- Ultraštruktúra bičíka a pohyblivosť
- Štruktúra bičíkov
- Rast bičíkových vlákien v baktériách
- Flagellin ako aktivátor imunitného systému
- Bičík a rastliny
- Flagellin ako adjuvans
- Iné použitia bičíka
- Referencie
Flagelin je proteín vlákna, čo je štruktúra, ktorá je súčasťou bičíkov baktérií. Prevažná väčšina baktérií má iba jeden typ bičíka. Niektoré však majú viac ako dve.
Molekulová veľkosť tohto proteínu sa pohybuje medzi 30 kDa a 60 kDa. Napríklad v Enterobacteriaceae je jeho molekulárna veľkosť veľká, zatiaľ čo v niektorých sladkovodných baktériách je malá.
Zdroj: Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College
Flagellin je faktor virulencie, ktorý umožňuje adhéziu a inváziu hostiteľských buniek. Okrem toho je to silný aktivátor mnohých typov buniek zapojených do vrodenej a adaptívnej imunitnej reakcie.
Ultraštruktúra bičíka a pohyblivosť
Bičík je ukotvený na povrchu bunky. Skladá sa z troch častí: 1) vlákno, ktoré sa rozprestiera z povrchu bunky a je tuhou dutou valcovitou štruktúrou; 2) základné teleso, ktoré je zaliate do bunkovej steny a membránových vrstiev a tvorí niekoľko krúžkov; a 3) háčik, krátka zakrivená štruktúra, ktorá spája základné teleso s vláknom.
Bazálne telo je najzložitejšou časťou bičíka. V gramnegatívnych baktériách má štyri krúžky spojené s centrálnym stĺpcom. V grame pozitívne má dva krúžky. Rotačný pohyb bičíka sa vyskytuje v bazálnom tele.
Poloha bičíkov na povrchu baktérií sa medzi organizmami veľmi líši a môže byť: 1) monoterná, iba s jedným bičíkom; 2) polárne, s dvoma alebo viacerými; alebo 3) peritrichózne, s mnohými bočnými bičínami. Existujú tiež endoflagely, ako v spirochétach, ktoré sa nachádzajú v periplazmatickom priestore.
Helicobacter pylori je veľmi mobilný, pretože má šesť až osem unipolárnych bičíkov. PH gradient hlienu umožňuje H. pylori orientovať sa a usadiť sa v oblasti susediacej s epitelovými bunkami. Pseudomonas má polárne bičík, ktorý vykazuje chemotaxiu z cukrov a je spojený s virulenciou.
Štruktúra bičíkov
Pozoruhodným rysom proteínovej sekvencie flagellínu je to, že jej N-terminálne a C-terminálne oblasti sú vysoko konzervované, zatiaľ čo stredná oblasť je vysoko variabilná medzi druhmi a poddruhmi toho istého rodu. Táto hypervariabilita je zodpovedná za stovky sérotypov Salmonella spp.
Molekuly flagelínu interagujú navzájom prostredníctvom koncových oblastí a polymerizujú za vzniku vlákna. Pritom sú koncové oblasti umiestnené smerom dovnútra valcovej štruktúry vlákna, zatiaľ čo stredná je odkrytá smerom von.
Na rozdiel od tubulínových vlákien, ktoré depolymerizujú v neprítomnosti solí, sú vlákna z baktérií vo vode veľmi stabilné. Asi 20 000 podjednotiek tubulínu tvorí vlákno.
Vo vlákne H. pylori a Pseudomonas aeruginosa sú polymerizované dva typy bičíkov: FlaA a FlaB, kódované génom fliC. FlaAs sú heterogénne a sú rozdelené do niekoľkých podskupín, pričom molekulové hmotnosti sa pohybujú medzi 45 a 52 kDa. FlaB je homogénny s molekulovou hmotnosťou 53 kDa.
Lyzínové zvyšky bičíkov sú často metylované. Okrem toho existujú ďalšie modifikácie, ako je glykozylácia FlaA a fosforylácia tyrozínových zvyškov FlaB, ktorých funkciami sú virulencia a exportný signál.
Rast bičíkových vlákien v baktériách
Bič baktérií sa dá experimentálne eliminovať a môže sa študovať jeho regenerácia. Podjednotky bičíkov sa transportujú cez vnútornú oblasť tejto štruktúry. Keď dosiahnu extrém, podjednotky sa pridávajú spontánne pomocou proteínu ("cap proteín") nazývaného HAP2 alebo FliD.
Syntéza vlákna sa uskutočňuje pomocou vlastného zariadenia; to znamená, že polymerizácia flagelínu nevyžaduje enzýmy alebo faktory.
Informácie pre zostavenie vlákna sa nachádzajú v samotnej podjednotke. Flagelínové podjednotky tak polymerizujú za vzniku jedenástich protofilamentov, ktoré tvoria kompletné.
Bičíková syntéza P. aeruginosa a Proteus mirabilis je inhibovaná antibiotikami, ako je erytromycín, klaritromycín a azitromycín.
Flagellin ako aktivátor imunitného systému
Prvé štúdie preukázali, že flagellín v subnanomolárnych koncentráciách od Salmonella je silným induktorom cytokínov v promonocytovej bunkovej línii.
Následne sa ukázalo, že indukcia prozápalovej reakcie zahrnuje interakciu medzi bičíkom a receptormi na povrchu buniek vrodeného imunitného systému.
Povrchové receptory, ktoré interagujú s bičíkom, sú typu Toll-5 (TLR5). Štúdie s rekombinantným flagellínom následne ukázali, že keď chýbala hypervariabilná oblasť, nemohla vyvolať imunitnú odpoveď.
TLR5 sú prítomné v bunkách imunitného systému, ako sú napríklad lymfocyty, neutrofily, monocyty, makrofágy, dendritické bunky, epitelové bunky a lymfatické uzliny. V čreve TLR5 reguluje zloženie mikrobioty.
Gramnegatívne baktérie typicky používajú sekrečný systém typu III na translokáciu flagelínu do cytoplazmy hostiteľskej bunky, čím sa spúšťa celý rad intracelulárnych udalostí. Flagelín v intracelulárnom prostredí je teda rozpoznávaný proteínmi rodiny NAIP (proteín inhibítora apoptózy / rodina NLR).
Následne komplex flagelín-NAIP5 / 6 interaguje s receptorom podobným NOD, ktorý generuje odpoveď hostiteľa na infekciu a poškodenie.
Bičík a rastliny
Rastliny rozpoznávajú tento proteín prostredníctvom cesty senzibilizujúcej bičíky 2 (FLS2). Posledne menovaná je receptorová kináza bohatá na leucín a je homológna s TLR5. FLS “interaguje s N-terminálnou oblasťou flagelínu.
Viazanie flagelínu na FLS2 vedie k fosforylácii MAP kinázovej dráhy, ktorá kulminuje syntézou proteínov, ktoré sprostredkujú ochranu proti infekcii hubami a baktériami.
V niektorých rastlinách nočnej rastliny sa bičík môže viazať aj na receptor FLS3. Týmto spôsobom sa chránia pred patogénmi, ktoré sa vyhýbajú obrane sprostredkovanej FLS2.
Flagellin ako adjuvans
Adjuvans je materiál, ktorý zvyšuje bunkovú alebo humorálnu odpoveď na antigén. Pretože veľa vakcín spôsobuje slabú imunitnú odpoveď, sú potrebné dobré adjuvans.
Početné štúdie preukázali účinnosť flagelínu ako adjuvans. Tieto výskumy spočívali v použití rekombinantného flagelínu vo vakcínach, hodnotených pomocou zvieracích modelov. Tento proteín však ešte musí prejsť fázou I klinických skúšok.
Medzi študované rekombinantné bičíky patrí: flagelín - epitop 1 hematoglutinínu vírusu chrípky; flagellínový epitop Schistosoma mansoni; flagellin - tepelne stabilný toxín z E. coli; flagellin - plazmový povrchový proteín 1; a proteín obaľujúci flagelín vírusu Nílu, okrem iných rekombinantov.
Použitie flagelínu ako adjuvans vo vakcínach na humánne použitie má určité výhody. Tieto výhody sú nasledujúce:
1) Je účinný pri veľmi nízkych dávkach.
2) Stimulujú IgE reakciu.
3) Sekvencia iného adjuvans, Ag, môže byť vložená do bičíkovej sekvencie bez ovplyvnenia bičíkovej signálnej dráhy cez TLR5.
Iné použitia bičíka
Pretože flagelínové gény vykazujú veľké variácie, môžu sa použiť na špecifické detekcie alebo na identifikáciu druhov alebo kmeňov.
Napríklad kombinácia PCR / RFLP sa použila na štúdium distribúcie a polymorfizmu bičíkových génov v izolátoch E. coli zo Severnej Ameriky.
Referencie
- Hajam, IA, Dar, PA, Shahnawaz, I., Jaume, JC, Lee, JH 2017. Bakteriálny bičík - silný imunomodulačný prostriedok. Experimental and Molecular Medicine, 49, e373.
- Kawamura-Sato, K., Inuma, Y., Hasegawa, T., Horii, T., Yamashino, T., Ohta, M. 2000. Vplyv subinhibičných koncentrácií makrolidov na expresiu bičíka v Pseudomonas aeruginosa a Proteus mirabilis. Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 44: 2869 - 2872.
- Mizel, SB, Bates, JT 2010. Flagellin ako adjuvans: bunkové mechanizmy a potenciál. Journal of Immunology, 185, 5677-5682.
- Prescott, LM, Harley, JP, Klain, SD 2002. Microbiology. Mc Graw-Hill, New York.
- Schaechter, M. 2009. Stolná encyklopédia mikrobiológie. Academic Press, San Diego.
- Winstanley, C., Morgan, AW 1997. Gén bakteriálneho bičíka ako biomarker pre detekciu, populačnú genetiku a epidemiologickú analýzu. Microbiology, 143, 3071-3084.