口腔

唾液酸及唾液酸酶在细菌生存与致病中的作用

作者:李琛,徐晓宇,潘亚萍 来源:中国实用口腔科杂志 日期:2017-04-18
导读

         唾液酸是一种九碳糖酸,广泛存在于真核细胞和原核细胞细胞膜糖结合物的末端,在血清与唾液中普遍存在。

  唾液酸是一种九碳糖酸,广泛存在于真核细胞和原核细胞细胞膜糖结合物的末端,在血清与唾液中普遍存在。一部分细菌自身可以合成唾液酸,但另一部分细菌自身不能合成唾液酸,需通过自身合成的唾液酸酶将环境中结合的唾液酸游离出来为己所用。目前研究表明,唾液酸及唾液酸酶有3个功能:第一,参与细菌营养供给,维持细菌生长;第二,参与细菌细胞结构的生物合成和修饰;第三,参与细菌与细胞的相互作用。不同细菌利用唾液酸的方式不同,唾液酸酶的功能也有所差异。文章着重对唾液酸及唾液酸酶在细菌生存和致病中的作用做一综述。

   1.唾液酸与唾液酸酶

  唾液酸是一种九碳糖酸,在真核细胞和原核细胞中用于修饰细胞分子,通常位于糖结合物如糖蛋白、糖脂的末端,这些糖结合物在真核细胞表面、血清及唾液中普遍存在。有研究表明,唾液酸与细菌营养、细菌细胞结构形成及细菌与细胞的相互作用等有关。细菌利用的唾液酸来源有2种,即内源性合成和外源性分解。

  有些细菌本身具有合成唾液酸的能力,通过自身代谢合成唾液酸,即内源性合成;而另一些细菌通过唾液酸酶水解糖结合物最末端的残基获得唾液酸,即外源性分解。因此,细菌编码的唾液酸酶及其在不同细菌中的功能倍受学者们的关注。唾液酸酶是一种水解酶,可以选择性地水解糖结合物末端的残基,从而获得游离的唾液酸。

  唾液酸酶分2类:内切酶和外切酶。内切酶能够切割α-(2→8)键的唾液酸残基,外切酶能够切割α-(2→3)、α-(2→6)和α-(2→8)键的唾液酸残基。细菌的唾液酸酶可能与细菌的生长和毒性有关。Thompson等发现,福赛坦纳菌唾液酸酶基因(NanH基因)参与唾液酸的代谢;Honma等发现,福赛坦纳菌的NanH基因同样参与了其与上皮细胞的相互作用。此外,Banerjee等研究表明,肺炎链球菌唾液酸酶与细菌的内化有关。Tong等研究发现,肺炎链球菌唾液酸酶(NanA)突变株丧失了黏附的能力。可见,唾液酸酶在细菌的生存与致病过程中所起的作用不容忽视。

  2.细菌获得唾液酸的途径

  总的来说,细菌获得唾液酸的途径有2种,即内源性合成和外源性分解。研究表明,大肠杆菌K1、脑膜炎奈瑟球菌和空肠弯曲菌自身有合成唾液酸所需基因,能够利用N-乙酰氨基葡萄糖(UDP-GlcNAc),经过NeuC和NeuB的修饰最终转化为游离的唾液酸。有些细菌能够分泌唾液酸酶,通过唾液酸酶分解环境中糖结合物的末端残基,从而获得游离的唾液酸。还有少部分细菌如流感嗜血杆菌,本身不能合成唾液酸又缺少唾液酸酶,是利用其他细菌唾液酸酶分解获得的唾液酸来为己所用。

  3.唾液酸转入细菌细胞内的途径

  某些细菌通过外源性分解的过程获得唾液酸,需经一定机制将其转移至细胞内为细菌所用,这个转运过程需要先后穿越细胞外膜和内膜。学者们在不同细菌中发现了3种穿过外膜的机制:(1)大肠杆菌K12通过唾液酸转运蛋白(NanT)将唾液酸转运到细胞内,这是一个典型的二次转运系统。(2)流感嗜血杆菌和多杀巴斯德菌通过一种不依赖ATP的细胞周质蛋白,即唾液酸三重ATP依赖胞质转运蛋白(SiaPQM)进行唾液酸的转运。与NanT不同的是,SiaPQM利用细胞质外的可溶受体实现转运过程,其中SiaP可与游离唾液酸特异性结合,而其他两部分则与ATP结合的转运子相似。(3)在杜克雷嗜血菌中学者发现了ATP结合转运蛋白(SatABCD),关于这个转运子的特点尚未被深入探讨。可见,细菌获得唾液酸的机制是多样的。唾液酸穿过细菌内膜主要是通过外膜蛋白C(OmpC)和外膜蛋白F(OmpF)实现,但近来也有学者发现,在这2种蛋白不存在的条件下,唾液酸酶也可经过受唾液酸酶诱导的唾液酸特异性细胞外膜孔道蛋白C(NanC)转运至细胞内。

   4.唾液酸在细菌生存中的作用

  在大肠杆菌和流感嗜血杆菌中唾液酸可作为自身的碳源和氮源,途径为将细胞内游离的唾液酸经过唾液酸醛缩酶(NanA)作用分解成N-乙酰甘露糖胺(ManNAc),然后参与糖酵解途径。有研究表明,唾液酸是形成生物膜基质的重要成份,唾液酸的功能之一就是使真核细胞和原核细胞表面结构唾液酸化,这是一种修饰作用。虽然目前唾液酸化的作用尚不明了,但有研究表明,流感嗜血杆菌细菌表面结构如脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)的唾液酸化有助于细菌形成生物膜。

  5.唾液酸在细菌荚膜生物合成中的作用

  5.1细菌荚膜

  细菌荚膜是包绕在细菌细胞壁外面的黏性物质,对细菌生存具有重要意义。细菌不仅可利用荚膜抵御不良环境,保护自身不受白细胞吞噬,且能有选择地黏附到特定细胞表面,表现出对靶细胞的专一攻击能力。荚膜由高度亲水性的多糖构成,含量约占荚膜总重的99%。常规显微镜无法看到,但可通过印度墨汁染色观察到包绕在细胞周围的光圈,或利用其他技术如扫描电子显微镜术和荧光技术等能清楚地观察到荚膜形态。

  5.2与荚膜形成相关的基因

  新生隐球菌荚膜相关基因为CAP基因,包括CAP59、CAP60、CAP64和CAP10,这4种荚膜相关基因已依次被克隆并测序。专家们对这些基因编码的蛋白进行了研究,结果显示,Cap59蛋白具有1个跨膜区域,在荚膜分泌机制中起重要作用,还有研究认为CAP59基因与L27基因有关,这种L27基因编码一种在新生隐球菌运输荚膜多糖分泌小泡中出现的核糖体蛋白;CAP64基因的删除会导致小鼠体内新生隐球菌无荚膜突变体的产生,与CAP59相同,CAP64突变体经插入相应基因后其荚膜表达和毒性都会恢复;CAP60与CAP59位置相近,两者具有相似性;CAP10基因与一种编码木糖基转移酶的基因具有同源性,与前3种基因产物位于细胞核有所不同,其基因产物位于胞质内。

  大肠杆菌Ⅰ和Ⅳ型荚膜形成的相关基因有Wza、Wzc、Wzx和Wzy等,Ⅱ和Ⅲ型荚膜与Neu基因、ABC转运子和荚膜输出系统(Kps系统)的基因有关。牙龈卟啉单胞菌荚膜合成的机制尚不明了,但有学者发现了一些与牙龈卟啉单胞菌荚膜合成相关的基因。Brunner等用基因敲除法发现,P.gingivalis的荚膜形成可能与2个基因簇有关,即PG0106-PG0120和PG1136-PG1143。随后又将牙龈卟啉单胞菌W83的epsC基因进行插入失活,印度墨汁染色后发现荚膜消失,免疫扩散实验表明牙龈卟啉单胞菌W83的K1抗原消失,同时降低了人类牙龈成纤维细胞对牙龈卟啉单胞菌W83的免疫反应。

  5.3唾液酸与荚膜的关系

  研究表明,游离唾液酸参与脑膜炎奈瑟菌、大肠杆菌和牙龈卟啉单胞菌的荚膜形成,且能防御宿主的免疫反应,其机制尚不清楚,不过脑膜炎球菌的荚膜能够阻止人类血清的杀伤作用,其原因可能是隐藏了细菌细胞膜上的膜攻击复合体。然而,在对大肠杆菌荚膜的研究中发现,荚膜并不改变细菌对血清的抵抗能力。大肠杆菌是研究细菌的模式菌,Whitfield等于2006年对大肠杆菌荚膜的结构、生物合成及表达的调控做了较全面的综述,将大肠杆菌荚膜分为四大类型,其中唾液酸与2型荚膜合成有关,细菌自身合成或从环境中获得唾液酸,通过NeuA活化、NeuO修饰和NeuS的聚合作用合成了多聚唾液酸,最后通过Kps系统转到细胞外形成荚膜。

  6.唾液酸对细菌LPS的唾液酸化作用

  LPS是细菌内毒素的主要成分,在细菌致病过程中发挥着重要作用。实验表明,游离唾液酸可使一些细菌的LPS唾液酸化,如流感嗜血杆菌、脑膜炎奈瑟菌和淋病双球菌。淋病双球菌LPS能够提高抗补体反应因子H与其结合,使细菌对人血清有较高的抵抗力。有趣的是,LPS的唾液酸化对抗补体反应因子H的影响依赖于细胞外膜孔道蛋白PorB,表明磷酸化的LPS与细胞外膜孔道蛋白PorB组成了一个抗原决定簇。流感嗜血杆菌中唾液酸化的LPS能防止补体堆积,体内实验表明,未唾液酸化的流感嗜血杆菌容易被补体清除,可能原因是在未被唾液酸化的细胞表面,LPS是补体C3的结合位点,而当细胞表面被唾液酸化后此结合位点被隐藏。

  7.展望

  唾液酸在细菌细胞内的分解和合成机制基本明了,然而对于不同细菌而言,唾液酸酶在其生存和致病过程中所起的作用不尽相同,需要根据细菌特点进行深入研究。此外,细菌表面的唾液酸化是否参与细菌之间的信号传导,是否和细菌与细胞的相互作用有关尚不明确,需进一步探讨。

  来源:中国实用口腔科杂志2016年11月第9卷第11期

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