ФЛАГЕЛИНА: СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

В флагелин е протеин на спиралата, която е структура, която е част от камшичета на бактерии. По-голямата част от бактериите имат само един вид флагелин. Някои обаче имат повече от две.

Молекулният размер на този протеин варира между 30 kDa и 60 kDa. Например, при Enterobacteriaceae молекулярният му размер е голям, докато при някои сладководни бактерии е малък.

Източник: Уред за микроскоп в Дартмут, Колеж в Дартмут

Флагелинът е фактор на вирулентност, който позволява адхезия и инвазия на клетките на гостоприемника. В допълнение, той е мощен активатор на много видове клетки, участващи във вродения и адаптивен имунен отговор.

Ултраструктура на флагела и подвижност

Флагелът е закотвен към клетъчната повърхност. Състои се от три части: 1) нишката, която се простира от повърхността на клетката и представлява твърда, куха цилиндрична структура; 2) базалното тяло, което е вградено в клетъчната стена и мембранните слоеве, образувайки няколко пръстена; и 3) куката, къса извита структура, която се присъединява към базалното тяло към нишката.

Базалното тяло е най-сложната част на флагела. В грам отрицателни бактерии има четири пръстена, свързани с централна колона. В грам положително има два пръстена. Въртящото движение на флагела се случва в базалното тяло.

Разположението на жлезиците на повърхността на бактериите варира в широки граници между организмите и може да бъде: 1) монотерни, само с една жлеза; 2) полярни, с две или повече; или 3) перитритни, с много странични жлези. Има и ендофлагела, както при спирохетите, които са разположени в периплазменото пространство.

Хеликобактер пилори е много подвижен, тъй като има шест до осем еднополярни жлеза. PH градиент през слузта позволява на H. pylori да се ориентира и да се установи в зона, съседна на епителните клетки. Pseudomonas има полярна флагела, която проявява хемотаксис от захари и е свързана с вирулентност.

Структура на флагелин

Поразителна характеристика на протеиновата последователност на флагелин е, че неговите N-крайни и С-крайни региони са силно запазени, докато централният регион е силно променлив между видовете и подвидовете от един и същи род. Тази хипервариабилност е отговорна за стотиците серотипове на Salmonella spp.

Флагелиновите молекули взаимодействат помежду си през крайните участъци и полимеризират, за да образуват нишка. При това крайните участъци са разположени към вътрешността на цилиндричната структура на нишката, докато централната е изложена навън.

За разлика от тубулиновите нишки, които се деполимеризират при липса на соли, тези на бактериите са много стабилни във вода. Около 20 000 субединици тубулин образуват нишка.

Два вида флагелин се полимеризират във влакната на H. pylori и Pseudomonas aeruginosa: FlaA и FlaB, кодирани от fliC гена. FlaAs са разнородни и са подразделени на няколко подгрупи, като молекулните маси варират между 45 и 52 kDa. FlaB е хомогенен с молекулна маса 53 kDa.

Често пъти лизиновите остатъци от флагелини се метилират. Освен това има и други модификации като гликозилирането на FlaA и фосфорилирането на тирозиновите остатъци на FlaB, чиито функции са съответно вирулентност и експортен сигнал.

Разрастване на жлебовидни нишки в бактериите

Бичът на бактериите може да бъде елиминиран експериментално и може да се изучи регенерацията му. Флагелиновите субединици се транспортират през вътрешния участък на тази структура. Когато стигнат до крайността, субединиците се добавят спонтанно с помощта на протеин ("cap cap протеин"), наречен HAP2 или FliD.

Синтезът на нишката се осъществява чрез собствен монтаж; т.е. полимеризацията на флагелин не изисква ензими или фактори.

Информацията за сглобяването на нишката се намира в самата субединица. По този начин флагелинът субединици полимеризира, за да образува единадесет протофиламента, които образуват завършен.

Синтезът на флагелин на P. aeruginosa и Proteus mirabilis се инхибира от антибиотици като еритромицин, кларитромицин и азитромицин.

Флагелинът като активатор на имунната система

Първите проучвания показват, че флагелинът в субнаномоларни концентрации от Salmonella е мощен индуктор на цитокини в промоноцитна клетъчна линия.

Впоследствие беше показано, че индуцирането на провъзпалителния отговор включва взаимодействие между флагелин и повърхностните рецептори на клетките на вродената имунна система.

Повърхностните рецептори, които взаимодействат с флагелин, са типът тол-5 (TLR5). Впоследствие проучвания с рекомбинантен флагелин показват, че когато му липсва хипервариабилната област, той не е в състояние да предизвика имунен отговор.

TLR5 присъстват в клетки на имунната система, като лимфоцити, неутрофили, моноцити, макрофаги, дендритни клетки, епителни клетки и лимфни възли. В червата TLR5 регулира състава на микробиотата.

Грам-отрицателните бактерии обикновено използват секреторната система тип III, за да преместят флагелин в цитоплазмата на клетката гостоприемник, предизвиквайки серия от вътреклетъчни събития. По този начин флагелинът във вътреклетъчната среда се разпознава от протеини от семейство NAIP (фамилия на инхибиторите на апоптоза / семейство на NLR).

Впоследствие комплексът флагелин-NAIP5 / 6 взаимодейства с рецептора, подобен на NOD, който генерира отговора на домакина на инфекция и увреждане.

Флагелин и растения

Растенията разпознават този протеин по пътя на флагелин чувствителен 2 (FLS2). Последната е богата на левцин рецепторна киназа и е хомоложна на TLR5. FLS ”взаимодейства с N-терминалния регион на флагелин.

Свързването на флагелин с FLS2 води до фосфорилиране на пътя на MAP киназата, което достига кулминация в синтеза на протеини, които посредничат в защита срещу инфекция от гъби и бактерии.

В някои растения от нощник флагелинът може да се свърже и с рецептора FLS3. По този начин те се защитават от патогени, които избягват защитата, медиирана от FLS2.

Флагелин като адювант

Адювант е материал, който повишава клетъчната или хуморалната реакция на антиген. Тъй като много ваксини произвеждат лош имунен отговор, са необходими добри адюванти.

Многобройни проучвания доказват ефективността на флагелин като помощно средство. Тези проучвания се състоят в използване на рекомбинантен флагелин във ваксини, оценен с помощта на животински модели. Този протеин обаче все още не е преминал фаза I на клиничните изпитвания.

Сред изследваните рекомбинантни флагелини са: флагелин - епитоп 1 на хематоглутинина на грипния вирус; флагелин-епитоп на Schistosoma mansoni; флагелин - топлинно устойчив токсин от Е. coli; флагелин - плазмодиев повърхностен протеин 1; и флагелин - протеин на обвивката на вируса на Нил, наред с други рекомбинанти.

Има някои предимства от използването на флагелин като помощно средство във ваксини за човешка употреба. Тези предимства са следните:

1) Той е ефективен при много ниски дози.

2) Те не стимулират реакцията на IgE.

3) Последователността на друг адювант, Ag, може да бъде вмъкната във флагелинната последователност, без да се засяга флагелин сигналния път чрез TLR5.

Други приложения на флагелин

Тъй като флагелиновите гени проявяват голямо разнообразие, те могат да бъдат използвани за специфични открития или за идентификация на видове или щамове.

Например, комбинацията от PCR / RFLP е използвана за изследване на разпространението и полиморфизма на флагелиновите гени в изолатите на E. coli от Северна Америка.

Препратки

1. Hajam, IA, Dar, PA, Shahnawaz, I., Jaume, JC, Lee, JH 2017. Бактериален флагелин - мощен имуномодулиращ агент. Експериментална и молекулярна медицина, 49, e373.
2. Kawamura-Sato, K., Inuma, Y., Hasegawa, T., Horii, T., Yamashino, T., Ohta, M. 2000. Влияние на субингибиторните концентрации на макролиди върху експресията на флагелин в Pseudomonas aeruginosa и Proteus mirabilis. Антимикробни средства и химиотерапия, 44: 2869–2872.
3. Mizel, SB, Bates, JT 2010. Флагелин като помощно средство: клетъчни механизми и потенциал. Journal of Immunology, 185, 5677-5682.
4. Прескот, LM, Harley, JP, Klain, SD 2002. Микробиология. Mc Graw-Hill, Ню Йорк.
5. Schaechter, M. 2009. Настолната енциклопедия на микробиологията. Академик Прес, Сан Диего.
6. Winstanley, C., Morgan, AW 1997. Бактериалният флагелин ген като биомаркер за откриване, популационна генетика и епидемиологичен анализ. Микробиология, 143, 3071-3084.