FLAGELINA: STRUKTURA A FUNKCE - BIOLOGIE - 2025

Flagelin je protein vlákna, což je struktura, která je součástí bičíků bakterií. Drtivá většina bakterií má pouze jeden typ flagellinu. Některé však mají více než dva.

Molekulová velikost tohoto proteinu se pohybuje mezi 30 kDa a 60 kDa. Například v Enterobacteriaceae je jeho molekulární velikost velká, zatímco u některých sladkovodních bakterií je malá.

Zdroj: Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College

Flagellin je faktor virulence, který umožňuje adhezi a invazi hostitelských buněk. Kromě toho je to silný aktivátor mnoha typů buněk zapojených do vrozené a adaptivní imunitní odpovědi.

Ultrastruktura bičíku a pohyblivost

Bičík je ukotven k buněčnému povrchu. Skládá se ze tří částí: 1) vlákno, které sahá od povrchu buňky a je tuhá, dutá válcová struktura; 2) základní těleso, které je zabudováno do buněčné stěny a membránových vrstev a tvoří několik prstenů; a 3) hák, krátká zakřivená struktura, která spojuje základní těleso s vláknem.

Bazální tělo je nejsložitější částí bičíku. U gramnegativních bakterií má čtyři kruhy spojené s centrálním sloupcem. V gramu pozitivní má dva prsteny. Rotační pohyb bičíku se vyskytuje v bazálním těle.

Umístění bičíků na povrchu bakterií se mezi organizmy značně liší a může být: 1) monoterické, pouze s jedním bičíkem; 2) polární, se dvěma nebo více; nebo 3) pobřežní, s mnoha postranními bičíky. Tam jsou také endoflagella, jak v spirochetes, který být lokalizován v periplasmic prostoru.

Helicobacter pylori je velmi mobilní, protože má šest až osm unipolárních bičíků. PH gradient přes hlen umožňuje H. pylori se orientovat a usadit se v oblasti sousedící s epiteliálními buňkami. Pseudomonas má polární bičík, který vykazuje chemotaxi z cukrů a je spojen s virulencí.

Struktura flagellinu

Pozoruhodným rysem proteinové sekvence flagellinu je to, že její N-terminální a C-terminální oblasti jsou vysoce konzervované, zatímco centrální oblast je vysoce variabilní mezi druhy a poddruhy stejného rodu. Tato hypervariabilita je zodpovědná za stovky sérotypů Salmonella spp.

Molekuly flagellinu vzájemně interagují přes terminální oblasti a polymerizují za vzniku vlákna. Přitom jsou koncové oblasti umístěny směrem dovnitř válcové struktury vlákna, zatímco střední část je odkryta směrem ven.

Na rozdíl od trubicových vláken, která depolymerizují v nepřítomnosti solí, jsou vlákna bakterií ve vodě velmi stabilní. Asi 20 000 podjednotek tubulinu tvoří vlákno.

Ve vlákně H. pylori a Pseudomonas aeruginosa jsou polymerizovány dva typy flagellinu: FlaA a FlaB, kódované fliC genem. FlaAs jsou heterogenní a jsou rozděleny do několika podskupin, přičemž molekulové hmotnosti se pohybují mezi 45 a 52 kDa. FlaB je homogenní s molekulovou hmotností 53 kDa.

Lysinové zbytky bičíků jsou často methylované. Kromě toho existují další modifikace, jako je glykosylace FlaA a fosforylace tyrosinových zbytků FlaB, jejichž funkcí je virulence a exportní signál.

Růst bičíkových vláken v bakteriích

Mytí bakterií může být eliminováno experimentálně a může být studována jeho regenerace. Podjednotky flagellinů jsou transportovány přes vnitřní oblast této struktury. Když dosáhnou extrému, jsou podjednotky přidány spontánně pomocí proteinu ("cap protein") zvaného HAP2 nebo FliD.

Syntéza vlákna se provádí pomocí vlastního sestavení; to znamená, že polymerace flagellinu nevyžaduje enzymy nebo faktory.

Informace pro sestavení vlákna se nacházejí v samotné podjednotce. Bondelinové podjednotky tak polymerizují za vzniku jedenácti protofilamentů, které tvoří kompletní.

Bičíková syntéza P. aeruginosa a Proteus mirabilis je inhibována antibiotiky, jako je erytromycin, klaritromycin a azithromycin.

Flagellin jako aktivátor imunitního systému

První studie prokázaly, že flagellin v subnanomolárních koncentracích od Salmonella je silným induktorem cytokinů v promonocytární buněčné linii.

Následně bylo ukázáno, že indukce prozánětlivé odpovědi zahrnuje interakci mezi flagellinem a povrchovými receptory buněk vrozeného imunitního systému.

Povrchové receptory, které interagují s flagellinem, jsou typu Toll-5 (TLR5). Následně studie s rekombinantním flagellinem ukázaly, že když chyběla hypervariabilní oblast, nebyla schopna vyvolat imunitní odpověď.

TLR5 jsou přítomny v buňkách imunitního systému, jako jsou lymfocyty, neutrofily, monocyty, makrofágy, dendritické buňky, epiteliální buňky a lymfatické uzliny. Ve střevě TLR5 reguluje složení mikrobioty.

Gramnegativní bakterie obvykle používají sekreční systém typu III k translokaci flagellinu do cytoplazmy hostitelské buňky, čímž se spustí řada intracelulárních událostí. Flagelin v intracelulárním médiu je tedy rozpoznáván proteiny rodiny NAIP (protein inhibitoru apoptózy / rodina NLR).

Následně komplex flagellin-NAIP5 / 6 interaguje s receptorem podobným NOD, což generuje odpověď hostitele na infekci a poškození.

Bičík a rostliny

Rostliny rozpoznávají tento protein prostřednictvím cesty senzibilizace bičíků 2 (FLS2). Posledně uvedená je receptorovou kinázou bohatou na leucin a je homologní s TLR5. FLS “interaguje s N-terminální oblastí flagellinu.

Vazba flagellinu na FLS2 produkuje fosforylaci dráhy MAP kinázy, která vrcholí syntézou proteinů, které zprostředkovávají ochranu proti infekci plísněmi a bakteriemi.

V některých rostlinách lilku se flagellin může také vázat na receptor FLS3. Tímto způsobem se chrání před patogeny, které se vyhýbají obraně zprostředkované FLS2.

Flagellin jako adjuvans

Adjuvans je materiál, který zvyšuje buněčnou nebo humorální odpověď na antigen. Protože mnoho vakcín produkuje špatnou imunitní odpověď, jsou nezbytná dobrá adjuvans.

Četné studie prokázaly účinnost flagellinu jako adjuvans. Tato zkoumání spočívala v použití rekombinantního flagellinu ve vakcínách, hodnocených pomocí zvířecích modelů. Tento protein však musí ještě projít fází I klinických hodnocení.

Mezi studovanými rekombinantními flagelliny patří: flagellin - epitop 1 chřipkového viru hematoglutinin; flagellinový epitop Schistosoma mansoni; flagellin - tepelně stabilní toxin z E. coli; flagellin - Plasmodium povrchový protein 1; a flagellin - obalový protein viru Nilu, mezi jinými rekombinanty.

Použití flagellinu jako adjuvans ve vakcínách pro lidské použití má určité výhody. Tyto výhody jsou následující:

1) Je účinný při velmi nízkých dávkách.

2) Nestimulují odpověď IgE.

3) Sekvence jiného adjuvans, Ag, může být vložena do bičíkové sekvence, aniž by ovlivnila signální dráhu bičíků prostřednictvím TLR5.

Další použití flagellinu

Protože flagelinové geny vykazují širokou variabilitu, mohou být použity pro specifické detekce nebo pro identifikaci druhů nebo kmenů.

Například kombinace PCR / RFLP byla použita ke studiu distribuce a polymorfismu genů flagellinu v izolátech E. coli ze Severní Ameriky.

Reference

1. Hajam, IA, Dar, PA, Shahnawaz, I., Jaume, JC, Lee, JH 2017. Bakteriální flagellin - silný imunomodulační prostředek. Experimental and Molecular Medicine, 49, e373.
2. Kawamura-Sato, K., Inuma, Y., Hasegawa, T., Horii, T., Yamashino, T., Ohta, M. 2000. Vliv subinhibičních koncentrací makrolidů na expresi flagellinu v Pseudomonas aeruginosa a Proteus mirabilis. Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 44: 2869–2872.
3. Mizel, SB, Bates, JT 2010. Flagellin jako adjuvans: buněčné mechanismy a potenciál. Journal of Immunology, 185, 5677-5682.
4. Prescott, LM, Harley, JP, Klain, SD 2002. Mikrobiologie. Mc Graw-Hill, New York.
5. Schaechter, M. 2009. Stolní encyklopedie mikrobiologie. Academic Press, San Diego.
6. Winstanley, C., Morgan, AW 1997. Gen bakteriálního flagellinu jako biomarker pro detekci, populační genetiku a epidemiologickou analýzu. Microbiology, 143, 3071-3084.