ABC轉(zhuǎn)運蛋白結(jié)構(gòu)及其在細菌致病性中的研究進展

陳福暖 黃瑜 蔡佳 王忠良 簡紀常 王蓓

（廣東海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院 廣東省水產(chǎn)經(jīng)濟動物病原生物學(xué)及流行病學(xué)重點實驗室 廣東省水產(chǎn)經(jīng)濟動物病害控制重點實驗室，湛江 524088）

ABC轉(zhuǎn)運蛋白超家族是一個古老的膜蛋白家族，細胞膜作為細胞質(zhì)與外界環(huán)境的結(jié)構(gòu)性屏障，細胞實現(xiàn)內(nèi)外的物質(zhì)交流一般是由細胞膜上的蛋白來決定的。其中主要包括兩種方式：（1）以離子通道及協(xié)助擴散的被動運輸方式使得底物溶質(zhì)順著濃度梯度進行跨膜運輸；（2）以消耗能量的主動運輸方式進行底物溶質(zhì)逆濃度梯度進行跨膜運輸?，F(xiàn)有研究證據(jù)表明，ABC轉(zhuǎn)運蛋白長期演變過程中進化出多種主動運輸模式，跨膜轉(zhuǎn)運多種底物以滿足物種不同的生理需求［1-2］。典型的ABC轉(zhuǎn)運蛋白是一種單向底物轉(zhuǎn)運體，可以通過結(jié)合ATP水解產(chǎn)生的能量來實現(xiàn)對各類底物分子的跨膜轉(zhuǎn)運，包括某些金屬離子、糖類、氨基酸、多肽、蛋白質(zhì)、細菌分泌物及代謝產(chǎn)物和抗生素類藥物等。根據(jù)底物分子運輸方向，ABC 轉(zhuǎn)運蛋白可分為內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白和外向轉(zhuǎn)運蛋白兩類。ABC轉(zhuǎn)運蛋白通常由跨膜結(jié)構(gòu)域（transmembrane binding domain，TMD）和核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域（nucleotide binding domains，NBD）組成。TMD 作用是形成識別并介導(dǎo)底物穿過細胞膜機械性通道，NBD 則是作用于ATP的結(jié)合和水解。

早期對ABC 轉(zhuǎn)運蛋白研究表明，在細胞中ABC 轉(zhuǎn)運蛋白對有毒物質(zhì)的耐受性和抵抗力方面起著關(guān)鍵作用，可以將有毒疏水性化合物隔離到特定的細胞器中，也可以引導(dǎo)它們分泌到細胞質(zhì)中，而后經(jīng)主動運輸排出體外［3］。正是由于需要運輸?shù)孜锒鄻有源偈笰BC轉(zhuǎn)運蛋白參與細胞的多種生理過程，迄今為止，已知人類的ABC家族相關(guān)蛋白變異可以引起多種疾病，如冠心病、慢性特發(fā)性黃疸、腎上腺腦白質(zhì)失養(yǎng)癥、肺癌、免疫缺陷病、囊性纖維病、脂質(zhì)代謝及免疫缺陷病等［4］；ABC 家族蛋白中的多藥耐藥蛋白1（multidrug resistance，MDR1）的過量表達使得腫瘤細胞對部分化療藥物表現(xiàn)出較高的耐藥性；在細菌中，ABC 超家族則參與細菌生長各階段的營養(yǎng)物質(zhì)的攝取、代謝產(chǎn)物與細菌毒性化合物的排出、細菌生物被膜的形成［5-6］。本綜述擬從ABC轉(zhuǎn)運體的結(jié)構(gòu)、作用機制、細菌耐藥性及其在致病性中的作用等幾個方面來介紹ABC轉(zhuǎn)運蛋白的轉(zhuǎn)運機制及相應(yīng)功能。

1 ABC轉(zhuǎn)運蛋白的結(jié)構(gòu)

ABC 轉(zhuǎn)運蛋白核心結(jié)構(gòu)由2個跨膜結(jié)合區(qū)和2個核苷酸結(jié)合區(qū)組成［7］。它們是通過形成同質(zhì)或異質(zhì)二聚體復(fù)合物來結(jié)合和水解ATP的一類轉(zhuǎn)運蛋白。目前為止，大腸桿菌（Escherichia coli）MsbA、BtuCD 及霍亂弧菌（Vibrio cholerae）MsbA轉(zhuǎn)運體NBD 和TMD 晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)被成功解析［8］，其作用方式為位于脂質(zhì)雙分子層的TMD通過在細胞膜內(nèi)形成識別并介導(dǎo)底物穿過細胞膜機械性通道；NBD則位于細胞質(zhì)內(nèi)，具有ATP結(jié)合位點，通過結(jié)合ATP水解產(chǎn)生的能量改變NBD蛋白的構(gòu)象，二者相互協(xié)調(diào)以此完成對底物分子跨膜轉(zhuǎn)運。從結(jié)構(gòu)與功能來看，NBD與TMD共同組成ABC轉(zhuǎn)運蛋白的核心部分，共同發(fā)揮ABC轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運底物的功能。除此以外，有些亞家族比如CUTI（carbohydrate uptake transporter 1）和MOT1（modifier of Transcription 1），存在2個C端附加結(jié)構(gòu)域，可能與NBDs二聚體的形態(tài)相關(guān)聯(lián)。

1.1 核苷酸結(jié)合域

NBD通常由200-300個氨基酸組成，包括兩個部分：Rec A-like亞結(jié)構(gòu)域和螺旋亞結(jié)構(gòu)域［9］。螺旋亞結(jié)構(gòu)域是ABC轉(zhuǎn)運蛋白所特有的，與ATP水解偶聯(lián)底物跨膜轉(zhuǎn)運相關(guān)。所有ABC轉(zhuǎn)運體在NBD內(nèi)有一個長約200個氨基酸的高度保守的片段（表1），包含3個模體（motif），分別是位于RecA-like亞結(jié)構(gòu)域的WalkerA（GXXGXGKS/T，X代表氨基酸）、Walker B（ΦΦΦΦD，Φ代表疏水氨基酸殘基）和Walker C即信號基序（signature motif）（LSGGQ），Walker C是ABC轉(zhuǎn)運蛋白的特征性模體，比如ArsA轉(zhuǎn)運蛋白參與砷酸鹽的轉(zhuǎn)運，其ATP結(jié)合結(jié)構(gòu)域僅具有Walker A和Walker B模體，但是沒有Walker C，因此不屬于ABC轉(zhuǎn)運蛋白家族成員［4］。

表1 核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域保守基序的功能Table 1 Functions of conserved motifs in the nucleotide-binding domain

NBD中存在著幾個環(huán)（loop）區(qū)，其中Q-環(huán)與ATP的γ磷酸基團結(jié)合，連接Rec A-like亞結(jié)構(gòu)域和螺旋亞結(jié)構(gòu)域，可調(diào)節(jié)NBD和TMD之間的相互作用［10］；D-環(huán)則通過改變構(gòu)象控制ATP水解，依托NBDs結(jié)構(gòu)域?qū)崿F(xiàn)細胞間信息的傳遞；H-環(huán)則在催化過程中形成一個活性的中心，連接水解過程中所需要的小分子以此加快催化水解ATP［11-13］。這些保守的基序在折疊的NBDs中聚集在一起形成ATP結(jié)合位點，并在ATP結(jié)合和水解以及能量傳遞中發(fā)揮重要作用［14］（圖1）。如Walker B基序的谷氨酸殘基催化ATP水解［15］。此外，最近研究表明，X-環(huán)僅存在于外向轉(zhuǎn)運蛋白中，位于TM螺旋亞結(jié)構(gòu)域中的信號基序之前，在Sav1866中定義為TEVGERG序列［16］。

圖1 NBD二聚體結(jié)構(gòu)示意圖（Orelle）Fig. 1 Schematic diagram of NBD dimer structure （Orelle）

1.2 跨膜結(jié)構(gòu)域

相對于NBD，TMD保守性較差，這與TMD參與不同底物識別與轉(zhuǎn)移的功能有關(guān)［17］。對于ABC家 族蛋白的單個TMD一般由6個TM（transmembrane）螺旋構(gòu)成，但也存在由多個TM螺旋構(gòu)成，如大腸桿菌的藥物外向轉(zhuǎn)運蛋白Ydd A由5個TM螺旋構(gòu)成［18］。在ABC外向轉(zhuǎn)運蛋白中，兩個TMD結(jié)構(gòu)域形成一個二聚體結(jié)構(gòu)，包含12個跨膜的TM螺旋；ABC內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白中則具有 10-20個TM螺旋。ABC外向轉(zhuǎn)運蛋白的TMDs具有兩個分別位于細胞外和細胞基質(zhì)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。在金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）ABC外向轉(zhuǎn)運蛋白Sav1866中，TMD 延伸到膜邊界外，其偶聯(lián)螺旋環(huán)ICL1（intracellular loops）向細胞質(zhì)中突出約25?，在細胞質(zhì)基質(zhì)內(nèi)的偶聯(lián)螺旋形成的環(huán)（ICL1和ICL2）與單個或兩個NBD結(jié)合形成NBD-TMD界面，并以此從NBD傳遞信息給TMD［19-20］。Q-環(huán)提供了與偶聯(lián)螺旋相互作用的氨基酸殘基［21］，同時有一個保守的位于X-環(huán)谷氨酸鹽可以與兩個偶聯(lián)螺旋結(jié)合，在NBDs與TMDs的相互作用中起重要作用［22］。隨著人們對這一大蛋白質(zhì)家族結(jié)構(gòu)和功能的認識，觀察到4個類型ABC轉(zhuǎn)運蛋白的3D結(jié)構(gòu)［23］（圖2），產(chǎn)生了外向轉(zhuǎn)運蛋白以及I型和II型內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白分類［24-25］。近年來，又發(fā)現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)上不同的蛋白質(zhì)，存在于古細菌和細菌中的能量耦合因子（ECF）轉(zhuǎn)運蛋白［26-27］，被稱為III型內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白。

圖2 ABC轉(zhuǎn)運體結(jié)構(gòu)（Locher）Fig. 2 Structure of ABC transporter（Locher）

2 ABC 轉(zhuǎn)運蛋白的作用機制

原核和真核生物ABC轉(zhuǎn)運蛋白結(jié)構(gòu)的NBD保守性較高及其在結(jié)構(gòu)功能方面的表現(xiàn)出的相似性，ABC轉(zhuǎn)運蛋白在不同物種中發(fā)揮的作用也應(yīng)具有一定的相似性。ABC轉(zhuǎn)運蛋白中的外向轉(zhuǎn)運蛋白存在于所有生物體內(nèi)，而內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白僅存在于細菌和植物中［28-29］。外向轉(zhuǎn)運蛋白的轉(zhuǎn)運過程是在胞內(nèi)的底物分子直接與TMD結(jié)合啟動整個轉(zhuǎn)運過程，而內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白則是外周蛋白捕獲識別底物，進而形成底物-外周蛋白復(fù)合體，然后呈遞給TMD轉(zhuǎn)運蛋白結(jié)合形成SBP-TMD結(jié)構(gòu)，處于外周蛋白中底物分子脫落通過TMD結(jié)構(gòu)進入胞內(nèi)。在細菌中，內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白就這種底物結(jié)合蛋白（substrate-binding protein，SBP）先與底物結(jié)合，隨后與TMD轉(zhuǎn)運蛋白結(jié)合，從而完成底物轉(zhuǎn)運過程。本節(jié)擬從ATP水解偶聯(lián)機制及轉(zhuǎn)運機制來介紹ABC 轉(zhuǎn)運蛋白的作用機制。

2.1 ATP水解偶聯(lián)機制

所有ABC蛋白通過NBD水解ATP為底物運輸提供能量，盡管介導(dǎo)的生理作用各不相同，但NBD的結(jié)構(gòu)卻是高度保守的［30］。NBDs以二聚體形式頭尾相接聚集并于Walker C與另一個NBD上的Walker A之間結(jié)合ATP成三明治結(jié)構(gòu)進而水解ATP（圖1）。NBD二聚體的聚合與ATP水解之間的這種關(guān)系是所有ABC蛋白中共有的保守特征，ABC轉(zhuǎn)運體也可以通過利用ATP以外的核苷酸來驅(qū)動轉(zhuǎn)運。多項研究表明，CTP、GTP和UTP與ATP的親和力非常相似，如鼠傷寒沙門氏菌麥芽糖轉(zhuǎn)運體MalK也可利用GTP和CTP作為能源物質(zhì)，其中對GTP的親和力幾乎與ATP相同［31-33］。對于細胞內(nèi)普遍核苷酸的濃度含量高，這一點值得重視。

對于外向運輸?shù)腁BC 轉(zhuǎn)運蛋白底物轉(zhuǎn)運，膜內(nèi)側(cè)底物可被較高親和力的結(jié)合位點識別并結(jié)合；而構(gòu)象變化后，結(jié)合位點親和力降低以至底物釋放到胞外。ABC轉(zhuǎn)運體的晶體結(jié)構(gòu)為解析ATP水解耦合機制提供了依據(jù)。耦合過程需要利用底物并通過TM螺旋與NBDs的形成的溝槽相互作用將信號從NBDs傳輸?shù)絋MDs。已有研究表明，在未探明晶體結(jié)構(gòu)的ABC轉(zhuǎn)運體中也存在類似的耦合界面［34］。ABC轉(zhuǎn)運體耦合螺旋與已知高分辨率結(jié)構(gòu)的序列比對表明，耦合螺旋是一個功能上相似的基序但其序列并不保守的，這種現(xiàn)象解釋為耦合螺旋與ABC轉(zhuǎn)運體中的NBD的相互作用依賴于特定的側(cè)鏈接觸。

2.2 ABC轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運機制

基于目前已經(jīng)解析晶體結(jié)構(gòu)的ABC轉(zhuǎn)運蛋白可見，SBP與TMD，TMD之間是通過改變構(gòu)象來完成對底物攝取、傳輸和釋放［21］（圖3）。在不同的轉(zhuǎn)運階段，兩個NBD的結(jié)合狀態(tài)與開口方向是動態(tài)變化的，NBD通過控制TMD形成的通道來調(diào)節(jié)膜內(nèi)外的開放，偶聯(lián)ATP的水解產(chǎn)生能量對底物進行轉(zhuǎn)運［23］。ABC內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運過程是：兩個TMD形成一個親水性的底物分子通道，當內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白處于靜息狀態(tài)時，靠近外周質(zhì)且開口向外的通道處于開放狀態(tài)，而朝向胞質(zhì)面的通道則處于關(guān)閉狀態(tài)；當膜外結(jié)合蛋白結(jié)合底物轉(zhuǎn)運時，需要與底物結(jié)合蛋白（substrate binding protein，SBP）形成復(fù)合體，將底物分子傳遞到TMD形成SBP-TMD結(jié)構(gòu)，并通過TMD將信號傳遞到NBD，NBD則激活啟動結(jié)合ATP水解，隨后NBD的構(gòu)象發(fā)生改變形成SBPTMD-NBD結(jié)構(gòu)，底物進入通道后最終被送到胞內(nèi)。然而ABC外向轉(zhuǎn)運蛋白則從胞內(nèi)把底物，如代謝產(chǎn)物、細菌毒性化合物及藥物轉(zhuǎn)運到胞外。雖然已經(jīng)報道了一些高分辨率結(jié)構(gòu)，但還沒有為ABC外向轉(zhuǎn)運蛋白建立明確的共同的機制。其一，大多數(shù)結(jié)構(gòu)因其疏水性以及低親和力結(jié)合而不能揭示結(jié)合確切的底物分子。其二，當從膜上去除ATP等能源物質(zhì)時，ABC外向轉(zhuǎn)運蛋白NBDs顯現(xiàn)開口向內(nèi)的構(gòu)象［35］。

圖3 ABC轉(zhuǎn)運體功能示意圖（Locher）Fig. 3 Schematic diagram of ABC transporter function（Locher）

3 細菌多藥ABC轉(zhuǎn)運體類別與功能

在細菌中存在多種藥物轉(zhuǎn)運能力的ABC轉(zhuǎn)運蛋白，由于其功能具有重疊性，因此不易確定具體的ABC轉(zhuǎn)運蛋白，如枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、金黃色葡萄球菌和大腸桿菌可能攜帶多達30個藥物外向轉(zhuǎn)運蛋白［14，36-37］。除此之外，一些ABC轉(zhuǎn)運體通常與雙組分調(diào)節(jié)系統(tǒng)相關(guān)，使其對抗菌肽產(chǎn)生耐藥性［38］。目前，對于確定多藥ABC轉(zhuǎn)運體的方法有3種：基因敲除、細菌分離培養(yǎng)以及大腸桿菌過表達轉(zhuǎn)運蛋白。以下對于已確定多藥ABC轉(zhuǎn)運蛋白結(jié)構(gòu)特點進行介紹。

3.1 具有相同NBD轉(zhuǎn)運體/同源二聚體的ABC轉(zhuǎn)運蛋白

乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）中發(fā)現(xiàn)第一個同源二聚體多藥ABC轉(zhuǎn)運蛋白LmrA［39］。通過在大腸桿菌過表達lmrA的藥敏實驗中，LmrA的過表達導(dǎo)致了對多種的藥物產(chǎn)生耐藥性［40］，如乙啡啶、羅丹明、道諾霉素和TPP+等，此外，道諾霉素在倒置膜泡中的積累依賴于ATP水解，并受到藥物流出泵抑制劑利血平的抑制。此外對與LmrA的具有高度同源性的枯草芽孢桿菌的一個膜蛋白BrmA進行了研究，同樣證明其運輸多種藥物的能力，如阿霉素和7-氨基放線菌素D，還有來自大腸桿菌的MacAB/TolC、波賽鏈霉菌（Streptomyces peucetius）的DrrAB［41-44］。

3.2 具有非對稱NBD的轉(zhuǎn)運體/異源二聚體ABC轉(zhuǎn)運蛋白

非對稱的NBD的多藥轉(zhuǎn)運體形成的主要原因是NBD的信號基序中的一些殘基被其他殘基取代。乳酸乳球菌中主要的多藥耐藥轉(zhuǎn)運蛋白LmrCD，其表達受到名為LmrR的轉(zhuǎn)錄抑制因子的控制［45-46］，藥物結(jié)合LmrR降低其對LmrCD啟動子的親和力，從而誘導(dǎo)轉(zhuǎn)運子的表達，BmrCD是枯草芽孢桿菌轉(zhuǎn)運蛋白，抗生素靶向蛋白合成通過核糖體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄衰減機制誘導(dǎo)其表達［47］。在大腸桿菌細胞膜中過表達時，BmrCD可轉(zhuǎn)運多種藥物，如阿霉素或米托蒽醌等，PatAB在肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumoniae）多藥耐藥中的意義首次得到證實，其基因失活增加了細菌對幾種藥物的敏感性：溴化乙硫、小檗堿、吖啶黃和諾氟沙星［48］。將實驗室所培育的菌株暴露于環(huán)丙沙星后，分離出一株多藥耐藥菌株，發(fā)現(xiàn)其PatA和PatB基因表達上調(diào)［49］。對大腸桿菌中過表達轉(zhuǎn)運蛋白的研究表明，只有異源二聚體具有藥物外排的功能，PatAB強烈傾向于將GTP作為能量來源來外排藥物，特別是在37℃時［50］。

4 細菌致病過程中ABC轉(zhuǎn)運蛋白發(fā)揮的的相應(yīng)功能

4.1 外向轉(zhuǎn)運蛋白與細菌致病性的聯(lián)系

外向轉(zhuǎn)運蛋白是ABC轉(zhuǎn)運蛋白家族中普遍存在的一個分支，其存在于幾乎所有生命體中。目前原核生物中已確認的外向轉(zhuǎn)運蛋白亞族有40種，這些蛋白密切參與生物合成途徑［51］（圖4），如禾谷鐮刀菌（Fusarium graminearum）ABC轉(zhuǎn)運FgArb1通過調(diào)控病原菌對氧化和細胞壁脅迫的響應(yīng)、DON毒素的合成，從而調(diào)控病菌在寄主組織中的侵染生長，現(xiàn)有研究表明對FgArb1進行基因敲除發(fā)現(xiàn)禾谷鐮刀菌突變體完全喪失致病性［52］；通過對變形假單胞桿菌（Pseudomonas plecoglossicida）ABC轉(zhuǎn)運蛋白基因進行穩(wěn)定沉默后侵染斜帶石斑魚轉(zhuǎn)錄組分析，病原菌的大量差異基因集中在新陳代謝的過程中，證明ABC轉(zhuǎn)運蛋白確實起著重要的轉(zhuǎn)運物質(zhì)功能［53］；同時參與糖綴合物的合成、磷壁酸、蛋白質(zhì)分泌以及細胞表面蛋白等［12，54-55］。

圖4 革蘭氏陰性細胞中ABC轉(zhuǎn)運蛋白參與細菌致病性的作用（Victoria）Fig. 4 Roles associated with ABC transporters involved in bacterial pathogenicity in a model Gram-negative cell（Victoria）

4.1.1 糖綴合物的合成 原核生物有3種細胞表面糖綴合生物合成途徑，根據(jù)其內(nèi)膜運輸機制分為Wzx/Wzy依賴途徑、ABC轉(zhuǎn)運體依賴途徑和合酶依賴途徑。ABC轉(zhuǎn)運蛋白依賴途徑介導(dǎo)了所有主要類型的細胞表面糖綴合物的糖鏈的轉(zhuǎn)運，包括糖蛋白、磷壁酸、莢膜多糖（CPS），這些糖綴合物在細胞內(nèi)膜以糖基轉(zhuǎn)移的方式完成聚合；然后，ABC轉(zhuǎn)運蛋白以ATP依賴的方式將完整的糖綴合物轉(zhuǎn)運到膜外。目前在大腸桿菌和流感嗜血桿菌（Haemophilus influenzae）中CPS生物合成的研究中，ABC外向轉(zhuǎn)運蛋白參與了多聚糖外排［56-57］。向外分泌的多糖如O抗原、磷壁酸、CPS和EPS（Exopolysaccharide）都在致病菌的毒力中發(fā)揮重要作用，它們在細胞信號傳遞、生物被膜形成和逃避宿主免疫應(yīng)答方面發(fā)揮著多種作用。

4.1.2 磷壁酸 在革蘭氏陽性菌中，肽聚糖是細胞壁中重要組成部分，其周圍密布著磷壁酸，磷壁酸通過ABC轉(zhuǎn)運蛋白分泌到細胞表面，并以共價鍵的方式連接在肽聚糖中［12］。對于ABC轉(zhuǎn)運蛋白對磷壁酸的轉(zhuǎn)運，在枯草芽孢桿菌［58］和金黃色葡萄球菌［59］中被證明對細菌生存至關(guān)重要。磷壁酸在幾種致病菌中是一種非蛋白黏附素毒力因子，在金黃色葡萄球菌中磷壁酸有助于其在宿主細胞內(nèi)黏附與定植，最顯著的是在宿主定植過程中對人類上皮細胞和內(nèi)皮細胞的黏附，如在條件致病性的表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis）中，磷壁酸與纖維蛋白黏附有關(guān)［60-61］，然而，尚未確定表皮葡萄球菌的磷壁酸分泌系統(tǒng)。

4.1.3 蛋白分泌 原核生物蛋白分泌主要通過II型分泌系統(tǒng)，但同時也存在I型、III型和VI型分泌系統(tǒng)［62-63］。其中I型分泌途徑是依賴ABC轉(zhuǎn)運體的機制。迄今為止，超過25個ABC外向轉(zhuǎn)運蛋白家族（TCIDs：3.A.1.109-113，116，118，119，123，124，126-134）已被證實與I型蛋白分泌功能有關(guān)，它們分別對毒素、抗菌肽、鐵載體蛋白、水解酶和細胞表面蛋白等均有轉(zhuǎn)運功能。許多分泌蛋白在入侵或定植方面發(fā)揮作用，而抗菌肽在與其他細菌競爭中發(fā)揮作用，但目前研究中，此類蛋白分泌與它們的毒力的強弱沒有直接關(guān)系。

4.1.4 細胞表面蛋白 細胞表面蛋白在蛋白質(zhì)水解、肽聚糖分解代謝、黏附和免疫逃避中發(fā)揮重要作用［64］。其通常由單一蛋白或糖蛋白組成。大多數(shù)細菌的細胞表面蛋白是通過II型分泌途徑輸出的，但也發(fā)現(xiàn)了許有3種I型分泌細菌表面蛋白：Crs、CsxA和CsxB［65］。這些蛋白是毒力因子，與逃避宿主防御有關(guān)，如血清的吞噬和殺菌活性［66］。

4.1.5 毒素 最典型的I型分泌系統(tǒng)屬于RTX（repeats-in-toxin）蛋白家族，位于蛋白質(zhì)羧基末端區(qū)域富含重復(fù)的甘氨酸和天冬氨酸形成鈣離子結(jié)合位點，蛋白家族成員大小從40-600 kD不等［67］。同時RTX毒素是一種I型分泌系統(tǒng)依賴性分泌蛋白，并且廣泛存在于多種革蘭氏陰性哺乳動物病原體中［68］，如尿道致病性大腸桿菌α-hemolysin（Hly）分泌系統(tǒng)中的HlyA，hlyCABD操縱子編碼 I 型分泌系統(tǒng)和 HlyA 合成所需的基因，而其所在的Hly轉(zhuǎn)運子屬于ABC轉(zhuǎn)運蛋白，由HlyB、HlyD、TolC組成，HlyC則是參與HlyA成熟的?；D(zhuǎn)移酶。在細胞內(nèi)HlyA觸發(fā)HlyB與HlyD相互作用在細胞膜上形成TMD-NAD通道，由TolC呈遞到胞外，并通過自身空間折疊形成具有生物活性的毒素，以單體的形式嵌入細胞膜靶位形成親水孔道，將細胞內(nèi)K+和細胞外Ca+交換導(dǎo)致溶血，進而感染尿道，出現(xiàn)急性膀胱炎和腎盂腎炎，病情嚴重者可導(dǎo)致溶血性尿毒癥發(fā)生［12，69］。

4.2 內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白與細菌致病性的聯(lián)系

ABC內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白有助于從細菌從外環(huán)境中獲得必需物質(zhì)，這類ABC轉(zhuǎn)運蛋白在原核生物、古細菌和植物中被發(fā)現(xiàn)，但在真核生物中卻不存在。ABC內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白根據(jù)結(jié)構(gòu)特征被進一步細分為兩類，I型內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白和II型內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白［21］。I型內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白與小分子運輸有關(guān)，如離子和氨基酸，在每個TMD亞基中有5-8個TM螺旋。II型內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白與大分子運輸有關(guān)，如金屬螯合物和維生素，并且在每個TMD亞基中有10個TM螺旋［70］。現(xiàn)有研究表明，結(jié)核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis）ABC內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白LpqY/SugABC，轉(zhuǎn)運二糖及海藻糖與細菌毒力有關(guān)聯(lián)。海藻糖作為結(jié)核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis）細胞被膜的關(guān)鍵組成部分，通過LpqY/SugABC介導(dǎo)海藻糖逆濃度運輸進入胞內(nèi)進而形成胞內(nèi)外循環(huán)來維持結(jié)合分枝桿菌毒力［71］；此外，在人感染無乳鏈球菌（Streptococcus agalactiae）CS101過程中，一類參與氨基酸攝入、血紅素合成、孢子形成以及與主要毒力因子SpeB半胱氨酸蛋白酶的表達有關(guān)的Opp（oligopeptide）ABC內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白，通過降低纖維蛋白原結(jié)合蛋白FbsA的表達觀察到粘附上皮細胞的減少，證明肽攝取在病原菌入侵中起著重要作用，但其機制可能是通過環(huán)境感應(yīng)［51］。

在宿主體內(nèi)存在先天性防御機制限制病原微生物營養(yǎng)的利用，以防止病原微生物的定植。因此，一些ABC內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白也在體內(nèi)定植和傳播中發(fā)揮重要作用。例如宿主體內(nèi)維生素B12在自然殺傷細胞的激活和淋巴細胞的產(chǎn)生中起著重要作用，有人提出細菌通過清除體內(nèi)維生素B12來增加在宿主體內(nèi)生存率，現(xiàn)已在大腸桿菌里鑒定出依賴維生素B12內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白BtuCED（TCID 3.A.1.13）［72］，但是，尚未在體內(nèi)感染中確定ABC內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白利用轉(zhuǎn)運維生素B12定植宿主體內(nèi)這一作用機制；同樣還有Mn/Zn/Fe螯合轉(zhuǎn)運體家族，奈瑟氏菌FbpA的親和力使其能夠直接從載鐵蛋白中剝離出Fe3+，供病原體使用［73-74］、錳轉(zhuǎn)運蛋白是來自人類主要病原體鏈球菌肺炎的PsaBCA滲透酶缺失將導(dǎo)致體內(nèi)毒力完全衰減［75-76］。

5 總結(jié)與展望

原核生物的ABC轉(zhuǎn)運體表現(xiàn)出顯著的功能多樣性，其中一些功能是致病菌的毒力所必需的。然而，許多ABC轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的生理功能仍有待闡明。盡管ABC轉(zhuǎn)運蛋白對毒力方面有明顯的作用，但與在真核生物疾病中ABC轉(zhuǎn)運蛋白的作用不同，原核生物ABC轉(zhuǎn)運蛋白很少與多藥外排相關(guān)。在致病菌中，ABC轉(zhuǎn)運蛋白可發(fā)揮逃避或抵抗宿主防御的作用，同時還具有定殖在宿主體內(nèi)功能，因此，與ABC轉(zhuǎn)運蛋白相關(guān)的細胞表面或分泌因子很可能是抗菌療法或疫苗開發(fā)的作用靶點，為細菌性疾病的預(yù)防提供了新的思路。然而，在這方面的應(yīng)用依賴于對ABC轉(zhuǎn)運體明確的生理功能和毒性作用機制，因此顯然需要對ABC轉(zhuǎn)運蛋白在細菌致病性中的作用這一前沿領(lǐng)域進行更多的研究。