四型分泌系統(tǒng) (type IV secretion system, T4SS) 是一種在革蘭氏陰性菌 、革蘭氏陽性菌和古細(xì)菌中均廣泛存在的多功能、多組分的跨膜通道結(jié)構(gòu),將DNA，蛋白質(zhì)或其他大分子遞送至靶細(xì)菌或真核細(xì)胞。與細(xì)菌中已發(fā)現(xiàn)的其它分泌系統(tǒng)不同，T4SS形成的管道既能通過蛋白質(zhì)又能通過DNA，因此T4SS能夠介導(dǎo)細(xì)菌接合轉(zhuǎn)移、DNA釋放和攝取以及效應(yīng)蛋白分泌等功能。
研究進(jìn)展與研究技術(shù)：
單顆粒冷凍電鏡（single particle CryoEM），原位冷凍電鏡（in situ CryoET）和熒光顯微鏡方法（ fluorescence microscopy approaches）。最近，T4SS的體系結(jié)構(gòu)和組裝路徑方面取得了很大的進(jìn)展。T4SS的結(jié)構(gòu)研究始于大約20年前，報(bào)道了一些高度保守的T4SS亞基的X射線（X-ray）結(jié)構(gòu)。在隨后的10年中，通過單粒子電子顯微鏡（single particle electron microscopy ）和晶體學(xué) (crystallography)解決了來自R388和pKM101質(zhì)粒接合系統(tǒng)的大的（?1兆道爾頓；MDa）組件結(jié)構(gòu)。然而，在過去的幾年中，電子顯微鏡的進(jìn)步使得能夠在細(xì)菌細(xì)胞膜的天然環(huán)境中可視化更大的子組件和完整的T4SS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這些方法與最先進(jìn)的熒光顯微鏡相結(jié)合，為完整細(xì)胞中T4SS組裝動力學(xué)和空間組織結(jié)構(gòu)提供了新的發(fā)現(xiàn)。
模型革蘭氏陰性細(xì)菌T4SSs結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系知識的進(jìn)展
根癌土壤桿菌（Agrobacterium tumefaciens?）VirB/VirD4 T4SS的“最小化”系統(tǒng)；幽門螺桿菌Cag（?Helicobacter pylori?Cag），嗜肺軍團(tuán)菌 (Legionella pneumophila) Dot/Icm代表的“擴(kuò)展”系統(tǒng)；F質(zhì)粒編碼的Tra T4SS系統(tǒng)（F plasmid-encoded Tra systems ）。
分類方法：
按初始的分類 方法(original classification scheme)，基于代表性質(zhì)粒分型，將編碼在 IncF質(zhì)粒 (即 F 質(zhì)粒)上者稱為 F 亞 型、將編碼在 IncP 質(zhì)粒(即 RP4 質(zhì)粒)上者稱為 P 亞 型，將編碼在IncI(即質(zhì)粒R64)上者稱為I亞型。
按選擇分類方法(alternative classification scheme)， 根據(jù) F、P 和 I 亞型之間同源性的高低和進(jìn)化關(guān)系的遠(yuǎn)近，T4SS 又可被分為 IVA 亞型（F型與P型，根瘤農(nóng)桿菌VirB/VirD4系統(tǒng)的原型類似 ）、IVB 亞型（I型，嗜肺軍團(tuán)菌的Dot/Icm系統(tǒng)的原型類似）和以 GI 亞型 (genome island, GI)為代表的三種亞型（IVA 亞型、IVB 亞型同源性很低或者沒有同源性 的所有其它的 T4SS，統(tǒng)稱為 GI 亞型），根據(jù)基因組島攜帶基因編碼蛋白質(zhì)的不同 可將其分為致病島、共生島、代謝島和抗生素抗性 島等。不同的基因組島對于細(xì)菌致病或耐藥相關(guān)基 因的獲得以及適應(yīng)環(huán)境具有重要意義?；蚪M島通 過 GI 亞型 T4SS 在細(xì)菌間移動和傳遞，從而在細(xì)菌 毒力、進(jìn)化及適應(yīng)環(huán)境變化等方面起到重要作用，最早對 GI 亞型 T4SS 的功能研究來自對流感嗜血桿菌(Haemophilus influenzae)基因組島ICEHin1056 的功能分析。流感嗜血桿菌的基因組島 ICEHin1056 是一種抗生素抗性島，它為宿主菌提供了對氨芐青 霉素、氯霉素和四環(huán)素的抗性。
T4SS可以根據(jù)其功能分為：分別為接合系統(tǒng)、效應(yīng)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)和ＤＮＡ釋放及攝取系統(tǒng)。接合系統(tǒng)負(fù)責(zé)細(xì)菌中抗生素抗性基因和毒力基因的轉(zhuǎn)移。效應(yīng)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)用于將蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移至靶細(xì)胞；ＤＮＡ釋放及攝取系統(tǒng)：用于與細(xì)胞外環(huán)境交換DNA（稱為轉(zhuǎn)化的過程）。T4SS所介導(dǎo)的接合轉(zhuǎn)移是基因水平轉(zhuǎn)移的重要機(jī)制之一，多數(shù)接合型質(zhì)粒和整合性接合元件都依靠它們自身編碼的T4SS進(jìn)行接合轉(zhuǎn)移，進(jìn)而散播它們所攜帶的生物學(xué)性狀，如耐藥性和致病性等重要性狀。
生物學(xué)意義：
T4SS在多種細(xì)菌的發(fā)病機(jī)理中起關(guān)鍵作用。T4SS 介導(dǎo)基因水平轉(zhuǎn)移，通過細(xì)菌間接合作用，傳遞抗生素耐藥性基因和毒力基因，導(dǎo)致病原體耐藥性出現(xiàn)或毒力增強(qiáng)，有利于致病菌的進(jìn)化。此外，T4SS可以分泌一些效應(yīng)蛋白質(zhì)分子通過細(xì)菌細(xì)胞膜及真核宿主細(xì)胞質(zhì)膜，這與細(xì)菌的致病性密切相關(guān)。使用T4SS進(jìn)行毒力的細(xì)菌病原體的顯著例子是淋病奈瑟菌（Neisseria gonorrhoeae），其使用其T4SS介導(dǎo)DNA攝?。ㄆ浯龠M(jìn)毒力基因獲得），以及嗜肺軍團(tuán)菌(Legionella pneumophila)，布魯氏菌(Brucella suis)和幽門螺桿菌(Helicobacter pylori)，在感染期間將效應(yīng)蛋白轉(zhuǎn)移到宿主細(xì)胞中以破壞它們的防御策略。這些效應(yīng)蛋白具有廣泛的功能。例如根癌土壤桿菌(Agrobacterium tumefaciens)的T4SS利用T4SS 轉(zhuǎn)移致瘤基因 T-DNA 到植物細(xì)胞核, 并整合到植物基因組, 使植物產(chǎn)生腫瘤；幽門螺旋桿菌的T4SS通過轉(zhuǎn)運(yùn)細(xì)胞相關(guān)毒素cagA而在細(xì)菌致病過程中起著關(guān)鍵作用；百日咳博德特菌 (Bordetella pertussis)通過Ptl輸出裝置輸送百日咳毒素到胞外環(huán)境；細(xì)胞內(nèi)病原體嗜肺軍團(tuán)菌Dot/Icm系統(tǒng)產(chǎn)物向哺乳動物宿主輸出一種毒素，可促進(jìn)細(xì)菌在細(xì)胞內(nèi)增殖，殺死人類巨噬細(xì)胞以及防止吞噬體溶酶體融合。T4SS領(lǐng)域的一個主要焦點(diǎn)是了解這些效應(yīng)蛋白影響宿主細(xì)胞功能的作用。除了增強(qiáng)我們對宿主-病原體相互作用的理解之外，這些研究還導(dǎo)致了對真核細(xì)胞生物學(xué)的新見解。
研究思路與前景
T4SS的結(jié)構(gòu)功能研究是一個非常有價值的研究，最熱門的研究的一個領(lǐng)域是設(shè)計(jì)T4SSs的小分子抑制劑，其廣泛目標(biāo)是抑制抗生素耐藥性的傳播或減輕臨床上重要病原體的毒力。例如，在一些情況下，通過高通量篩選鑒定阻斷T4SS介導(dǎo)的過程的分子（例如接合）的抑制劑；在其他情況下，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組件或功能的是被有針對性抑制的，例如VirB8二聚化或VirD4，VirB4或VirB11 ATP酶的催化活性，這種對了解系統(tǒng)組成的各個亞基的結(jié)構(gòu)十分重要，這是藥物靶分子接合破壞的首要目標(biāo)。隨著我們更多地了解寄生T4SS以進(jìn)入細(xì)胞的雄性特異性噬菌體的感染過程，可能出現(xiàn)新的策略來部署噬菌體以殺死攜帶T4SS的細(xì)胞或選擇性地使這些系統(tǒng)失活。最后，人們對T4SS的治療應(yīng)用越來越感興趣通過遞送有毒的DNA或蛋白質(zhì)底物來殺死特定的目標(biāo)靶細(xì)胞。T4SS是程序化遞送系統(tǒng)的優(yōu)秀候選者，因?yàn)樗鼈兪且阎獙NA和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移至細(xì)菌和人類細(xì)胞靶標(biāo)的唯一細(xì)菌分泌系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 趙巖,李明,胡福泉.細(xì)菌的IV型分泌系統(tǒng)[J].生命的化學(xué),2011(1):128-133.
[2] Costa, TRD, Harb, L, Khara, P, Zeng, L, Hu, B, Christie, PJ. Type IV secretion systems: Advances in structure, function, andactivation. Mol Microbiol. 2021; 00: 1– 17.?https://doi.org/10.1111/mmi. 14670
http://weixin.qq.com/r/lziGnqPEFv5pref9922F?(二維碼自動識別)
【未完待續(xù)】
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