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细菌膜囊泡的类型和形成机制| Nature Reviews Microbiology

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细菌膜囊泡的类型和形成机制| Nature Reviews Microbiology
细菌释放膜囊泡(membrane vesicles, MVs),其直径范围为20-400 nm,影响多种生物过程,包括毒力因子的运输、DNA转移、噬菌体的拦截、抗生素和真核宿主防御因子、细胞解毒、细胞代谢物输出、细胞间通讯等。微生物MVs还具有免疫调节活性,因此可用作疫苗,并显示出开发抗癌药物和纳米技术应用的巨大潜力。沿海和开放海洋海水中的细菌MVs很多,这意味着这些结构对于海洋生态系统中的碳循环非常重要。MVs在微生物生物膜中也很丰富,它们是生物膜基质的组成部分,可以保护生物膜细胞免受某些抗生素的侵害。

首先发现MVs通过革兰氏阴性细菌外膜的受控起泡产生,因此通常称为外膜囊泡(outer-membrane vesicles, OMV)。OMVs的组成及其生物学功能,以及各种OMVs形成机制和潜在的环境触发因素,已在许多优秀文章中进行了总结。近期,Nature Reviews Microbiology(影响因子:31.851)上的一篇综述重点介绍了除了OMVs之外还存在其他类型的MVs,包括外-内膜囊泡(outer-inner membrane vesicles, OIMV)、细胞质膜囊泡(cytoplasmic membrane vesicles, CMV)和管状膜状结构(tube-shaped membranous structures, TSMS),以及MVs也可由噬菌体内溶素触发的细胞裂解形成。在这些研究的基础上,该综述提出不同的形成路线导致不同类型的MVs,并且它们的结构和组成反映了它们形成的路径。该综述总结了已发表的证据,表明源自细胞裂解的MVs不同于源自活细胞膜起泡的MVs,并且这对其组成和含量以及可能的功能有影响。

膜泡的类型。a、外膜囊泡(outer-membrane vesicles, OMV)由外膜起泡产生,因此由单个膜组成;b、相比之下,外-内膜囊泡(outer-inner membrane vesicles, OIMV)具有两个分别来自外膜(绿色)和内膜(紫色)的双层膜,并且在膜之间存在肽聚糖;c、革兰氏阳性细菌可以产生细胞质膜囊泡(cytoplasmic membrane vesicles, CMV),图示为枯草芽孢杆菌产生的CMV;d、管状膜状结构(tube-shaped membranous structures, TSMS)被认为是一种特殊类型的膜囊泡,图示为枯草芽孢杆菌形成连接相邻细胞的细胞间纳米管;f、创伤弧菌形成分段管,可从中夹断OMV。

不同的途径导致形成不同的膜囊泡类型。革兰氏阴性细菌有两种主要的囊泡形成途径有:外膜起泡和爆炸性细胞裂解。起泡导致外膜囊泡(OMVs)的产生,并且由于细胞包膜紊乱而发生,这可能由肽聚糖生物合成的不平衡或疏水分子插入外膜引起。由于内膜保持完整,细胞质成分无法直接进入这些OMVs。爆炸性细胞裂解由噬菌体衍生的细胞内溶素触发,其降解肽聚糖细胞壁。一旦肽聚糖被降解,细胞就会聚集并爆炸,并且破碎的膜片段向上聚集并自组装成外-内膜囊泡(OIMVs)和爆炸性外膜囊泡(EOMVs)。与起泡形成的OMVs相比,EOMVs随机含有细胞质成分。细胞内溶素还在革兰氏阳性细菌中引发“鼓泡细胞死亡”,在这过程中产生细胞质膜囊泡(CMVs)。 CMVs可含有膜和细胞质成分。其它肽聚糖破坏性酶和处理可能与内溶素具有相似的后果。在革兰氏阴性细菌中,还报道了由内膜产生的CMVs,但其基本机制尚不清楚。

抗生素和细菌囊泡。用亚致死浓度的某些抗生素处理细菌是细菌囊泡形成的明确触发因素。抗生素刺激膜囊泡(MV)形成至少三种机制:由抗生素引起的细胞包膜应激、SOS应答的诱导和细胞壁生物合成的抑制。

诱导膜囊泡形成的不同触发因素。某些生长条件,例如铁限制和抗生素可以影响革兰氏阴性细菌中的脂质稳态并引发外膜的起泡。包括信号分子在内的疏水性分子(如假单胞菌喹诺酮信号(PQS))和膜靶向抗生素的插入也引发了起泡。抗生素和DNA损伤剂可以通过SOS反应诱导噬菌体衍生的细胞内溶素的表达,这可以通过革兰氏阴性细菌中的爆炸性细胞裂解和革兰氏阳性细菌中的“鼓泡细胞死亡”来触发囊泡形成。其它肽聚糖降解酶也可能引发爆炸性细胞裂解和鼓泡细胞死亡。β-内酰胺抗生素影响细胞壁的完整性,因此可以诱导膜囊泡的形成,这类似于最终在“鼓泡细胞死亡”中发生的情况。

噬菌体感染过程中膜囊泡的作用。噬菌体特异性地感染携带匹配的噬菌体受体的细胞。当噬菌体在感染的细胞中表达细胞内溶素时,所得的膜囊泡(MVs)也携带噬菌体受体。一方面,这些MVs可以吸附细胞外噬菌体并起到诱饵的作用,保护其它细胞免受感染;另一方面,当这些MVs与先前的抗性细胞融合时,它们可以转移噬菌体受体使靶细胞对噬菌体敏感。

参考文献:
Masanori Toyofuku, Nobuhiko Nomura & Leo Eberl. Types and origins of bacterial membrane vesicles. Nature Reviews Microbiology volume 17, pages13–24 (2019)  DOI:10.1038/s41579-018-0112-2 影响因子:31.851

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