النظام الإفرازي الثالث في البكتيريا

النوع الثالث من أنظمة الافراز في الخلايا البكتيرية وغالبا يكتب Type III secretion system واختصاره TTss or T3ss ويسمى أيضا بالانجستيسوم  وهو ملحق بروتيني يوجد في البكتيريا سالبة غرام .
في البكتيريا المسببة للأمراض يشبه في تركيبته الابرة , و يتم استخدامه كناقل حسي للكشف عن وجود كائنات حقيقية النوى و تفرز البروتينات التي تساعد البكتريا في نقل العدوى , حيث تفرز البروتينات تدعى المستجيبة من خلية البكتيريا مباشرة إلى داخل خلية العائل حقيقية النوى , والتي بدورها تنتج عددا من التأثيرات التي تساعد مسبب المرض على البقاء والمقاومة و الهروب من الاستجابة المناعية.

نظرة عامة

أصيغ المصطلح النظام الافرازي الثالث في العام 1993 ويتميز هذا النظام من بين خمسة أنظمة أخرى على الأقل موجودة في البكتيريا سالبة غرام .كما أن العديد من البكتيريا الحيوانية والنباتية لديها نظام مشابه لهذا النظام , وهذه الأنظمة تتشابه نتيجة لاختلاف وتباين التطور وتحليل النشوء والذي يدعم بدوره قدرة البكتيريا سالبة غرام على نقل الجينات المنتجة للنظام  الافرازي الثالث إلى الانواع الأخرى من الكائنات . العديد من هذه الأنظمة الافرازية الثالثة تم دراستها وبحثها في حالات  بكتيريا "الشيغيلا'" التي تسبب الزحار , "السلامونيلا  " المسببة لحمى التيفوئيد وبكتيريا تدعى    " ايشيريشا كولاي'"  التي تتواجد في الأمعاء وتسبب التسمم الغذائي  وبكتيريا "فايبريو أو الضمة " والتي تسبب التهاب المعدة والأمعاء و الاسهال  وبكتيريا " البيركهولديرية" المسببة للرعام، وبكتيريا "يرسينيا"  المسببة للطاعون ،بكتيريا "الكلاميديا "تسبب الأمراض المنقولة جنسيا، البكتيريا الزائفة : تصيب البشر والحيوانات والنباتات  و مسببات الأمراض الإيروينية أي في النباتات ،و "الرالستونيا " و "زانثوموناس" .
يتكون هذا النظام  تقريبا من 30 بروتين مختلف، مما يجعله واحد من أنظمة إفراز الأكثر تعقيدا. تظهر تركيبته  العديد من أوجه التشابه مع أسواط البكتيرية (طويلة، جامدة، التراكيب الخارجية على غلاف الخلية المستخدمة للحركة). بعض من البروتينات المشاركة في هذا النظام تشارك سلاسل من الحموض الأمينية المماثلة في تركيبتها للبروتينات السوطية . بعض من هذه البكتيريا تمتلك T3SS لديها أسواط وكذلك هي متحركة مثل السالمونيلا ، والبعض الآخر لا , مثل بكتيريا الشيغلا.
على العموم , يستخدم النوع الثالث من أنظمة الإفراز لإفراز البروتينات المرتبطة بالعدوى ومكونات سوطية , لذلك يتم غالبا استخدام مصطلح "النوع الثالث من أنظمة الافراز للتعبير عما يتعلق بالعدوى . كما أن الأسواط البكتيرية لديها خصائص قديمة مشتركة مع النوع الثالث من أنظمة الإفراز.
ويلعب هذا النظام دور مهم في احداث المرض ونقل العدوى لدى البكتيريا المسببة للمرض , واذا حدث أي خلل في هذا النظام قد يفقد ذلك البكتيريا قدرتها على احداث المرض
وقد أشير إلى أن بعض سلالات الغير غازية من البكتيريا سالبة الجرام قد فقدت T3SS لأن النظام لم يعد قابلا للاستخدام. على الرغم من المضادات الحيوية التقليدية كانت فعالة ضد هذه البكتيريا في الماضي، إلا أنها أظهرت مقاومة مستمرة لهذه المضادات . فهم الطريقة التي يعمل بها T3SS وتطوير عقاقير تستهدف على وجه التحديد أصبحت هدفا هاما للعديد من المجموعات البحثية في جميع أنحاء العالم منذ أواخر التسعينيات من القرن الماضي

التركيب

البروتينات البكتيرية التي يجب ضخها تمر من السيتوبلازم البكتيري من خلال الابرة مباشرة الى السيتوبلازم المضيف. ثلاثة اغشية تقسم السيتوبلازمين : الغشاء المزدوج ( العضو الداخلي و الخارجي) من البكتريا سالبة غرام وغشاء النواة. الابرة تزود  مرور سهل من خلال اغشية غير منفذة وذات اختيار عالي . بكتيريا واحدة يمكن أن يكون لها مئات من  تجمعات الابر التي تنتشر عبر الغشاء. وقد اقترح ان تجمع الابرة هو سمة عالمية للنظام الافرازي الثالث لجميع البكتيريا المسببة للمرض .
يبدأ مجمع الابرة من سيتوبلازم البكتريا ويمر عبر غشائيين ويبرز من الخلية. الجزء المتصل في الغشاء هو قاعدة النظام الافرازي الثالث . الجزء خارج الخلية هو الابرة ويسمى بالقضيب الداخلي الذي يربط الابرة بالقاعدة. على الرغم من ان الابرة هي الجزء الأكبر والمسيطر للنظام الافرازي الثالث ولكن هي مصنوعة من أجزاء من البروتينات الواحدة.  لذلك اغلبية بروتينات النظام الافرازي الثالث التي تبني القاعدة هي التي تفرز في المضيف. كما ذكر سابقا الابرة تشارك أوجه شبه مع أسواط البكتيريا .بشكل مخصص، قاعدة الابرة تشبه كثيرا في تركيبها قاعدة سوط البكتيريا، الابرة نفسها مماثلة لمعلاق السوط التركيب الذي يربط القاعدة مع خيوط السوط .
القاعدة تتكون من عدة حلقات دائرية وهي اول جزء تم بناؤه في هيكل مجمع الابرة الجديد .عندما تكتمل القاعدة، تعمل بدور آلة الضخ للبروتينات الخارجية (المؤشر). عندما يكتمل تركيب الابرة بشكل كامل ، يتحول النظام حتى يضخ البروتينات المفروض نقلها الى الخلايا المضيفة. الإبرة  معروف انها تبنى من القاعدة إلى القمة .البروتينات كوحدة البناء الصغرى للابرة تتجمع فوق بعضها البعض. وبذلك الوحدة التي في قمة الابرة هي آخر وحدة يتم اضافتها . الوحدة الجزئية للإبرة هي واحدة من اصغربروتينات النظام الافرازي الثالث ويتراوح قياسها 9 كيلو دالتون تقريبا.
100-150 جزء يكون كل ابرة.
قياس ابرة النظام الافرازي الثالث يتراوح تقريبا ما بين 60 -80 نانو ميتر في الطول و 8 نانو ميتر في العرض الخارجي. يجب أن يكون هناك طول أدنى للابرة من اجل ان لا تتدخل التراكيب الخارجية الأخرى للبكتيريا في الافراز (الالتصاق، طبقة عديدات سكر شحمية ). قطر محيط مدخل الابرة هو 88 نانو ميتر اغلب البروتينات المؤثرة المنطوية هي  كبيرة جدا لتمر من خلال فتحة الابرة. ولهذا اغلب البروتينات المفرزة يجب أن تمر من خلال الابرة وهي غير منطوية، وهذه المهمة يتم تنفيذها من قبل انزيم الادينوسين ثلاثي الفوسفات في قاعدة هيكل الابرة.

الحث على الافراز

هناك طرق مختلفة لحث البكتيريا على الافراز, البكتيريا عندما تصل الابرة بالخلية الهدف (المضيفة) يتم تحفيز نظام الافراز للبروتين عندها، وهذه الطريقة ليست معروفة عند الكل . وايضا هناك طرق أخرى للإفراز ومنها أن ترفع البكتيريا ايونات الكالسيوم في الوسط التي تنمو فيه وذلك يتم بإضافة الصبغة العطرية (الكونغو) الى وسط النمو على سبيل المثال (حمض ثنائي أمين إيثيلين رباعي حمض الأسيتيك).وتستخدم البكتيريا هذه الاساليب وغيرها في المختبرات لتحث على الإفراز للمواد عند البكتيريا.
هناك أيضا طرق أخرى مختلفة عن طريقة الإبرة وهي أن تتأثر البكتيريا بعوامل خارجية في المختبرات. البكتيريا لديها القدرة أن تستشعر الحرارة ودرجة الحموضة ومستوى الأكسجين والأسموزية (بالانجليزية osmotic concentrationn) , وهذا الإستشعار يجعلها تقرر أن تُفَعّل نظام الافراز للمواد لديها أم لا. فعلى سبيل المثال ,بكتيريا السلمونيا تستطيع أن تتكاثر وتعيش في الأمعاء الدقيقة بشكل أفضل من عيشها في الأعور , وهذه البكتيريا قادرة على معرفة مكان وجودها بفضل ايونات موجودة في هذه المناطق. فالأمعاء الدقيقة تحتوي على أيونات الفورمات (بالانجليزية formate) والأسيتات ,أما الأعور لا يحتوي على هذه الأيونات ,فالبكتيريا قادرة على  استشعار هذه الأيونات ومعرفة مكان وجودها بواستطهم , فتُفَعّل البكتيريا نظام الإفراز عندها في الأمعاء الدقيقة . وهناك جزيئات في الأعور مثل البروبينات (بالانجليزية Propionate) والبيوتيرات (بالانجليزية Butyrate) , هذه الأيونات تثبط نظام الإفراز عند البكتيريا ,فلهذا السبب لا تعيش بشكل أفضل في الأعور.  أيون الكوليسترول، الدهون مثلا موجود في معظم الخلايا حقيقية النوى فهذا قادر على تثبيط نظام الإفراز لدى البكتيريا .
وهذه كلها عوامل خارجية تؤثر على نظام الإفراز لدى البكتيريا ,فتؤثر عليها إما بشكل مباشر أو من خلال آلية وراثية . هناك العديد من عوامل النسخ التي تنظم عملية نسخ الجين المسؤول عن الافراز لإفراز البروتين . بعض بروتينات التشابرون تستطيع الربط على الجين كعامل نسخ فتحفز عملية انتاج البروتين . هناك البروتينات  المؤثرة , هذه البروتينات تنظم عملية التعديل وعملية النقل والإفراز . فعندما تريد الخلية ان تنقل المواد عن طريق نظام الإفراز ,تقوم بربط البروتينات المؤثرة على بروتين التشابريون , وإذا أصبح حاجة للنقل تقوم بفك البروتينات المؤثرة عن التشابريون , فالتشابريون ينظم للخلية عملية النسخ .
هناك أيضا نظام مشابه لنظام الإفراز للبروتين في البكتيريا . هذا النظام يُمكّن الغشاء الداخلي والخارجي من الخلايا البكتيرية السالبة في المساعدة في انبعاث الحويصلات من الغشاء الداخلي للخلايا البكتيرية , وهكذا يتم تسليم الإفرازات من الخلايا البكتيرية إلى الخلايا حقيقية النوى .

عدوى بواسطة نظام الافراز(بروتينات المؤثرة)

البكتيريا تمتلك بروتينات تُدعى بالبروتينات المؤثرة ,فتقوم البكتيريا بفرزها إلى الخلايا المضيفة .وهذا البروتين يدخل إلى الخلية المجاورة عن طريق إدخال الابرة لخلية البكتيريا في قاعدة الخلية المضيفة ويصنع طريقه داخل الإبرة إلى داخل الخلية المضيفة . الطريق الذي يشقه هذا البروتين إلى الخلية المضيفة غير معروف ، كانوا يعتقدوا سابقا أن الإبرة نفسها قادرة على عمل ثقب في غشاء الخلية المضيفة, ولكن هذه النظرية رُفضت ، أصبح الآن واضح ان بعض البروتينات المؤثرة تُفرز في البداية من البكتيريا وتقوم بإنشاء قنوات أو فتحات في غشاء الخلية المضيفة ، لتسمح بأنواع أخرى من البروتينات المؤثرة بالدخول . هناك انواع من البكتيريا يوجد فيها طفرات في  مجموعة البروتينات ,بحيث قادرة على إفراز البروتينات ولكن غير قادرة على تسليمهم إلى الخلايا المضيفة. بشكل عام كل نظام افراز يحتوي على ثلاث انواع من البروتينات المؤثرة ، وبعض منهم يتصرف كوظيفتين ، وظيفة عمل فتحات في الغشاء وأيضا الدخول إلى الخلية المضيفة وتقوم بدور المؤثرات.
البروتينات المؤثرة قادرة على التلاعب بالخلية المضيفة بطرق مختلفة ، ومنها تعزِّز امتصاصها للخلية البكتيرية، العديد من البكتيريا التي تمتلك نظام الافراز يجب أن تدخل إلى الخلية المضيفة حتّى تتضاعف وتنشر العدوى. البروتينات المؤثرة التي تقوم البكتيريا بإفرازها تحث الخلايا المضيفة على بلعمة خلية البكتيريا. وللقيام بهذا العمل ، البروتينات المؤثرة تتلاعب بخيوط الآكتين المبلمرة في الخلايا المضيفة، والآكتين هو من مكونات الهيكل الخلوي وهو يشارك في قدرة الخلية على الحركة وتغيير شكلها  . وبمجرد دخول الخلية
البكتيرية إلى الخلية المضيفة ،فإنها قادرة على افراز مؤثرات أخرى بسهولة أكبر ،ويمكن أن تخترق الخلايا المجاورة وسرعان ما تصيب النسيج كله.
البروتينات المؤثرة أيضا تُؤثر على دورة حياة الخلية المضيفة من خلال قيادها إلى عملية الموت البطيء (الإنتحار). واحد من الأبحاث  ipab على البروتينات هو بروتين
هذا يُفرز من بكتيريا(شايجيلا الفلكسنرية)، هذا البروتين له وظيفة مزدوجة واحدة منها هي عمل فتحات في غشاء الخلية المضيفة ، وأخرى بممارسة آثار ضارة متعددة على الخلية المضيفة. وقد ثبت أن هذا البروتين يقود الخلية المضيفة إلى عملية الموت البطيء بواسطة جزيئات كبيرة تدعى الخلايا الاكولة بعد قيامها بعملية البلعمة . وقد تم التحقق مؤخرا ان البروتين يتفاعل مع كاسباس ليقود الخلية إلى الموت البطيء وهو بروتين تنظيمي كبير في الخلايا حقيقية النوى.
هناك أيضا فوائد أخرى للبروتينات المؤثرة في تعمل كعامل نسخ فتحفز نسخ جينات الخلايا التي تدخل إليها . فعندما تقوم الخلية البكتيرية بحقن هذا البروتين إلى خلية نباتية ، فإنه يدخل إلى نواتها ويحفز عملية نسخ الجين ويساهم في العدوى .وقد تم تحسين كيفية فهم تأثير البروتينات ،وكيف تغير نسخ الجينات في خلايا النباتات العائل.

المجهر، البلورات، والحالة الصلبة الرنين المغناطيسي النووي

كما هو الحال مع معظم جميع البروتينات، فإن تمييز و تصوير T3SS ممكن فقط باستخدام المجهر الإلكتروني. وأظهرت الصور الأولى من البلاغات المعروفة بمجمع الابرة عام 1998 تركيبة الخيوط الابرية في هذا النظام الخارجة من جدار الخلية البكتيرية, كما وأظهرت البلاغات الحية والمسطحة معزولة ثنائية الأبعاد.  في عام 2001 صور من البلاغات من بكتيريا الشاغيلا الفلكسنرية  تم تحليلها رقميا للحصول على أول هيكل شبه ثلاثي أبعاد التركيبة والهيكل  الحلزوني من البلاغات( مجمع الابرة) من بكتيريا الشيغيلا الفلكسنرية  تم توضيحها بدرجة وضوح 16أنجستروم باستخدام  حيود الأشعة السينية على الألياف . عام 2003، وبعد ذلك بعام تم نشر 17 ألف هيكل ثلاثي أبعاد من البلاغات من بكتيريا السالمونيلا تيفيميوريم . وقد سمح التقدم والنهج الحديثة إلى ايجاد الصورثلاثية الأبعاد عالية الدقة من مجمع الابرة .
وقد تبلور العديد من بروتينات النظام الثالث T3SS على مر السنين. وتشمل هذه البروتينات الهيكلية لمجمع الابرة والبروتينات المؤثرة والمرافقة الغشائية. وكانت الوحدة التركيبية الأولى في إبرة النظام البروتيني تدعى "بزال"BsaL من بكتيريا "بيركولديريا بسيدومالي" . لاحقا التركيب البلوري للMixH من بكتيريا الشيغيلا  فلكسنريه تم حله في عام 2006.
في عام 2012، مزيج من ( نواتج إبرة النظام  من النوع الطبيعي المؤتلف مع حالة صلبة من الوحدة التركيبية الصغرى ،المجهرالإلكتروني  ونموذج روسيتا) أظهر supramolecular والتركيب الذري الكامل في نهاية المطاف في ابرة النظام الافرازي الثالث لدى بكتيريا السالمونيلا التيفيميوريم. كما كشف هذا النموذج نهاية مجموعة الحموض الأمينية الممتدة على سطح الإبرة

مثبطات النوع الثالث من أنظمة الإفراز

وقد تم اكتشاف عدد قليل من المركبات التي تمنع النوع الثالث من أنظمة الإفراز T3SS في البكتيريا سالبة الجرام، بما في ذلك " جوادينوماين "التي تنتج بشكل طبيعي من أنواع البكتيريا السبحية.