FLAGELINA: STRUKTUR OCH FUNKTIONER - BIOLOGI - 2025

Den flagellin är ett protein av glödtråden, vilket är en struktur som är en del av flageller av bakterier. De allra flesta bakterier har bara en typ av flagellin. Vissa har dock mer än två.

Molekylstorleken för detta protein varierar mellan 30 kDa och 60 kDa. I Enterobacteriaceae är till exempel dess molekylstorlek stor, medan den i vissa sötvattenbakterier är liten.

Källa: Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College

Flagellin är en virulensfaktor som möjliggör värdcelladhesion och invasion. Dessutom är det en kraftfull aktivator för många typer av celler som är involverade i det medfödda och anpassningsbara immunsvaret.

Ultrastruktur i flagellum och rörlighet

Flagellumet är förankrat på cellytan. Den består av tre delar: 1) glödtråden, som sträcker sig från cellytan och är en styv, ihålig cylindrisk struktur; 2) baskroppen, som är inbäddad i cellväggen och membranlagren, och bildar flera ringar; och 3) kroken, en kort krökt struktur som förenar baskroppen till glödtråden.

Baskroppen är den mest komplexa delen av flagellum. I gramnegativa bakterier har den fyra ringar anslutna till en central kolonn. I gram positivt har det två ringar. Flagellums rotationsrörelse förekommer i baskroppen.

Flagellens placering på bakteriens yta varierar mycket mellan organismer och kan vara: 1) monoterisk, med endast en flagella; 2) polärt, med två eller fler; eller 3) peritrichous, med många laterala flagella. Det finns också endoflagella, som i spiroketer, som finns i det periplasmiska rymden.

Helicobacter pylori är mycket mobil eftersom den har sex till åtta unipolära flageller. En pH-gradient genom slemet tillåter H. pylori att orientera sig och etablera sig i ett område intill epitelceller. Pseudomonas har ett polärt flagellum, som uppvisar kemotaxi från sockerarter och är förknippat med virulens.

Flagellins struktur

En slående egenskap hos flagellinproteinsekvensen är att dess N-terminala och C-terminala regioner är mycket bevarade, medan den centrala regionen är mycket varierande mellan arter och underarter av samma släkte. Denna hypervariabilitet är ansvarig för hundratals serotyper av Salmonella spp.

Flagellinmolekyler interagerar med varandra genom terminalregionerna och polymeriserar för att bilda ett filament. I detta är terminalområdena belägna mot insidan av glödtrådens cylindriska struktur, medan det centrala är exponerat mot utsidan.

Till skillnad från tubulinfilament som depolymeriseras i frånvaro av salter är bakteriernas mycket stabila i vatten. Cirka 20 000 underenheter av tubulin bildar en glödtråd.

Två typer av flagellinpolymerisation i H. pylori- och Pseudomonas aeruginosa-filamentet: FlaA och FlaB, kodat av fliC-genen. FlaAs är heterogena och är indelade i flera undergrupper med molekylmassor som varierar mellan 45 och 52 kDa. FlaB är homogent med en molekylmassa på 53 kDa.

Ofta metyleras lysinresterna av flagelliner. Vidare finns det andra modifikationer såsom glykosylering av FlaA och fosforylering av tyrosinrester av FlaB, vars funktioner är respektive virulens och exportsignal.

Flagellär filamenttillväxt i bakterier

Borrning av bakterier kan elimineras experimentellt och dess regenerering kan studeras. Flagellinunderenheterna transporteras genom den inre regionen av denna struktur. När de når det extrema läggs subenheterna spontant med hjälp av ett protein ("cap protein") som kallas HAP2 eller FliD.

Syntesen av glödtråden sker med egen montering; det vill säga att polymerisationen av flagellin inte kräver enzymer eller faktorer.

Informationen för montering av glödtråden finns i själva underenheten. Således polymeriserar flagellinsubenheterna för att bilda elva protofilamenter, som bildar en komplett enhet.

Flagellinsyntesen av P. aeruginosa och Proteus mirabilis hämmas av antibiotika såsom erytromycin, klaritromycin och azitromycin.

Flagellin som en aktivator av immunsystemet

De första studierna visade att flagellin, vid subnanomolära koncentrationer, från Salmonella, är en potent inducerare av cytokiner i en promonocytisk cellinje.

Därefter visades det att induktionen av det pro-inflammatoriska svaret involverar en interaktion mellan flagellin och ytreceptorerna för celler i det medfödda immunsystemet.

Ytreceptorerna som interagerar med flagellin är toll-5-typen (TLR5). Därefter visade studier med rekombinant flagellin att när det saknade den hypervariabla regionen inte kunde inducera ett immunsvar.

TLR5 finns i celler i immunsystemet, såsom lymfocyter, neutrofiler, monocyter, makrofager, dendritiska celler, epitelceller och lymfkörtlar. I tarmen reglerar TLR5 sammansättningen av mikrobiota.

Gramnegativa bakterier använder typiskt det sekretoriska systemet III för att translokera flagellin till värdcellens cytoplasma, vilket utlöser en serie intracellulära händelser. Således igenkännas flagellin i det intracellulära mediet av proteiner från NAIP-familjen (ett apoptosinhibitorprotein / NLR-familj).

Därefter interagerar flagellin-NAIP5 / 6-komplexet med den NOD-liknande receptorn, vilket genererar värdens svar på infektion och skada.

Flagellin och växter

Växter känner igen detta protein via en flagellinsensing 2 (FLS2) -väg. Det senare är ett leucinupprepningsrikt receptorkinas och är homologt med TLR5. FLS ”samverkar med N-terminalregionen i flagellin.

Bindning av flagellin till FLS2 producerar fosforylering av MAP-kinasvägen, som kulminerar i syntesen av proteiner som förmedlar skydd mot infektion av svampar och bakterier.

I vissa nattskyddsväxter kan flagellin också binda till FLS3-receptorn. På detta sätt skyddar de sig mot patogener som undviker det försvar som medieras av FLS2.

Flagellin som ett adjuvans

Ett adjuvans är ett material som ökar det cellulära eller humorala svaret på ett antigen. Eftersom många vacciner producerar ett dåligt immunsvar, är bra adjuvanser nödvändiga.

Många studier visade effektiviteten av flagellin som ett adjuvans. Dessa undersökningar bestod av att använda rekombinant flagellin i vacciner, utvärderade med användning av djurmodeller. Detta protein har dock ännu inte klarat fas I i kliniska prövningar.

Bland de rekombinanta flagelliner som studerats är: flagellin - epitop 1 av influensavirushematoglutinin; flagellin-epitop av Schistosoma mansoni; flagellin - värmestabilt toxin från E. coli; flagellin - Plasmodiumytprotein 1; och flagellinhöljesprotein från Nilen-viruset, bland andra rekombinanter.

Det finns vissa fördelar med att använda flagellin som ett adjuvans i vacciner för mänskligt bruk. Dessa fördelar är följande:

1) Det är effektivt vid mycket låga doser.

2) De stimulerar inte IgE-svaret.

3) Sekvensen för en annan adjuvans, Ag, kan införas i flagellinsekvensen utan att påverka flagellinsignalvägen via TLR5.

Andra användningar av flagellin

Eftersom flagellingener uppvisar stor variation kan de användas för specifika detekteringar, eller för arter eller stamidentifiering.

Exempelvis har kombinationen av PCR / RFLP använts för att studera distributionen och polymorfismen av flagellingener i E. coli-isolat från Nordamerika.

referenser

1. Hajam, IA, Dar, PA, Shahnawaz, I., Jaume, JC, Lee, JH 2017. Bakteriell flagellin - ett potent immunmodulerande medel. Experimental and Molecular Medicine, 49, e373.
2. Kawamura-Sato, K., Inuma, Y., Hasegawa, T., Horii, T., Yamashino, T., Ohta, M. 2000. Effekt av underhämmande koncentrationer av makrolider på uttryck av flagellin i Pseudomonas aeruginosa och Proteus mirabilis. Antimikrobiella medel och kemoterapi, 44: 2869–2872.
3. Mizel, SB, Bates, JT 2010. Flagellin som adjuvans: cellulära mekanismer och potential. Journal of Immunology, 185, 5677-5682.
4. Prescott, LM, Harley, JP, Klain, SD 2002. Microbiology. Mc Graw-Hill, New York.
5. Schaechter, M. 2009. Skrivbordens encyklopedi för mikrobiologi. Academic Press, San Diego.
6. Winstanley, C., Morgan, AW 1997. Bakteriell flagellingen som biomarkör för detektion, populationsgenetik och epidemiologisk analys. Mikrobiologi, 143, 3071-3084.