ФЛАГЕЛІНА: БУДОВА ТА ФУНКЦІЇ - БІОЛОГІЯ - 2025

Флажеліну є білок нитки, яка представляє собою структуру , яка є частиною джгутиків бактерій. Переважна більшість бактерій мають лише один тип флагеліну. Однак деякі мають більше двох.

Молекулярний розмір цього білка коливається між 30 кДа та 60 кДа. Наприклад, у Enterobacteriaceae його молекулярний розмір великий, тоді як у деяких прісноводних бактерій він невеликий.

Джерело: Дартмутський електронний мікроскоп, Дартмутський коледж

Флагеллін - фактор вірулентності, який дозволяє адгезію клітини господаря та інвазії. Крім того, він є потужним активатором багатьох типів клітин, що беруть участь у вродженій та адаптивній імунній відповіді.

Ультраструктура джгутика і рухливість

Джгутик прикріплений до клітинної поверхні. Він складається з трьох частин: 1) нитка, яка тягнеться від поверхні клітини і являє собою жорстку, порожнисту циліндричну структуру; 2) базальне тіло, яке вбудоване в клітинну стінку і мембранні шари, утворюючи кілька кілець; і 3) гачок, коротка вигнута структура, що приєднує базальне тіло до нитки.

Базальне тіло - найскладніша частина джгутика. У грамнегативних бактеріях є чотири кільця, з'єднані з центральним стовпчиком. У грам позитиві він має два кільця. Обертальний рух джгутика відбувається в базальному тілі.

Розташування джгутиків на поверхні бактерій сильно різниться між організмами і може бути: 1) однодольним, маючи лише один джгутик; 2) полярні, з двома і більше; або 3) перитрих, з багатьма бічними джгутиками. Існують також ендофлагели, як у спірохетах, які розташовані в периплазматичному просторі.

Helicobacter pylori дуже рухливий, оскільки має шість-вісім однополярних джгутиків. Градієнт рН через слиз дозволяє H. pylori зорієнтуватися та встановитись у зоні, що прилягає до епітеліальних клітин. Псевдомонас має полярний джгутик, який виявляє хемотаксис із цукрів і асоціюється з вірулентністю.

Будова флагеліну

Вражаюча особливість послідовності білка флагелліну полягає в тому, що його N-кінцеві та С-кінцеві області відрізняються високою консервацією, тоді як центральна область сильно відрізняється між видами та підвидами одного роду. Ця гіперваріативність є причиною сотні серотипів Salmonella spp.

Молекули флагелліна взаємодіють між собою через кінцеві ділянки і полімеризуються, утворюючи нитку. При цьому кінцеві ділянки знаходяться у напрямку до внутрішньої частини циліндричної структури нитки, тоді як центральна розташована назовні.

На відміну від ниток тубуліну, які деполімеризуються за відсутності солей, бактерії дуже стійкі у воді. Близько 20 000 субодиниць тубуліну утворюють нитку.

У нитці H. pylori та Pseudomonas aeruginosa полімеризуються два типи флагелліну: FlaA та FlaB, кодовані геном fliC. FlaA є неоднорідними і поділяються на кілька підгруп, молекулярні маси коливаються між 45 і 52 кДа. FlaB однорідний з молекулярною масою 53 кДа.

Часто залишки лізину джгутиків метилюються. Крім того, існують інші модифікації, такі як глікозилювання FlaA та фосфорилювання залишків тирозину FlaB, функціями яких є відповідно вірулентність та експортний сигнал.

Зростання джгутикових ниток у бактерій

Бич бактерій може бути усунений експериментально, і її регенерація може бути вивчена. Субодиниці флагелліна транспортуються через внутрішню область цієї структури. Коли вони доходять до крайності, субодиниці додаються мимовільно за допомогою білка ("кришкового білка") під назвою HAP2 або FliD.

Синтез нитки відбувається за допомогою власної збірки; тобто полімеризація флагеліну не потребує ферментів чи факторів.

Інформація для складання нитки знаходиться в самій субодиниці. Таким чином, флагеллін субодиниці полімеризуються, утворюючи одинадцять протофіламентів, які утворюють повний.

Синтез флагелліну P. aeruginosa та Proteus mirabilis інгібується антибіотиками, такими як еритроміцин, кларитроміцин та азитроміцин.

Флагеллін як активатор імунної системи

Перші дослідження показали, що флагеллін у субнаномолярних концентраціях від сальмонели є потужним індуктором цитокінів у промоноцитарній клітинній лінії.

Згодом було показано, що індукція протизапальної відповіді передбачає взаємодію флагелліну з поверхневими рецепторами клітин вродженої імунної системи.

Поверхневими рецепторами, які взаємодіють з флагелліном, є тип платника-5 (TLR5). Згодом дослідження з рекомбінантним флагелліном показали, що, коли йому не вистачало гіперваріабельної області, він не міг викликати імунну відповідь.

TLR5 присутні в клітинах імунної системи, таких як лімфоцити, нейтрофіли, моноцити, макрофаги, дендритні клітини, епітеліальні клітини та лімфатичні вузли. У кишечнику TLR5 регулює склад мікробіоти.

Грамнегативні бактерії зазвичай використовують секреторну систему типу III для переміщення флагелліну в цитоплазму клітини хазяїна, ініціюючи серію внутрішньоклітинних подій. Таким чином, флагеллін у внутрішньоклітинному середовищі розпізнається білками сімейства NAIP (сімейство білків інгібіторів апоптозу / сімейство NLR).

Posteriormente, el complejo flagelina-NAIP5/6 interactúa con el receptor tipo NOD, lo cual genera la respuesta del hospedador a la infección y al daño.

La flagelina y las plantas

Las plantas reconocen esta proteína por una vía sensing 2 de la flagelina (FLS2). Este último es un receptor quinasa rico en repeticiones de leucina y es homólogo de TLR5. FLS” interactúa con la región N-terminal de la flagelina.

La unión de la flagelina a FLS2 produce la fosforilación de la vía MAP quinasa, la cual culmina con la síntesis de proteínas que median la protección contra la infección de hongos y bacterias.

En algunas plantas solanáceas, la flagelina también se puede unir al receptor FLS3. De esta manera, estas se protegen contra patógenos que evaden la defensa mediada por FLS2.

Flagelina como adyuvante

Un adyuvante es un material que incrementa la respuesta celular u humoral a un antígeno. Debido a que muchas vacunas producen una pobre respuesta inmunológica, es necesario contar con buenos adyuvantes.

Numerosos estudios demostraron la efectividad de la flagelina como adyuvante. Estas investigaciones consistieron en utilizar la flagelina recombinante en vacunas, evaluadas mediante modelos animales. Sin embargo, aun falta que esta proteína supere la Fase I de ensayos clínicos.

Entre las flagelinas recombinantes estudiadas se encuentran: flagelina–epitope 1 de la hematoglutinina del virus de la influenza; flagelina–epitope de Schistosoma mansoni ; flagelina–toxina estable al calor de E. coli ; flagelina –proteína 1 de la superficie de Plasmodium ; y flagelina–proteína de la envoltura del virus del Nilo, entre otras recombinantes.

Existen algunas ventajas de usar flagelina como adyuvante en vacunas de uso humano. Estas ventajas son las siguientes:

1) Es efectiva a dosis muy bajas.

2) No estimulan la respuesta IgE.

3) Se puede insertar la secuencia de otro adyuvante, Ag, en la secuencia de flagelina sin afectar la vía de señalamiento de la flagelina vía TLR5.

Otros usos de la flagelina

Debido a que los genes de la flagelina exhiben una amplia variación, pueden utilizarse para realizar detecciones específicas, o lograr la identificación de especies o cepas.

Por ejemplo, la combinación de PCR/RFLP se ha utilizado para estudiar la distribución y el polimorfismo de genes de la flagelina en aislados de E. coli de Norteamérica.

Referencias

1. Hajam, I. A., Dar, P. A., Shahnawaz, I., Jaume, J. C., Lee, J. H. 2017. Bacterial flagellin – a potent immunomodulatory agent. Experimental and Molecular Medicine, 49, e373.
2. Kawamura-Sato, K., Inuma, Y., Hasegawa, T., Horii, T., Yamashino, T., Ohta, M. 2000. Effect of subinhibitory concentrations of macrolides on expression of flagellin in Pseudomonas aeruginosa and Proteus mirabilis . Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 44: 2869–2872.
3. Mizel, S. B., Bates, J. T. 2010. Flagellin as an adjuvant: cellular mechanisms and potential. Journal of Immunology, 185, 5677–5682.
4. Prescott, L. M., Harley, J. P., Klain, S. D. 2002. Microbiology. Mc Graw-Hill, Nueva York.
5. Schaechter, M. 2009. The desk encyclopedia of microbiology. Academic Press, San Diego.
6. Winstanley, C., Morgan, A. W. 1997. The bacterial flagellin gene as biomarker for detection, population genetics and epidemiological analysis. Microbiology, 143, 3071–3084.