Система секреции шестого типа Vibrio cholerae

В обзоре обобщены данные литературы о системе секреции 6-го типа холерного вибриона. Данная система является контакт-зависимым макромолекулярным механизмом, с помощью которого бактерии транслоцируют внутрь клеток-мишеней токсические белки-эффекторы. Она присутствует у многих грамотрицательных бактерий, включая Vibrio cholerae. С помощью указанной системы холерный вибрион поражает фагоцитирующих амеб, нематод, инфузории, бактерии, принадлежащие к разным видам, а также неродственные штаммы V. cholerae. Освобождаемая после лизиса бактерий-конкурентов ДНК может поглощаться клетками холерного вибриона, что приводит к приобретению нового генетического материала. Система секреции 6-го типа участвует в инфекционном процессе. Уничтожение макрофагов и микробиоты способствует активному размножению патогена и колонизации эпителиоцитов хозяина, а продукция эффекторных белков вызывает развитие диареи и воспаление кишечника. Система секреции 6-го типа холерного вибриона имеет схожее с другими грамотрицательными бактериями строение. Гены, кодирующие белки данной системы, расположены на одном большом участке второй хромосомы и в нескольких дополнительных кластерах. Показано, что токсигенные штаммы V. cholerae содержат идентичный набор генов системы секреции, в то же время в нетоксигенных изолятах их состав вариабелен. Регуляция экспрессии белков системы секреции отличается в разных по токсигенности штаммах V. cholerae, зависит от ряда сигналов внешней среды и связана с другими регуляторными сетями клетки. Представлены экспериментальные данные по анализу структуры глобального регуляторного гена vasH системы секреции 6-го типа у токсигенных и нетоксигенных штаммов V. cholerae О1-серогруппы биовара Эль Тор, выделенных на территории Российской Федерации. Таким образом, система секреции 6-го типа является важным механизмом, способствующим выживанию V. cholerae в сложных сообществах in vitro, защищающим от повреждающих факторов макроорганизма и повышающим вирулентность in vivo, а также обеспечивающим эволюционные преобразования холерного вибриона. Дальнейшее изучение данной системы позволит лучше понять процессы взаимодействия «патоген – хозяин», а также механизмы адаптации V. cholerae во внешней среде.

1. Kaper J.B., Morris J.G. Jr, Levine M.M. Cholera. Clin. Microbiol. Rev. 1995; 8(1):48–86. DOI: 10.1128/CMR.8.1.48.

2. Bingle L.E., Bailey C.M., Pallen M.J. Type VI secretion: a beginner's guide. Curr. Opin. Microbiol. 2008; 11(1):3–8. DOI: 10.1016/j.mib.2008.01.006.

3. Ma A.T., McAuley S., Pukatzki S., Mekalanos J.J. Translocation of a Vibrio cholerae type VI secretion effector requires bacterial endocytosis by host cells. Cell Host Microbe. 2009; 5(3):234–43. DOI: 10.1016/j.chom.2009.02.005.

4. Pukatzki S., Ma A.T., Sturtevant D., Krastins B., Sarracino D., Nelson W.C., Heidelberg J.F., Mekalanos J.J. Identification of a conserved bacterial protein secretion system in Vibrio cholerae using the Dictyostelium host model system. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2006; 103(5):1528–33. DOI: 10.1073/pnas.0510322103.

5. Watve S.S., Thomas J., Hammer B.K. CytR is a global positive regulator of competence, type VI secretion, and chitinases in Vibrio cholerae. PLoS One. 2015; 10(9):e0138834. DOI: 10.1371/journal.pone.0138834.

6. Borgeaud S., Metzger L.C., Scrignari T., Blokesch M. The type VI secretion system of Vibrio cholerae fosters horizontal gene transfer. Science. 2015; 347:63–7. DOI: 10.1126/science.1260064.

7. Matthey N., Stutzmann S., Stoudmann C., Guex N., Iseli C., Blokesch M. Neighbor predation linked to natural competence fosters the transfer of large genomic regions in Vibrio cholerae. eLife. 2019; 8:e48212. DOI: 10.7554/eLife.48212.

8. Zheng J., Shin O.S., Cameron D.E., Mekalanos J.J. Quorum sensing and a global regulator TsrA control expression of type VI secretion and virulence in Vibrio cholerae. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2010; 107(49):21128–33. DOI: 10.1073/pnas.1014998107.

9. Fu Y., Waldor M.K., Mekalanos J.J. Tn-Seq analysis of Vibrio cholerae intestinal colonization reveals a role for T6SSmediated antibacterial activity in the host. Cell Host Microbe. 2013; 14(6):652–63. DOI: 10.1016/j.chom.2013.11.001.

10. Монахова Е.В. Стратегия вирулентности холерных ви- брионов и пути ее реализации (обзор). Проблемы особо опасных инфекций. 2013; 4:60–8. DOI: 10.21055/0370-1069-2013-4-60-68.

11. Cheng A.T., Ottemann K.M., Yildiz F.H. Vibrio cholerae response regulator VxrB controls colonization and regulates the type VI secretion system. PLoS Pathog. 2015; 11(5):e1004933. DOI: 10.1371/journal.ppat.1004933.

12. Joshi A., Kostiuk B., Rogers A., Teschler J., Pukatzki S., Yildiz F.H. Rules of engagement: the type VI secretion system in Vibrio cholerae. Trend. Microbiol. 2017; 25(4):267–79. DOI: 10.1016/j.tim.2016.12.003.

13. Crisan C.V., Hammer B.K. The Vibrio cholerae type VI secretion system: toxins, regulators and consequences. Environ. Microbiol. 2020; 22(10):4112–22. DOI: 10.1111/1462-2920.14976.

14. Schneider J.P., Nazarov S., Adaixo R., Liuzzo M., Ringel P.D., Stahlberg H., Basler M. Diverse roles of TssA-like proteins in the assembly of bacterial type VI secretion systems. EMBO J. 2019; 38(18):e100825. DOI: 10.15252/embj.2018100825.

15. Bernal P., Furniss R.C.D., Fecht S., Leung R.C.Y., Spiga L., Mavridou D.A.I., Filloux A. A novel stabilization mechanism for the type VI secretion system sheath. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2021; 118(7):e2008500118. DOI: 10.1073/pnas.2008500118.

16. Crisan C.V., Chande A.T., Williams K., Raghuram V., Rishishwar L., Steinbach G., Watve S.S., Yunker P., Jordan I.K., Hammer B.K. Analysis of Vibrio cholerae genomes identifes new type VI secretion system gene clusters. Genome Biol. 2019; 20(1):163. DOI: 10.1186/s13059-019-1765-5.

17. Bonemann G., Pietrosiuk A., Diemand A., Zentgraf H., Mogk A. Remodelling of VipA/VipB tubules by ClpV-mediated threading is crucial for type VI protein secretion. EMBO J. 2009; 28(4):315–25. DOI: 10.1038/emboj.2008.269.

18. Unterweger D., Miyata S.T., Bachmann V., Brooks T.M., Mullins T., Kostiuk B., Provenzano D., Pukatzki S. The Vibrio cholerae type VI secretion system employs diverse effector modules for intraspecific competition. Nat. Commun. 2014; 5:3549. DOI: 10.1038/ncomms4549.

19. Kirchberger P.C., Unterweger D., Provenzano D., Pukatzki S., Boucher Y. Sequential displacement of type VI secretion system effector genes leads to evolution of diverse immunity gene arrays in Vibrio cholerae. Sci. Rep. 2017; 7:45133. DOI: 10.1038/srep45133.

20. Seibt H., Aung K.M., Ishikawa T., Sjostrom A., Gullberg M., Atkinson G.C., Wai S.N., Shingler V. Elevated levels of VCA0117 (VasH) in response to external signals activate the type VI secretion system of Vibrio cholerae O1 El Tor A1552. Environ. Microbiol. 2020; 22(10):4409–23. DOI: 10.1111/1462-2920.15141.

21. Bernard C.S., Brunet Y.R., Gavioli M., Lloubes R., Cascales E. Regulation of type VI secretion gene clusters by sigma54 and cognate enhancer binding proteins. J. Bacteriol. 2011; 193(9):2158–67. DOI: 10.1128/JB.00029-11.

22. Kitaoka M., Miyata S.T., Brooks T.M., Unterweger D., Pukatzki S. VasH is a transcriptional regulator of the type VI secretion system functional in endemic and pandemic Vibrio cholerae. J. Bacteriol. 2011; 193(23):6471–82. DOI: 10.1128/JB.05414-11.

23. Смирнова Н.И., Крицкий А.А., Альхова Ж.В., Агафонова Е.Ю., Щелканова Е.Ю., Баданин Д.В., Кутырев В.В. Вариабельность генома островов патогенности нетоксигенных штаммов Vibrio cholerae O1 биовара Эль Тор. Генетика. 2020; 56(9): 1018–33. DOI: 10.31857/S0016675820080147.

24. Zheng J., Ho B., Mekalanos J.J. Genetic analysis of antiamoebae and anti-bacterial activities of the type VI secretion system in Vibrio cholerae. PLoS One. 2011; 6(8):e23876. DOI: 10.1371/journal.pone.0023876.

25. Dong T.G., Ho B.T., Yoder-Himes D.R., Mekalanos J.J. Identifcation of T6SS-dependent effector and immunity proteins by Tn-seq in Vibrio cholerae. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2013; 110(7):2623–8. DOI: 10.1073/pnas.1222783110.

26. Miyata S.T., Unterweger D., Rudko S.P., Pukatzki S. Dual expression profile of type VI secretion system immunity genes protects pandemic Vibrio cholerae. PLoS Pathog. 2013; 9(12):e1003752. DOI: 10.1371/journal.ppat.1003752.

27. Altindis E., Dong T., Catalano C., Mekalanos J. Secretome analysis of Vibrio cholerae type VI secretion system reveals a new effector-immunity pair. mBio. 2015; 6(2):e00075. DOI: 10.1128/mBio.00075-15.

28. Hersch S.J., Watanabe N., Stietz M.S., Manera K., Kamal F., Burkinshaw B., Lam L., Pun A., Li M., Savchenko A., Dong T.G. Envelope stress responses defend against type six secretion system attacks independently of immunity proteins. Nat. Microbiol. 2020; 5(5):706–14. DOI: 10.1038/s41564-020-0672-6.

29. Santoriello F.J., Pukatzki S. When the pandemic opts for the lockdown: Secretion system evolution in the cholera bacterium. Microb. Cell. 2021; 8(3):69–72. DOI: 10.15698/mic2021.03.744.

30. Santoriello F.J., Michel L., Unterweger D., Pukatzki S. Pandemic Vibrio cholerae shuts down site-specifc recombination to retain an interbacterial defence mechanism. Nat. Commun. 2020; 11(1):6246. DOI: 10.1038/s41467020-20012-7.

31. Borenstein D.B., Ringe P., Basler M., Wingreen N.S. Established microbial colonies can survive type VI secretion assault. PLoS Comput. Biol. 2015; 11(10):e1004520. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1004520.

32. Wong M., Liang X., Smart M., Tang L., Moore R., Ingalls B., Dong T.G. Microbial herd protection mediated by antagonistic interaction in polymicrobial communities. Appl. Environ. Microbiol. 2016; 82(23):6881–8. DOI: 10.1128/AEM.02210-16.

33. Ishikawa T., Sabharwal D., Broms J., Milton D.L., Sjostedt A., Uhlin B.E., Wai S.N. Pathoadaptive conditional regulation of the type VI secretion system in Vibrio cholerae O1 strains. Infect. Immun. 2012; 80(2):575–84. DOI: 10.1128/IAI.05510-11.

34. Metzger L.C., Stutzmann S., Scrignari T., Van der Henst C., Matthey N., Blokesch M. Independent regulation of type VI secretion in Vibrio cholerae by TfoX and TfoY. Cell Rep. 2016; 15(5):951–8. DOI: 10.1016/j.celrep.2016.03.092.

35. Заднова С.П., Баданин Д.В., Плеханов Н.А., Полунина Т.А., Котова Н.В., Крицкий А.А., Федоров А.В., Краснов Я.М. Сравнительные протеомные профили типичного штамма и ге- нетически измененного варианта Vibrio cholerae О1 серогруп- пы биовара Эль Тор. Проблемы особо опасных инфекций. 2020; 3:150–3. DOI: 10.21055/0370-1069-2020-3-150-153.

36. Waters C.M., Bassler B.L. Quorum sensing: cell-to-cell communication in bacteria. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2005; 21:319– 46. DOI: 10.1146/annurev.cellbio.21.012704.131001.

37. Higgins D.A., Pomianek M.E., Kraml C.M., Taylor R.K., Semmelhack M.F., Bassler B.L. The major Vibrio cholerae autoinducer and its role in virulence factor production. Nature. 2007; 450:883–6. DOI: 10.1038/nature06284.

38. Shao Y., Bassler B.L. Quorum regulatory small RNAs repress type VI secretion in Vibrio cholerae. Mol. Microbiol. 2014; 92(5):921–30. DOI: 10.1111/mmi.12599.

39. Frederick A., Huang Y., Pu M., Rowe-Magnus D.A. Vibrio cholerae type VI activity alters motility behavior in mucin. J. Bacteriol. 2020; 202(24):e00261-20. DOI: 10.1128/JB.00261-20.

40. Caro F., Caro J.A., Place N.M., Mekalanos J.J. Transcriptional silencing by TsrA in the evolution of pathogenic Vibrio cholerae biotypes. mBio. 2020; 11(6):e02901-20. DOI: 10.1128/mBio.02901-20.

41. Syed K.A., Beyhan S., Correa N., Queen J., Liu J., Peng F., Satchell K.J.F., Yildiz F., Klose K.E. The Vibrio cholerae flagellar regulatory hierarchy controls expression of virulence factors. J. Bacteriol. 2009; 191(21):6555–70. DOI: 10.1128/JB.00949-09.

42. Liu Z., Miyashiro T., Tsou A., Hsiao A., Goulian M., Zhu J. Mucosal penetration primes Vibrio cholerae for host colonization by repressing quorum sensing. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2008; 105(28):9769–74. DOI: 10.1073/pnas.0802241105.

43. Vezzulli L., Pruzzo C., Huq A., Colwell R.R. Environmental reservoirs of Vibrio cholerae and their role in cholera. Environ. Microbiol. Rep. 2010; 2(1):27–33. DOI: 10.1111/j.1758-2229.2009.00128.x.

44. Meibom K.L., Blokesch M., Dolganov N.A., Wu C.Y., Schoolnik G.K. Chitin induces natural competence in Vibrio cholerae. Science. 2005; 310:1824–7. DOI: 10.1126/science.1120096.

45. Townsley L., Mangus M.P.S., Mehic S., Yildiz F.H. Response of Vibrio cholerae to low-temperature shifts: CspV regulation of type VI secretion, biofilm formation, and association with zooplankton. Appl. Environ. Microbiol. 2016; 82(14):4441–52. DOI: 10.1128/AEM.00807-16.

46. Ishikawa T., Rompikuntal P.K., Lindmark B., Milton D.L., Wai S.N. Quorum sensing regulation of the two hcp alleles in Vibrio cholerae O1 strains. PLoS One. 2009; 4(8):e6734. DOI: 10.1371/ journal.pone.0006734.

47. Mueller R.S., Beyhan S., Saini S.G., Yildiz F.H., Bartlett D.H. Indole acts as an extracellular cue regulating gene expression in Vibrio cholerae. J. Bacteriol. 2009; 191(11):3504–16. DOI: 10.1128/JB.01240-08.

48. Bachmann V., Kostiuk B., Unterweger D., Diaz-Satizabal L., Ogg S., Pukatzki S. Bile salts modulate the mucin-activated type VI secretion system of pandemic Vibrio cholerae. PLoS Negl. Trop. Dis. 2015; 9(8):e0004031. DOI: 10.1371/journal.pntd.0004031.