszi az antibiotikumok kifejlesztését ezen organizmusok ellen, mint a gram-pozitív baktériumok esetében, amelyek nem rendelkeznek további membránnal és periplazmával.

a gram-negatív sejtburok ismerete szintén kritikus fontosságú az antibiotikum-rezisztencia mechanizmusainak megértéséhez, mivel sok legsikeresebb antibiotikumunk, beleértve a béta-laktám antibiotikumokat (amelyek a peptidoglikánt célozzák meg és a porinokon keresztül jutnak be), a sejtburkot célozzák meg. A Gram-negatív baktériumok és a multirezisztens organizmusok tovább fejlődnek a burokmutációk és az új periplazmikus enzimek megszerzése révén. A gram-negatív baktériumok ellen új antibiotikumok hiányoznak a csővezetékben, mivel nehéz áttörni a külső membrán és a periplazma által biztosított egyedi gátat. Ebben a tekintetben a periplazmás célokkal rendelkező antibiotikumok előnyösek azokkal szemben, akik a belső membrán behatolásának nehézségeivel szembesülnek, és elkerülik a jelentős effluxot. Érdekes feltételezni, hogy az alapvető periplazmikus funkciók megcélzása, amelyek meghatározott méretű periplazmát igényelnek, és képesek a különböző funkciók befogadására, fontos új célokat kínálhatnak az antibiotikumok fejlesztéséhez. A legújabb tanulmányok a gram-negatív burok új alapvető funkcióit fedezték fel a bakteriális genetika, a strukturális biológia és a fejlett morfológiai technikák révén. Az évtizedes tanulmányok ellenére még sok mindent meg kell tanulni a gram-negatív baktériumsejt borítékról. Más rejtélyek feltárása ezen a területen az antibiotikumok kifejlesztésének új generációjához vezethet, hogy egy lépéssel előrébb tartsunk az antibiotikum-rezisztens gram-negatív baktériumokkal folytatott fegyverkezési versenyben.