有关“黑死病”，你了解多少——细菌III 型分泌系统

十四世纪四五十年代，对于欧洲来说，是一个极为悲惨的时刻。从1347至1353年，席卷整个欧罗巴的被称之为“黑死病”的鼠疫大瘟疫，夺走了2500万欧洲人的性命，占当时欧洲总人口的1/3！这场瘟疫在很多文献中被记作“黑死病”。在历史中对黑死病特征记录，有一些是关于淋巴腺肿的描述，与19世纪发生于亚洲的淋巴腺鼠疫相似，这就使得一些科学家与历史学家推测自14世纪开始的黑死病与鼠疫相同，都是由一种被称为鼠疫杆菌的细菌所造成的。研究发现鼠疫杆菌的致病机理有一部分是由细菌III型分泌系统（T3SS）引起的。

今天小编就带大家一起对T3SS展开大揭秘，探索它的结构与功能。我们主要从T3SS的起源进化、T3SS结构特征、细菌III型分泌系统的分泌机制以及输出机制四个方面来阐述。

许多病原体利用复杂的纳米机器提供的细菌效应蛋白进入真核靶细胞，这些效应蛋白对病原体的益处是可调节多种细胞功能，其中一种蛋白输送机制就是III型分泌系统（T3SS）。T3SS广泛存在于动植物致病菌或共生中，分泌的蛋白直接转运入宿主细胞内，从而抑制特定的免疫反应。

(1)  T3SS的起源进化

III型分泌系统装置由大约20多种不同的蛋白组成，其中约一半的蛋白在III型分泌系统中都是保守的。这些保守的蛋白与细菌鞭毛基体部分的蛋白序列相似，这表明细菌鞭毛和T3SS可能具有共同进化的历史。最近的系统进化分析也支持T3SS是鞭毛装置的进化扩展适应这一概念，主要有2个证据：（1）T3SS的后代存在于粘球菌中，虽然它不再有运动的功能，但仍然可分泌蛋白；（2）随着分泌素的聚集，可能发生了不止一次，外膜蛋白的家族参与了噬菌体的释放以及蛋白的分泌。

（2）T3SS的结构特征

各种病原菌的T3SS在电子显微镜下观察都很相似，其结构很像注射器，称之为针状复合物。其结构的核心是由一个多环型基座和一个针头状突起组成，基座中贯穿有圆柱形的连接针头和基座的杆，基地座是由外环和内环相连。

T3SS基底部把针定位于细菌的胞浆膜，PrgK，和InvG组装成了沙门氏菌内膜和外膜的环形结构。沙门氏菌中，IM环由PrgH，PrgK组成，它们组装成两个同心环。其中PrgK形成较小的环，而PrgH形成较大的外环。基底部的结构域对于底物的分泌是非常重要的。在针的最远端存在一个顶部复合物，其可以感受宿主细胞信号，从而引发转位子组装以及效应蛋白的分泌。根据其结构和特性，针的顶部可以分为两类，一类是沙门氏菌的SipD，志贺氏菌的IpaD和伯克氏菌BipD；另一类是耶尔森氏菌LcrV和绿脓杆菌PcrV。SipD、IpaD、BipD蛋白结构包含8个螺旋和5个折叠。从而形成了3个不同的结构域，N端螺旋发卡，中央的卷曲和C端的折叠／螺旋混合体。 

（3）细菌III型分泌系统的分泌机制

细菌的III型分泌系统是一步性分泌，是sec不依赖型的。所分泌的效应蛋白不在胞浆中间停留，也不被切割，直接从胞质输送到细胞表面。III型分泌系统可释放几种效应蛋白，刺激宿主细胞的信号转导途径，导致一系列的细胞效应。III型分泌系统分泌蛋白的分泌信号不依赖于其它途径。例如mRNA 5’端、分泌蛋白的N端、分泌前分泌蛋白与相应的伴侣分子结合等情况。其中与伴侣分子结合则是确保分泌前的稳定性和有效分泌的主要环节。此外，该系统通常在细菌与宿主细胞接触之后启动，并且分泌产物能够注入细胞，从而影响宿主细胞的信号活动，以利于细菌的入侵。

（4）细菌III型分泌系统的输出机制

随着科学的发展，越来越多的证据表明T3SS分泌系统的底物输出机制与鞭毛相似但也存在差异。质子驱动力PMF(protonmotive force)对于分泌机器是必须的，但不是唯一的。T3SS的底物输出机制如下：首先，ATPase是重要的分泌机器之一，具有水解ATP的能力；其次，ATPase通过识别伴侣．效应蛋白复合物并解离伴侣蛋白，从而使效应蛋白去折叠，效应蛋白通过孔道；ATP的水解驱动了这一过程，随后PMF进一步推进了蛋白的输出。

虽然关于细菌III型分泌系统的结构已经研究报道的很多，但是关于一些蛋白晶体的结构在电子显微镜下仍然无法观察到，这对未来的研究提出了挑战和激励。路漫漫其修远兮，未来的研究还等着各位去探索。