Los sistemas de secreción bacterianos son complejos de proteínas ubicados en la membrana celular bacteriana y se utilizan para secretar diversas proteínas . En particular, son utilizados por bacterias patógenas para aislar factores de virulencia . Según la composición, estructura y acción del sistema de secreción, se dividen en varios tipos. Las diferencias más fundamentales se observan entre los sistemas de secreción de bacterias Gram-positivas y Gram -negativas . Existen al menos seis tipos de sistemas de secreción específicos de las bacterias Gram-negativas, cuatro tipos de sistemas de secreción son exclusivos de las bacterias Gram-positivas y se encuentran dos tipos de sistemas de secreción en ambos grupos de bacterias [1] .
Los sistemas de secreción de los tipos Sec y Tat se encuentran en bacterias Gram-positivas y Gram-negativas, así como en arqueas y eucariotas . Aunque los sistemas Sec y Tat tienen algunos componentes comunes, la forma en que funcionan es fundamentalmente diferente. Ambos sistemas están diseñados para ser secretados a través de la membrana celular. En las bacterias Gram-negativas, las proteínas entregadas por los sistemas Sec o Tat a la membrana celular o al espacio periplásmico (periplasma) pueden ser liberadas de la célula por otros sistemas de secreción [1] .
Las proteínas predominantemente desplegadas se transportan a través del sistema Sec . Las proteínas transportadoras específicas se unen en el citoplasma a proteínas diana que tienen una señal de secreción adecuada en el extremo N-terminal . Consta de 20 residuos de aminoácidos y contiene tres regiones: un extremo N con carga positiva, una región central hidrofóbica y un extremo C polar . Las proteínas transportadoras entregan objetivos a las proteínas motoras , que expulsan las proteínas secretadas a través del canal SecYEG. Algunas bacterias grampositivas tienen proteínas adicionales del sistema Sec. El sistema Sec se utiliza para aislar factores de virulencia de bacterias patógenas gramnegativas como Vibrio cholerae , Klebsiella pneumoniae y Yersinia enterocolitica . Ejemplos de bacterias Gram-positivas que usan el sistema Sec para aislar factores de virulencia son Staphylococcus aureus y Listeria monocytogenes . Las proteínas destinadas a liberarse en el periplasma o en el entorno extracelular son secretadas por el sistema SecB. Las proteínas destinadas a la membrana interna son secretadas por el sistema SRP. Los sistemas de subtipos SecB y SRP reconocen diferentes secuencias de señales [1] .
SecBLas proteínas diana del sistema SecB tienen una secuencia señal que es reconocida por la proteína SecB que flota en el citoplasma. Funciona como chaperona , impidiendo el plegamiento de las proteínas diana. SecB entrega proteínas diana a la proteína SecA, que las empuja a través del canal SecYEG, utilizando la energía de la hidrólisis de ATP , que a su vez cataliza . Las proteínas que deben ser liberadas al ambiente externo son excretadas por sistemas de tipo II o V [1] .
PRSLos sistemas SRP entregan proteínas diana a la membrana celular. Las proteínas transmembrana , que son los objetivos del sistema SRP, tienen regiones hidrofóbicas y, por lo tanto, son inestables en el citoplasma. Por lo tanto, en la vía SRP, la secreción de proteínas se produce de manera cotraduccional: la región sintetizada de la cadena polipeptídica se empuja hacia el canal SecYEG, mientras que el ribosoma traduce el resto de la proteína. Este mecanismo requiere partículas de reconocimiento de señal ( partícula de reconocimiento de señal, SRP ) . Los SRP se unen a la región transmembrana de la proteína tan pronto como sale del ribosoma. Luego, el SRP interactúa con la proteína FtsY, que entrega el complejo de ARNm , ribosoma y polipéptido parcialmente sintetizado al canal SecYEG. Además, la secreción gradual de la proteína y la traducción de su parte restante proceden simultáneamente y, finalmente, la proteína se ancla en la membrana celular con su dominio transmembrana [1] .
A diferencia de la vía Sec, la vía Tat secreta predominantemente proteínas plegadas. Por regla general, se trata de proteínas que requieren modificaciones postraduccionales específicas para su funcionamiento , que solo pueden obtenerse en el citosol . El sistema Tat incluye tres proteínas: TatA, TatB y TatC, con las dos primeras en bacterias Gram-positivas combinadas en una sola proteína. En Escherichia coli , el péptido señal de las proteínas destinadas a la secreción es reconocido por las proteínas TatB y TatC, y TatA forma un canal de membrana . El péptido señal reconocido por las proteínas Tat está representado por la secuencia serina - arginina -arginina en el extremo N-terminal de la proteína. En bacterias grampositivas, el sistema Tat asegura la liberación de proteínas al medio extracelular, mientras que en bacterias gramnegativas, las proteínas que han pasado a través de Tat permanecen en el espacio periplásmico o salen de la célula a través de sistemas de secreción de tipo II. El sistema Tat es necesario para la virulencia completa en algunas bacterias patógenas, incluidas Pseudomonas aeruginosa , Yersinia pseudotuberculosis y E. coli O157:H7 . En varios patógenos, como P. aeruginosa , Legionella pneumophila y Mycobacterium tuberculosis , la fosfolipasa C se secreta a través del sistema Tat , que degrada los fosfolípidos y participa en la supresión de la actividad del sistema inmunitario [1] .
Algunas bacterias Gram negativas patógenas tienen sistemas de secreción especializados que transportan factores de virulencia al exterior y, en ocasiones, a otras células eucariotas o procariotas . Muchas proteínas que se transportan a través de la membrana externa de las bacterias Gram-negativas ingresaron al periplasma a través de las vías Sec o Tat. Algunos sistemas de secreción están representados por un solo canal que pasa a través de dos membranas y el espacio periplásmico [1] .
El sistema de secreción tipo I implica la transferencia de una proteína en un solo paso desde el citosol al entorno extracelular a través de un canal que pasa a través de las membranas y el periplasma. Los canales de los sistemas de tipo I están muy cerca de los transportadores ABC , que eliminan varias moléculas pequeñas de las células , como antibióticos y toxinas . Algunas bacterias tienen simultáneamente varios sistemas de tipo I, cada uno de los cuales se dedica a la secreción de una o más proteínas. Las proteínas secretadas por los sistemas de tipo I son muy diversas: entre ellas se encuentran enzimas degradantes como proteasas y lipasas , moléculas de adhesión , proteínas de unión a hemo . En la mayoría de los casos, las proteínas diana tienen un péptido señal C-terminal que no se elimina tras la secreción [1] .
En un caso típico, el sistema de secreción tipo I se organiza de la siguiente manera. El transportador ABC se encuentra en la membrana celular, dividiendo ATP y extrayendo energía para la transferencia de proteínas. Interactúa con la proteína MPF, que atraviesa el periplasma e interactúa con la proteína OMF en la membrana externa. El extremo N del MPF cuelga hacia el citosol y se cree que está involucrado en el reconocimiento de señales. El OMF forma un poro en la membrana externa a través del cual pasa la proteína [1] .
Los sistemas de secreción de tipo I son esenciales para la virulencia de varias bacterias patógenas, como Vibrio cholerae y Serratia marcescens . Además, a través de este sistema, E. coli elimina la colicina V, y sus cepas uropatógenas, utilizando el sistema tipo I, eliminan la hemolisina, que destruye las membranas de las células eucariotas [1] .
Los sistemas de secreción tipo II están involucrados en el transporte de proteínas desde el periplasma hacia el medio externo. Los sistemas Sec o Tat deben entregar preliminarmente las proteínas diana al periplasma, y también deben transportar los péptidos señal N-terminales para ser eliminados, que son reconocidos por los sistemas Sec y Tat. Sin embargo, las proteínas diana deben plegarse en el periplasma antes de ser eliminadas a través de los sistemas de tipo II. Los sistemas de tipo II eliminan proteínas con diferentes funciones de la célula, pero la mayoría de ellas son enzimas: proteasas, lipasas, fosfatasas , enzimas que actúan sobre los carbohidratos . El sistema de secreción tipo II está formado por 15 proteínas. El complejo en la membrana externa forma la proteína multimérica secretina. Su terminal N largo interactúa con otras proteínas del sistema localizadas en la membrana celular. En la membrana celular, el sistema de secreción tipo II está representado por una plataforma de al menos 4 proteínas. El citoplasma contiene ATPasa, que suministra energía al sistema. Se cree que las proteínas de sustrato son empujadas a través del complejo de secretina por una estructura de proteína especial: un pseudopilo, que está cerca de los pili de tipo IVV. cholerae libera la toxina del cólera a través del sistemade secreción de tipo II y P. aeruginosa libera la endotoxina A. Varios patógenos liberan proteínas a través del sistema de secreción de tipo II que les ayudan a adaptarse a su entorno. Dichos patógenos incluyen L. pneumophila , cepas enterotoxigénicas y enterohemorrágicas de E. coli (ETEC y EHEC), K. pneumoniae , Aeromonas hydrophila y Dickeya dadantii [1] .
Los sistemas de secreción de tipo III se han estudiado con gran detalle [2] . Proporcionan la secreción de diversas proteínas a través de las membranas y el periplasma. En la mayoría de los casos, los sistemas de secreción de tipo III entregan sustratos directamente a la célula eucariota, es decir, transportan proteínas a través de tres membranas a la vez. Los sustratos de los sistemas de tipo III se denominan proteínas efectoras. Algunos patógenos, como Pseudomonas y Yersinia , secretan solo unas pocas proteínas efectoras y Shigella , varias docenas. Las proteínas sustrato tienen un péptido señal N-terminal que no se puede eliminar. Muchas proteínas efectoras interactúan con las chaperonas antes de la secreción y se secretan desplegadas con el gasto de energía ATP [1] .
El sistema de secreción tipo III incluye 9 proteínas centrales, y ocho de ellas están relacionadas con la flagelina , que compone el flagelo bacteriano . Además de las 9 proteínas centrales, el sistema Tipo III contiene de 10 a 20 proteínas adicionales, algunas de las cuales son críticas para el funcionamiento del sistema. Las proteínas de los sistemas de tipo III están codificadas por varios operones ubicados en plásmidos o en islas de patogenicidad en el cromosoma bacteriano . Los sistemas de tipo III se transfieren entre bacterias a través de la transferencia horizontal de genes y, por lo tanto, a menudo se encuentran en especies no relacionadas [1] .
Estructuralmente, en el sistema tipo III, se puede distinguir el complejo basal, el componente acicular y el translocón. El complejo basal atraviesa la membrana celular, el espacio periplásmico y la membrana externa, formando una estructura en forma de roseta. Muy a menudo, al menos 15 proteínas forman el complejo basal. Un filamento en forma de varilla, llamado aguja, emerge del zócalo. La aguja mira hacia el espacio extracelular, es hueca por dentro y tiene un diámetro suficiente para que la proteína desplegada pueda pasar a través de ella. Al final de la aguja hay un complejo especial que determina la proximidad de la célula eucariota y regula la secreción de proteínas efectoras. El mismo complejo es responsable de la inserción del translocón en la membrana de la célula eucariota. El translocón contiene un poro a través del cual la proteína bacteriana ingresa a la célula eucariota [1] .
Los sistemas de tipo III son utilizados por muchos patógenos como Yersinia , Salmonella y Shigella [1] . Mediante sistemas de secreción de este tipo se secretan los componentes del flagelo. La relación entre la flagelina y las proteínas del sistema tipo III indica un origen común [3] [4] .
Evolutivamente , los sistemas de secreción de tipo IV están cerca del aparato proteico de conjugación y secretan tanto moléculas proteicas individuales como complejos proteicos y complejos de proteínas y ADN . Las proteínas de sustrato se secretan directamente en otra célula: bacteriana (de la misma especie o de otra especie) o eucariota. Dado que los sistemas de tipo IV pueden transferir complejos de proteína-ADN, pueden participar en la transferencia de ADN durante la conjugación, el aislamiento o la captación de ADN y el suministro de proteínas efectoras o complejos de proteína-ADN directamente a la célula receptora. Usando un sistema de tipo IV, Agrobacterium tumefaciens entrega T-DNA oncogénico a las células vegetales ; este sistema se llama VirB/D. Las proteínas VirB6-10 forman un canal que atraviesa la célula y las membranas externas, mientras que VirB4, VirB11 y VirD4 se ubican en la membrana celular y, al ser ATPasas , suministran energía para el transporte. El pili extracelular está formado por las proteínas VirB2 y VirB5. Se cree que VirD4 desempeña el papel de una "puerta de enlace" y evita que las proteínas no diana entren en el canal. El papel de la sierra tampoco está claro. Según una hipótesis, está destinado únicamente a la comunicación con la célula receptora, según otra, desempeña un papel directo en la transferencia de la proteína a la célula receptora [1] .
Los sistemas de tipo IV son utilizados por una variedad de patógenos humanos: Neisseria gonorrhoeae , L. pneumophila , Brucella suis y Helicobacter pylori [1] .
Los componentes del sistema de secreción de tipo V son únicos porque ellos mismos se secretan sin la participación de canales de proteínas auxiliares. Tienen una estructura de barril β que penetra a través de la membrana externa. A través de ella sale el resto de la proteína u otras proteínas. Las proteínas del sistema de tipo V son enviadas al periplasma por el sistema Sec y, por lo tanto, transportan el péptido señal N-terminal correspondiente, que se elimina en el periplasma. La mayoría de los sustratos de los sistemas de tipo V son factores de virulencia. En N. gonorrhoeae , se transporta una proteasa que degrada los anticuerpos ; Shigella flexneri tiene una proteína que juega el papel de una molécula de adhesión, y Y. enterocolitica tiene una proteína que promueve el sistema de secreción tipo III [1] .
Los sistemas de secreción tipo VI transportan proteínas principalmente a las células bacterianas, pero a veces también a las eucariotas. Estos sistemas pueden transferir proteínas de una bacteria a otra, lo que puede servir como medio para que las bacterias se comuniquen. Los sistemas de tipo VI son muy grandes y contienen hasta 21 proteínas, cuyos genes se ensamblan en un grupo completo. Trece de ellos son los más conservadores y aparentemente proporcionan la estructura del aparato de secreción. Curiosamente, los sistemas de tipo VI son estructuralmente homólogos a las colas de bacteriófagos , por lo que se ha sugerido que evolucionaron a partir de colas de fagos invertidas que expulsan proteínas hacia el exterior en lugar de inyectarlas en la célula. Probablemente, los sistemas de tipo VI también son utilizados por patógenos: en condiciones de laboratorio, se encontraron en P. aeruginosa , V. cholerae y S. marcescens patógenas , pero los detalles de su funcionamiento no están claros [1] .
Las bacterias grampositivas no tienen una membrana externa, pero tienen una capa mucho más gruesa de peptidoglicano que las bacterias gramnegativas . Además, algunas bacterias grampositivas, como Mycobacterium , tienen una pared celular rica en lípidos , por lo que incluso se le llama micomembrana . Por estas razones, los mecanismos de secreción de proteínas en las bacterias Gram-positivas difieren significativamente de los de las bacterias Gram-negativas. Sin embargo, las vías Sec y Tat están presentes tanto en bacterias grampositivas como gramnegativas [1] .
Muchas bacterias grampositivas tienen dos proteínas, SecA1 y SecA2, en lugar de una proteína SecA del sistema Sec. Dichas bacterias incluyen L. monocytogenes , Bacillus subtilis , Clostridium difficile , M. tuberculosis y Corynbacteria glutamicum . La proteína SecA1 está involucrada en el sistema Sec y es vital, mientras que SecA2 se necesita solo ocasionalmente y secreta proteínas asociadas con la respuesta al estrés, las modificaciones de la pared celular, la reparación y el metabolismo . En algunas bacterias, contribuye a la virulencia. Los sustratos de SecA2 son secretados por SecYEG, aunque no se puede descartar la posibilidad de interacción de SecA2 con otras proteínas de transporte. Algunos miembros de los géneros Streptococcus y Staphylococcus tienen un segundo sistema Sec llamado aSec o SecA2-SecY2. Estos sistemas no solo incluyen SecA2, sino también proteínas auxiliares: SecY2, que desempeña el papel de un canal, y al menos tres proteínas Sec más. Los sistemas aSec suelen secretar proteínas grandes ricamente glicosiladas asociadas a la pared celular [1] .
Las sortasas son enzimas que unen covalentemente las proteínas a la pared celular después de haber atravesado la membrana celular. Casi todas las bacterias Gram-positivas expresan muchas sortasas con diferentes especificidades. La unión de proteínas a la pared celular ocurre durante una reacción de transpeptidación catalizada por sortasas. Las proteínas diana de la sortasa son transportadas a través de la membrana por proteínas del sistema Sec [1] .
Los inyectosomas de las bacterias Gram-positivas son funcionalmente similares a los sistemas de secreción tipo III y IV de las bacterias Gram-negativas. Por ejemplo, Streptococcus pyogenes inyecta al menos un factor de virulencia, NAD + -glicohidrolasa , en el citoplasma de los queratinocitos precisamente por el mecanismo de estos sistemas. En una célula eucariota, la NAD glicohidrolasa rompe el enlace glucosídico en NAD + , lo que resulta en la formación de nicotinamida y ADP-ribosa , un segundo mensajero importante que puede interrumpir las vías de señalización celular . La formación de un poro en la membrana de una célula eucariota la lleva a cabo la proteína SLO, que es secretada previamente por el sistema Sec [1] .
Los sistemas de secreción tipo VII se encuentran en bacterias cuyas paredes celulares están muy enriquecidas en lípidos y se denominan micomembranas, como las especies de los géneros Mycobacterium y Corynebacterium . Los sistemas de tipo VII transportan proteínas a través de la membrana celular y la micomembrana. Se han identificado sistemas similares en varias bacterias sin micomembranas, como S. aureus , Bacillus anthracis y L. monocytogenes . Los primeros sistemas de tipo VII se encontraron en M. tuberculosis y se denominaron sistemas ESX. Los componentes centrales del sistema (EccB, EccC, EccD, EccE y MycP) son proteínas de membrana que interactúan con peptidoglicano y proteínas citosólicas como las chaperonas. EccA probablemente esté suministrando energía al sistema. Cuatro proteínas Ecc parecen formar un canal en la membrana celular. Los mecanismos de transporte de proteínas a través de la membrana aún se desconocen [1] .
La inmunidad innata de los mamíferos tiene varios mecanismos para reconocer los sistemas de secreción bacterianos y sus sustratos . Por ejemplo, la proximidad de los sistemas de secreción bacteriana puede establecerse por la presencia de sustancias de origen bacteriano en el citosol: peptidoglicano, flagelina, lipopolisacárido (LPS). Son reconocidos por receptores celulares que desencadenan respuestas inmunitarias. Por ejemplo, los receptores tipo Nod reconocen la flagelina y el LPS y desencadenan cascadas de señalización que eventualmente conducen a la producción de citocinas inflamatorias . El sistema inmunitario puede incluso controlar el proceso de translocación de proteínas bacterianas en la célula eucariota. Así, los macrófagos pueden atrapar el efecto de la proteína efectora YopE del sistema tipo III de Yersinia sobre Rho GTPasas y desencadenar una respuesta inmune. Las células inmunitarias pueden detectar la incorporación de proteínas bacterianas formadoras de poros en las membranas de las células huésped. Por ejemplo, cuando la proteína SLO de S. pyogenes se introduce en la membrana, se activa el receptor tipo Nod NLRP3 . Además, existe evidencia de que el sistema inmunitario es capaz de detectar componentes de los sistemas de secreción que sobresalen en la superficie de la célula bacteriana [1] .