タイプII分泌システム

タイプ2分泌システム（ II型分泌システムまたは頭文字のT2SSと呼ばれることが多い）は、緑膿菌やコレラ菌などの多くのヒト病原体を含むグラム陰性細菌の様々な種に見られるタンパク質分泌装置の一種です。^[1]タイプII分泌システムは、タイプI、タイプIII、タイプIV分泌システム、シャペロン/アッシャー経路、オートトランスポーター経路/タイプV分泌システム、タイプVI分泌システム（一部の細菌はタイプVII分泌システムも利用します）とともに、グラム陰性細菌によく見られる6つのタンパク質分泌システムの1つです。^[2]これらの他のシステムと同様に、タイプII分泌システムは、グラム陰性細菌の細胞膜を構成する脂質二重層を越えた細胞質タンパク質の輸送を可能にします。細胞外への タンパク質やエフェクター分子の分泌は、他の細胞へのシグナル伝達や宿主細胞への侵入や寄生において重要な役割を果たします。

タイプ II 分泌システムは、グラム陰性細菌に見られる膜結合タンパク質複合体であり、細菌の細胞質にあるタンパク質を細胞外の細胞外空間に分泌するために使用されます。タイプ II 分泌システムは、グラム陰性細菌に見られる多くの分泌システムの 1 つにすぎず、細菌毒素やプロテアーゼやリパーゼなどの分解酵素を含むさまざまなタンパク質を分泌するために使用されます。これらの分泌タンパク質は一般に宿主組織の分解に関連しているため、特定の細菌感染に関連する症状を引き起こす上で重要なことがよくあります。^[3]各細菌細胞には、細胞の 内膜と外膜に埋め込まれたいくつかのタイプ II 分泌複合体が含まれている可能性があります。

シャペロン/アッシャー経路やIV型分泌システムなどの他の分泌システムと同様に、II型分泌は2段階のプロセスです。最初のステップでは、SecおよびTat分泌経路が関与し、タンパク質を内膜を越えてペリプラズムに輸送します。^[4]たとえば、Sec経路はII型分泌システムの構造成分をペリプラズムに輸送し、そこで組み立てるために使用され、Sec経路とTat経路の両方が分泌タンパク質をペリプラズムに輸送するために使用されます。これらの分泌タンパク質がペリプラズムに配置されると、2番目のステップが実行され、外膜を越えて細胞外環境に分泌されます。

全体的に見て、II 型分泌システムは、一般分泌タンパク質 (GSP) として知られる多数の異なるタンパク質サブユニットから構成される、大規模な多タンパク質機構です。 ^[5]これらの GSP をコードする遺伝子は、通常、ゲノム内の単一のオペロンに一緒に存在し、これらの遺伝子の多くは重複しています。各遺伝子は、コードする GSP に対応する文字で命名され (たとえば、gspD 遺伝子は GspD をコードします)、研究によると、これらの遺伝子のうち 12 ～ 15 個が II 型分泌システムの機能に不可欠です。^[6] GSP は、さまざまな細菌種に共通しており、一緒になるときに、グラム陰性細菌にもよく見られる付属物であるIV 型線毛と構造的に非常によく似た複合体を形成します。 ^{[7]全体的に見て、II 型分泌システムは、外膜複合体、内膜複合体、分泌}ATPase、および擬似線毛 の 4 つの主要構成要素に分けられます。

外膜複合体は主にセクレチン GspD で構成されています。^[8]セクレチンは膜に存在するβ バレルで、細胞内外の物質の移動を可能にするチャネルを形成します。 ^[9] II 型分泌システムでは、GspD は細菌細胞の外膜に孔を作り、そこからタンパク質を分泌することができます。その結果、GspD は正しい機能システムに不可欠です。なぜなら、GspD がなければ分泌タンパク質は細胞から出られないからです。GspD は Sec トランスロコンを介してペリプラズムに輸送され、その後外膜に挿入されます。ただし、この挿入は自発的ではなく、多くの場合、膜に挿入される前に β バレル タンパク質が正しく折り畳まれることを保証する β バレル アセンブリ機構に依存しています。^[10]

GspDはリポタンパク質GspSと結合していることが多い。GspSはSec転座機構によってペリプラズムに輸送され、その時点で外膜の内層に挿入され、GspDと密接に結合したままになる。GspSはセクレチンGspDの安定化に重要な役割を果たし、高度に分解性のペリプラズム酵素の存在下での分解を防ぐのに役立つと考えられている。[ ^8]

内膜複合体は、内膜に埋め込まれたいくつかの異なるGspタンパク質で構成されています。外膜セクレチンGspDと同様に、これらのタンパク質はSec転座経路を介してペリプラズムに輸送され、その後内膜に挿入されます。内膜複合体は、GspC、GspF、GspL、GspMの4つの異なるタンパク質で構成されています。^[5]

これらのサブユニットはそれぞれ少しずつ異なる役割を果たします。たとえば、GspC は GspD と相互作用することが示されています。この相互作用はタイプ II 分泌システムのゲートを開閉するのに役立ち、このゲートが開いている場合にのみ分泌タンパク質がシステムに入り、細胞から排出されます。重要なのは、GspC、GspL、GspM が一緒に結合すると、それらを分解するタンパク質分解酵素から互いを保護するのに役立つことです。内膜複合体を構成する他のタンパク質とは異なり、GspF は複数回膜貫通タンパク質であり、分泌 ATPase との結合に役割を果たしている可能性があります。ただし、GspL は分泌 ATPase と緊密な相互作用を形成することが知られており、これは分泌 ATPase を内膜複合体の残りの部分と密接に結合させるために必要です。^[11]

分泌ATPase GspEは、内膜の細胞質側にある内膜複合体と密接に関連しているATPaseです。^[12] GspEは、II型/IV型分泌ATPaseファミリーに属します。このファミリーに属するATPaseは、明確な六量体構造を持っています。六量体の各サブユニットには、3つの主要なドメインがあります。これらは、短いリンカー領域とCTDと呼ばれる単一のC末端ドメインによって区切られた、N1DとN2Dと呼ばれる2つの別々のN末端ドメインです。CTDは、3つのサブドメインで構成されており、そのうちの1つがヌクレオチド結合ドメインです。六量体の6つのサブユニットのそれぞれに存在するこのヌクレオチド結合ドメインが、ATPの結合を担っています。CTDを構成する他の2つのドメイン、4つのらせんドメインと金属結合ドメインは、結合したATPの加水分解を触媒するのに役立ちます。^[12]このATP加水分解は、擬似ピルスの組み立てと分解に使用され、これがII型分泌システムによる分泌を促進します。その結果、このシステムはGspEなしでは機能できません。N末端ドメインN1DとN2Dは内膜複合体との相互作用を形成し、分泌ATPaseをII型分泌システムの他の部分と密接に関連させておくのに役立ちます。N2Dドメインは完全には理解されていませんが、観察によると、内膜複合体サブユニットGspLとの緊密な相互作用を形成するのはN1Dであることが示されています。

擬似ピルスは細胞周縁部に存在しますが、セクレチン GspD を通って細胞外環境に伸びることはありません。擬似ピルスという名前は、GspG、GspH、GspI、GspJ、GspK として知られる多数のピリン様タンパク質または擬似ピリンで構成されていることに由来しています。 ^[3]これらは、グラム陰性細菌に見られる IV 型ピルを構成するピリン (PilA など) に類似しているため、擬似ピリンと呼ばれています。それらの類似物と同様に、擬似ピリンは最初は未熟な形で生成されます。これらのプレ擬似ピリンは、タンパク質を Sec トランスロコンに誘導する N 末端シグナル配列と、実際の擬似ピリンタンパク質自体をコードする長い C 末端パッセンジャードメインで構成されています。 Sec機構がプレ擬似ピリンを内膜を越えて輸送すると、タンパク質自体がペリプラズムに放出される前に、N末端シグナル配列が正に帯電したアミノ酸残基の保存された部分で切断される。この切断はシグナルペプチダーゼGspOによって触媒され、最終結果としてN末端シグナル配列が除去され、成熟した擬似ピリンが形成される。^[5] GspOは内膜に挿入され、II型分泌システム機構と密接に関連していることが多い。成熟したピリンと擬似ピリンはロリポップ型の構造をしており、長い疎水性尾部と球状の親水性ヘッドドメインで構成されている。成熟状態でペリプラズムに入ると、擬似ピリンは疎水性尾部を介して内膜の外葉に挿入されることが多い。

擬似ピルスに含まれる主な擬似ピリンは GspG です。擬似ピルスは、個々の擬似ピリン サブユニットが重合して形成されます。この反応では、異なる擬似ピリンの疎水性テールが互いに噛み合い、球状の親水性ヘッドが露出します。これらの長い疎水性テールは、強い疎水性相互作用によりこのように凝集することができ、その結果、擬似ピルスは着実に成長します。これらの擬似ピルス サブユニットの組み立てと分解は、分泌 ATPase GspE によって行われます。擬似ピルスのこの絶え間ない伸縮により、擬似ピルスはピストンのように機能し、外膜セクレチンから分泌タンパク質を押し出すと考えられています。擬似ピルスが収縮すると、新しい分泌タンパク質がシステムに入ることができ、このプロセスが繰り返されます。この擬似ピルスの動きは、けいれん運動を可能にすることで知られる IV 型ピルスの動きに似ています。^[13]

タイプ II 分泌システムによるタンパク質の分泌は非常に特殊な方法で行われ、細菌のさまざまな種間でほぼ均一です。このメカニズムはいくつかのステップに分けられます。

1. 分泌されるタンパク質である細胞外タンパク質は、まず Sec 転座機構を介して内膜を通過して細胞周縁部に輸送されます。これらの細胞外タンパク質は、II 型分泌システムが活性化されるまで、細胞周縁部分泌部内に存在します。
2. プレ擬似ピリンも、Sec 転座機構を介して細胞質からペリプラズムに輸送されます。ペリプラズムに入ると、プレピリン ペプチダーゼ GspO によって切断され、成熟擬似ピリンに変換されます。成熟擬似ピリンはその後、内膜に挿入され、擬似ピルス アセンブリが発生するまでそこに存在します。
3. 分泌 ATPase GspE は ATP に結合して加水分解し、生成されたエネルギーは擬似ピルスの形成に使用されます。GspE は細胞質にありますが、GspL と GspF の両方との相互作用を介して内膜複合体と関連したままです。
4. 活性化されると、すでにペリプラズムに輸送されていた細胞外タンパク質が分泌機構に入ることができます。これらの細胞外タンパク質がどのように選択されるかは完全には解明されていませんが、GspC と GspD の相互作用が重要な役割を果たしていると考えられています。
5. 擬似ピルスの組み立てにより、細胞外タンパク質がセクレチン GspD を通して細胞外環境に押し出されます。このセクレチンは外膜に親水性チャネルを形成し、タンパク質が細胞外に排出されるようになります。
6. 細胞外に排出されると、分泌された細胞外タンパク質は意図された効果を発揮します。これらのタンパク質の一部はシグナル伝達に関与し、他のタンパク質は感染を促進する毒性因子として作用します。

クオラムセンシングは、II型分泌システムの活性化と細胞外タンパク質の放出開始を制御する上で重要な役割を果たしていると考えられています。 ^[6]具体的には、クオラムセンシングはこれらの細胞外タンパク質をコードする遺伝子の転写を調節し、他の類似細菌が近くにあり、環境条件が生存と感染につながる場合にのみこれらのタンパク質が生成されるようにするのに役立ちます。