Trimeric autotransporter adhesin
Inom molekylärbiologi är trimera autotransporteradhesiner ( TAAs ) proteiner som finns på det yttre membranet av gramnegativa bakterier . Bakterier använder TAA för att infektera sina värdceller via en process som kallas celladhesion . TAA går också under ett annat namn, oligomera coiled-coil adhesiner , som förkortas till OCA. I huvudsak är de virulensfaktorer , faktorer som gör bakterierna skadliga och smittsamma för värdorganismen .
TAA är bara en av många metoder som bakterier använder för att infektera sina värdar, infektion som resulterar i sjukdomar som lunginflammation , sepsis och hjärnhinneinflammation . De flesta bakterier infekterar sin värd genom en metod som kallas utsöndringsvägen . TAA är en del av sekretionsvägen , för att vara mer specifik typ Vc-sekretionssystemet .
Trimera autotransporteradhesiner har en unik struktur. Strukturen de har är avgörande för deras funktion. De verkar alla ha en huvud-stjälk-ankarstruktur. Varje TAA består av tre identiska proteiner, därav namnet trimeric . När väl membranankaret har förts in i det yttre membranet, passerar passagerardomänen genom det in i den extracellulära värdmiljön autonomt, därav beskrivningen av autotransportör. När huvuddomänen väl är sammansatt, fäster den sedan vid ett element i värdens extracellulära matris , till exempel kollagen , fibronektin , etc.
Molekylär struktur
De flesta TAA har en liknande proteinstruktur. När den observerats med elektronmikroskopi har strukturen beskrivits som en "lollipop"-form bestående av en N-terminal huvuddomän, en stjälkdomän och en C-terminal membranankardomän. Ofta hänvisar litteraturen till dessa som Passenger-domän , innehållande N-terminalen, huvud-, hals- och coiled-coil- skaftet, och Translocation-domänen , med hänvisning till det C-terminala membranankaret. Även om alla TAA bär ett membranankare gemensamt, kanske de inte alla innehåller både en stjälk och ett huvud också. Dessutom är alla membranankardomäner av vänsterhänt parallell beta-roll typ.
Proteindomänarrangemanget för Trimeric Autotransporter Adhesin, BadA Denna figur visar huvud-, stjälk- och ankardomänerna. Den visar det YadA-liknande huvudet i grått. Stjälken innehåller upprepningar färgade i grönt och membranankaret i rött. Sekvensen nedan visar färgning enligt domänarrangemang och proteasklyvningsställen rött (trypsin) och blått (kymotrypsin). (Figur använd från tidskrift med öppen tillgång, i det offentliga området, Public Library of Science (PLoS) Pathogen
Utökad domän för signalpeptidregion
| ESPR- | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| identifierare | |||||||||
| Symbol | ESPR | ||||||||
| Pfam | PF13018 | ||||||||
| |||||||||
Den utökade signalpeptidregionen (ESPR) finns i N-terminalen av signalpeptiderna från proteiner som tillhör typ V-sekretionssystemen . ESPR:s funktion är att underlätta translokation av inre membran genom att fungera som ett tillfälligt tjuder. Detta förhindrar ansamling av felveckade proteiner. ESPR kan delas in i individuella regioner, de är som följer: N1 (laddad), H1 ( hydrofob ), N2, H2 och C ( klyvningsställe ) domäner. N1 och H1 bildar ESPR och har stark bevarande .
Funktion : Det finns flera roller som den utökade signalpeptidregionen tros ha. Först biogenes av proteiner i typ V-sekretionssystemet (T5SS). För det andra antas det rikta proteinet till det inre membranet som ska translokeras antingen genom signaligenkänningspartikelvägen (SRP) eller genom translokerad tvillingarginin (TAT). För det tredje har det observerats och tros reglera hastigheten för proteinmigrering in i periplasman .
N-terminal huvuddomän
Struktur : Denna speciella domän är en trimer av enkelsträngade, vänsterhänta beta-helixar. Dessa associeras för att bilda en nio-lindad vänsterhänt beta-roll. Den innehåller sekvensmotiv, av vilka det finns en stark likhet med andra TAA-huvuden. Detta indikerar att det finns en hel del likheter när man jämför proteinstruktur. Huvuddomänen är ansluten till stjälken genom en kort, mycket konserverad sekvens, som ofta kallas halsen, eller ibland kallad kontakten.
Funktion : Denna proteindomäns funktion är att binda till värdens extracellulära matris , framför allt fibronektin , kollagen och laminin . Huvuddomänen är mycket viktig för anknytning till värdcellen och för autoagglutination , som fastnar i sig själv.
Jämförelse av Head-domäner i olika Trimeric Autotransporter Adhesins (Figur som används från öppen åtkomsttidskrift, i det offentliga området, Public Library of Science (PLoS) Patogen)
Det finns flera typer av huvuddomäner. Varje domän hjälper huvudet att binda till en annan komponent i den extracellulära matrisen. Dessa är följande: YadA-liknande huvuddomän, Trp-ring, GIN, FxG, HIN1 och HIN2. Detta inlägg fokuserar på de tre förstnämnda.
YadA-liknande huvud
YadA-liknande huvud är sammansatt av enkelsträngade, vänsterhänta beta-helixar, som associeras ytterligare för att skapa en nio-lindad vänsterhänt parallell beta-roll (LPBR). Det är den tightaste beta-roll-strukturen som är känd, och den första som upptäckts. YadA-huvuddomänen har åtta upprepade motiv, var och en fjorton rester i längd.
Trp ring
Trp-ringen är det näst vanligaste TAA-huvudet. Trp är en aminosyra som heter tryptofan . Trp-ringen får sitt namn från de höga nivåerna av tryptofan som finns i den C-terminala delen av Head-domänen. Dessa fungerar genom att stabilisera övergången mellan coiled-coil och beta-meander där huvudet möter halsen eller stjälken. I många fall följs Trp-ringen ofta av GIN-domänen.
GIN
GIN-domänen är en huvuddomän uppkallad efter dess sekvensmotiv GIN ( Glycin - Isoleucin - Asparagin ) motiv. Den har en all-beta-struktur, där de två paren av antiparallella beta-ark är förbundna med ett diagonalt löpande utökat beta-ark. Arken vikas sedan ytterligare för att bilda ett betaprisma där varje vägg är sammansatt av en komplett uppsättning av fem beta-strängar. GIN-domänen följs ofta av en halsdomän.
Halsdomän
Struktur : Halsdomänen är en homotrimer, där tre av samma subenheter associeras. Alla tre underenheterna är arrangerade på ett sådant sätt att de liknar en "säkerhetsstift"-liknande struktur.
Funktion : Halsdomänens funktion är att vara adaptern mellan den större diametern på beta-helixarna och den mindre av de coiled coilen. Dessutom, precis som dess säkerhetsnålsstruktur, har den också en funktion att fästa alla tre monomerer tillsammans och fästa den till huvuddomänen. Detta ökar stabiliteten i nackdomänen.
Det finns sju olika typer av halsdomäner. De är följande: ISneck1, ISneck2, HANS-kontakt, DALL-1, DALL-2, DALL-3 och halsdomänen. Det här inlägget fokuserar på ISneck-domänen.
ISneck-domän
ISneck-domänen är en typ av halsdomän. Det finns två typer av ISneck-domän. Denna första är en ISneck som avbryts av en insättning. Insättningen kan ha formen av antingen vikt (ISneck 1) eller mycket kortare, ovikt (ISneck 2) störning.
Förfölja domän
| YadA_stalk- | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| identifierare | |||||||||
| Symbol | YadA_stalk | ||||||||
| Pfam | PF05662 | ||||||||
| InterPro | IPR008635 | ||||||||
| SCOP2 | 1s7m / SCOPe / SUPFAM | ||||||||
| |||||||||
Struktur : Dessa domäner är fibrösa och finns i mycket repetitiva antal. De innehåller lindade spolar och deras längd tenderar att variera mellan olika arter. De spiralformade segmenten av stjälkdomänerna har två ovanliga egenskaper:
- de växlar från högerhänt till vänsterhänt supercoiling
- ofta avbrutna av små klotformade domäner, vilket beror på att de ser ut som segmenterade rep.
Dessutom är stjälken helt uppbyggd av pentadekader. Därför kan stjälkdomänerna betraktas som alfaspiralformade spolar som avviker från standardmodellen på grund av sina ovanliga egenskaper. Ur ett djupare strukturellt perspektiv arrangerar coiled-coil sig på ett sådant sätt att korsningsvinkeln mellan spiralerna är nästan noll. Packningen av dessa spiraler följer ett "knoppar-i-hål"-arrangemang, varvid hydrofoba rester sticker ut och bildar knoppar som packas in i håligheter som bildas av andra rester på en annan spiral. Sedan, när knopparna är packade i håligheter, lindas de tre spiralerna i register runt varandra, så att alla rester i vissa positioner är på samma höjd.
Funktion : Deras roll är att fungera som spacers genom att flytta huvuddomänerna bort från bakteriecellytan och mot värdens extracellulära matris . De har också en roll i att skydda bakteriecellen mot värdförsvar. De gör detta genom att hjälpa komplementmotståndet . Stjälkproteindomänen kallas också alternativt för den interna passagerardomänen.
Det finns två typer av stalkdomän: FGG-domänen och den högerhänta stalkdomänen.
C-terminal membranankardomän
| YadA bakteriell vidhäftningsankardomän | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Beta-cylinderstrukturen som finns i C-terminalen av bakteriell adhesinankardomän, YadA
| |||||||||
| Identifiers | |||||||||
| Symbol | YadA_anchor | ||||||||
| Pfam | PF03895 | ||||||||
| Pfam klan | CL0327 | ||||||||
| InterPro | IPR005594 | ||||||||
| |||||||||
Struktur : Strukturen för denna proteindomän är en vänsterhänt lindad spole följt av fyra transmembrana beta-strängar . Man tror att, när trimerisering har skett, vikas dessa betasträngar ytterligare till en 12-strängad beta-fat . Den innehåller också ett igenkänningsställe för signalpeptidaser, vilket betyder att enzymet kommer att känna igen signalpeptiden och klyver den vid en viss punkt.
Funktion : Funktionen hos membranankardomänen är att hjälpa polypeptidkedjans rörelse genom cellmembranet , en process som kallas autotransportaktivitet. Sättet som TAA translokerar över det yttre membranet återstår att belysa, men man tror att det translokerar inuti beta-cylindern , vilket leder till transport av passagerardomänen från C-terminalen till N-terminalen genom beta-cylinderns lumen. I huvudsak är beta-pipan en porin som sitter i det bakteriella yttre membranet . Passagerardomänen eller med andra ord coiled-coil stjälkdomän translokeras genom denna por . Ytterligare funktioner hos membranankaret är att oligomerisera stjälkdomänen och att förankra hela proteinet till det bakteriella yttre membranet .
Modellproteiner
Alla Trimeric Autotransporter Adhesiner är avgörande virulensfaktorer som orsakar allvarliga sjukdomar hos människor. De mest studerade och välkända Trimeric Autotransporter Adhesinerna listas nedan:
- YadA från Yersinia enterocolitica
- NadA från Neisseria meningitidis
- UspA1 och A2 av Moraxella catarrhalis
- Hia och Hsf från Haemophilus influenzae
- BadA av Bartonella henselae
| Domän | Proteiner | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| YadA | NadA | UspA1 | HadA | Hej | BadA | |
| N terminal Huvud | Enkelsträngad, vänsterhänt beta helix | Globulärt huvud | Beta propellerhuvud | Inte närvarande | Betaprismor | Liknar YadA head, innehåller vänsterhänt beta helix |
| Nacke | Närvarande | Inte närvarande | Närvarande | Närvarande | Närvarande | Närvarande |
| Stjälk | Högerhänt coiled-coil | Coiled-coil alfa-helixar följt av en länkregion | Förlängd coil-coil | Tre- alfaspiral spiral | Tre-alfaspiral spiral | Förlängd coil-coil |
| C-terminal Membranankare | Beta-fatstruktur | Beta-fatstruktur | Beta-fatstruktur | Beta-fatstruktur | Beta-fatstruktur | Beta-fatstruktur |
| YadA-huvuddomän | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Kristallstruktur av den kollagenbindande domänen av Yersinia adhesin YadA
| |||||||||
| Identifiers | |||||||||
| Symbol | YadA_head | ||||||||
| Pfam | PF05658 | ||||||||
| InterPro | IPR008640 | ||||||||
| SCOP2 | 1p9h / SCOPe / SUPFAM | ||||||||
| |||||||||
YadA-protein
YadA är en proteindomän som finns i gramnegativa bakterier som Yersinia enterocolitica , Yersinia pestis och Yersinia pseudotuberculosis . YadA står för Yersinia adhesin protein A. Denna proteindomän är ett exempel på Trimeric Autotransporter Adhesins, och det var den första TAA som upptäcktes. Liksom andra TAA genomgår YadA också homotrimerisering för att bilda ett stabilt kollagenbindande protein. Homotrimerisering är en process där tre av samma subenheter associeras för att göra ett komplex av tre identiska YadA-proteiner. Dessutom, precis som andra TAA, har den en huvud-stjälk-ankare proteinarkitektur. Majoriteten av TAA delar stark likhet i den C-terminala membranankarregionen, den enda medlemmen som skiljer sig mellan TAA är huvud-, hals- och stjälkregionerna. Huvudregionen i YadA består av beta-helixar som är ytterligare vikta för att skapa en nio-lindad vänsterhänt parallell beta-roll (LPBR).
NadA-protein
Ett annat exempel på en TAA är NadA-proteinet. NadA-proteinet finns i en art av gramnegativa bakterier som kallas Neisseria meningitidis , som orsakar sepsis och hjärnhinneinflammation hos människor. Studier har visat att den globulära N-terminala huvuddomänen av NadA är avgörande för vidhäftning. NadA innehåller också en spiralformad region och även ett C-terminalt membranankare.
UspA1-protein
UspA1 är ett annat exempel på ett Trimeric Autotransporter Adhesin som finns i bakterien Moraxella catarrhalis , som finns som en vanlig orsak till mellanörsinfektioner hos människor. Strukturen hos UspA1 har också en huvuddomän vid den N-terminala domänen, men den viks in i betapropellern. Liksom de andra TAA:erna har den en spiralformad stjälkregion, men i det här fallet är den förlängd och den har den typiska TAA-domänen för C-terminal beta-fatmembran.
Hia protein
Hia-proteinet är en TAA som finns på det yttre membranet av bakterien Haemophilus influenzae . Det fäster vid andningsepitelet hos människor. Detta protein kan orsaka lunginflammation och vissa stammar orsakar hjärnhinneinflammation och sepsis . Hia har ett lite ovanligt N-terminalt huvud av betaprismor. Beta-prismat är en ovanlig typ av proteinarkitektur som först beskrevs av Chothia och Murzin. Som namnet antyder rymmer den tre betablad arrangerade i ett triangulärt prisma och innehåller inre symmetri. Dessutom innehåller huvuddomänen 5 Trp-Ring-domäner. Dessutom innehåller detta protein också tre halsdomäner, varav två är IsNeck-domäner förutom andra domäner som KG, GANG och TTT-domäner. Den innehåller också en spiralformad stjälk och det typiskt konserverade TAA C-terminalmembranankaret.
BadA protein
BadA-proteinet är ett annat exempel på en TAA som finns i Bartonella henselae- bakterier. Bartonella henselae är orsaken till kattskrapssjukdomen , en normalt ofarlig sjukdom, men hos personer med ett försvagat immunförsvar , såsom de som genomgår kemoterapi eller bekämpar AIDS , är det allvarligare eftersom det kan leda till bacillär angiomatos . Detta är ett tillstånd där godartade tumörer i blodkärlen genomgår okontrollerad spridning , vilket gör att det bildas knutar i de mindre blodkärlen, såsom kapillärer , vilket begränsar blodflödet. Detta kan bero på att BadA inducerar transkriptionen av proangiogena faktorer, eftersom det aktiveras av NF-KB såväl som hypoxiinducerbar faktor 1. Huvuddomänen av BadA är mer komplex än andra TAA. Det tros vara en chimär eller, med andra ord, en kombination av YadA- och Hia-huvuddomäner. Denna kombination ger insikt i hur patogeniciteten hos gramnegativa bakterier har utvecklats över tiden. BadA innehåller också en halsdomän, en förlängd coil-coil-skaft och beta-barrel C terminalt membranankare.
Kliniska effekter
| Proteindomän | Bakteriearter | Sjukdomar orsakade |
|---|---|---|
| YadA | Yersinia enterocolitica | yersiniosis |
| NadA | Neisseria meningitidis | sepsis och hjärnhinneinflammation |
| UspA1 | Moraxella catarrhalis | mellanörat infektion |
| Hej | Haemophilus influenzae | lunginflammation och vissa stammar orsakar hjärnhinneinflammation och sepsis |
| BadA | Bartonella henselae | kattskrapssjukdom |
Infektionsprocess
Infektionsprocessen är komplicerad. Den invasiva bakterien måste övervinna många barriärer för att infektera sin värd, inklusive miljöbarriärer, fysiska barriärer och immunsystembarriärer . Bakterien måste komma in i värdens kropp och, när det gäller Yersinia sp. , invadera värdens tarmslemhinna . Sedan måste Trimeric Autotransporter Adhesin vidhäfta till lagret av celler som finns på den inre ytan, epitelcellerna, i tarmen genom att använda dess huvud för att binda till proteiner som finns i den extracellulära matrisen såsom kollagen , laminin och fibronektin . Det är viktigt att dessa yttermembranadhesiner får fysisk kontakt med de receptorer som finns på värdcellen. Detta innebär att adhesinet måste vara tillräckligt långt för att sträcka sig bortom lipopolysackaridskiktet i bakteriens yttre membran och interagera med värdcellens glykanskikt . När den väl har gjort det kan den binda till värdcellens ECM. TAA är en typ av mikrobiella ytkomponenter som känner igen en självhäftande matrixmolekyl ( MSCRAMM ) . Med andra ord är de ett komplex som underlättar vidhäftningen till ECM.
Typ V-sekretionssystem (T5SS)
Ett schematiskt diagram som illustrerar Trimeric Autotransporter Adhesins i typ V- sekretionssystem .
Sekretion är en metod för att överföra ämnen över bakteriens yttre membran . Gramnegativa bakterier har mycket olika cellväggsstrukturer jämfört med grampositiva bakterier. Gramnegativa bakterier har tre lager: Det innersta lagret kallas det inre membranet ; det mellersta lagret, som kallas det periplasmatiska utrymmet , är ett utrymme som innehåller ett tunt lager av peptidoglykan ; och det tredje lagret heter det yttre membranet , som innehåller lipopolysackarider .
Hos gramnegativa bakterier är sekretärsvägen mycket annorlunda än den för eukaryoter eller grampositiva bakterier, främst på grund av skillnaden i cellväggsstruktur. Trimeric Autotransporter Adhesins använder en speciell sekretionsväg, benämnd typ V-sekretionssystem (T5SS). Gramnegativa bakterier måste utsöndra adhesiner , eftersom de har ett yttre membran som gör det svårt för dem att fastna på och infektera värden. Det yttre membranet är användbart, eftersom det tillåter bakterierna att kolonisera, och lägger till ytterligare ett lager av skydd. Det yttre membranet är dock en barriär för utsöndring av proteiner, och det kräver energi för att transportera proteiner över det yttre membranet. Därför övervinner T5SS-vägen detta problem.
T5SS använder Sec-machinery-systemet för att fungera. Enzymet Sec translokas visar sig finnas på det inre membranet . Sådana Sec-beroende system behöver inte använda energi, till skillnad från Sec-oberoende maskiner , som använder andra former av energi som adenosintrifosfat (ATP) eller en protongradient . Eftersom den kan transportera saker över det yttre membranet utan att behöva generera en ny form av energi, fick den namnet autotransporter , eftersom den transporterar proteiner autonomt , med andra ord av sig själv.
Det Sec-beroende systemet är uppdelat i tre vägar. TAA är en av dessa vägar och går också under namnet typen Vc-sekretionsväg . Mekanismen är uppdelad i två. Först måste proteinet röra sig över det inre membranet eller, med andra ord, translokera, på ett Sec-beroende sätt via periplasman . Signalpeptiden på N-terminalen fungerar som en tillfällig tjuder för att hålla den på plats. Därefter måste den flyttas till det yttre membranet. Trimeriseringen underlättar translokation, och ingen translokation skulle ske utan dess beta-barrel-membranankare. Typ V-sekretionssystemet beskrivs som icke-fimbriöst, vilket innebär att bakteriecellerna inte använder långa fysiska bihang som kallas pili för att fästa till varandra.
Undviker värdens immunförsvar
TAA kan hjälpa till att förhindra att bakterierna förstörs av värdens immunsystem. I synnerhet när det gäller vissa Yersinia spp. , TAA YadA har en roll i autoagglutination , serumresistens , komplementinaktivering och fagocytosresistens . Alla dessa metoder förhindrar att bakterierna elimineras av värden och säkerställer dess överlevnad.
