إفراز

تمتلك الخلايا حقيقية النواة ، بما فيها الخلايا البشرية ، عملية إفراز متطورة للغاية . تُصنّع البروتينات الموجهة للخارج بواسطة الريبوسومات المرتبطة بالشبكة الإندوبلازمية الخشنة . أثناء تصنيعها، تنتقل هذه البروتينات إلى تجويف الشبكة الإندوبلازمية ، حيث تخضع لعملية الغلكزة ، وتساعد البروتينات المرافقة الجزيئية في طي البروتين . عادةً ما تُكتشف البروتينات المطوية بشكل خاطئ هنا، وتُعاد إلى السيتوسول عبر التحلل المرتبط بالشبكة الإندوبلازمية ، حيث تُحلل بواسطة البروتيازوم . بعد ذلك، تدخل الحويصلات التي تحتوي على البروتينات المطوية بشكل صحيح إلى جهاز غولجي .

في جهاز غولجي، تُعدّل عملية الغلكزة للبروتينات، وقد تحدث تعديلات أخرى بعد الترجمة ، بما في ذلك الفصل والتفعيل. ثم تُنقل البروتينات إلى حويصلات إفرازية تنتقل على طول الهيكل الخلوي إلى حافة الخلية. ويمكن أن تحدث تعديلات أخرى في الحويصلات الإفرازية (على سبيل المثال، يُفصل الأنسولين عن البروأنسولين في الحويصلات الإفرازية).

وفي النهاية، يحدث اندماج الحويصلات مع غشاء الخلية عند المسام، من خلال عملية تسمى الإخراج الخلوي ، مما يؤدي إلى إفراغ محتوياتها خارج بيئة الخلية. ^{[ 2 ]}

يتم الحفاظ على تحكم بيوكيميائي صارم في هذا التسلسل باستخدام تدرج الأس الهيدروجيني : الأس الهيدروجيني للسيتوسول هو 7.4، والأس الهيدروجيني للشبكة الإندوبلازمية هو 7.0، والأس الهيدروجيني لجهاز غولجي هو 6.5. تتراوح الأس الهيدروجيني للحويصلات الإفرازية بين 5.0 و 6.0؛ بعض الحويصلات الإفرازية تتطور إلى جسيمات حالّة ، والتي يبلغ الأس الهيدروجيني لها 4.8.

تتمتع العديد من أنواع الخلايا البشرية بالقدرة على إفراز المواد. فهي تمتلك شبكة إندوبلازمية متطورة وجهاز جولجي للقيام بهذه الوظيفة. تشمل الأنسجة التي تُفرز هذه المواد الجهاز الهضمي ، الذي يُفرز إنزيمات هضمية وحمض المعدة ، والرئتين ، اللتين تُفرزان مواد فعالة سطحية ، والغدد الدهنية ، التي تُفرز الزهم لترطيب الجلد والشعر. كما تُفرز غدد ميبوميوس في الجفن مادة ميبومية لترطيب العين وحمايتها.

يُعدّ الإفراز من النوع الأول نظام إفراز يعتمد على البروتينات المرافقة، ويستخدم مجموعات جينات Hly وTol. تبدأ العملية عندما يتعرف HlyA على تسلسل إشارة على البروتين المراد إفرازه، فيرتبط بـ HlyB على الغشاء. يتميز تسلسل الإشارة هذا بخصوصية عالية لناقل ABC. يحفز معقد HlyAB بروتين HlyD الذي يبدأ بالانفكاك ويصل إلى الغشاء الخارجي، حيث يتعرف TolC على جزيء أو إشارة طرفية على HlyD. يقوم HlyD بتجنيد TolC إلى الغشاء الداخلي، ويُفرز HlyA خارج الغشاء الخارجي عبر قناة بروتينية طويلة.

ينقل نظام الإفراز من النوع الأول جزيئات متنوعة، من الأيونات والأدوية إلى البروتينات ذات الأحجام المختلفة (20-900 كيلو دالتون). وتتفاوت أحجام الجزيئات المُفرزة، بدءًا من ببتيد كوليسين V الصغير في بكتيريا الإشريكية القولونية (10 كيلو دالتون) وصولًا إلى بروتين الالتصاق الخلوي LapA في بكتيريا الزائفة المتألقة (520 كيلو دالتون). ^{[ 7 ]} ومن أكثرها دراسةً سموم RTX والليبازات. كما يُشارك نظام الإفراز من النوع الأول في تصدير ركائز غير بروتينية، مثل بيتا جلوكان الحلقي والسكريات المتعددة.

تعتمد البروتينات المُفرزة عبر نظام النوع الثاني، أو الفرع النهائي الرئيسي لمسار الإفراز العام، على نظامي Sec أو Tat لنقلها الأولي إلى الحيز المحيط بالخلية . وبمجرد وصولها إلى هناك، تعبر الغشاء الخارجي عبر مُركب متعدد الوحدات (12-14 وحدة فرعية) من بروتينات السيكريتين المُكوِّنة للمسام. بالإضافة إلى بروتين السيكريتين، يتكون جهاز الإفراز الكامل من 10-15 بروتينًا آخر من بروتينات الغشاء الداخلي والخارجي، والعديد منها ذو وظائف غير معروفة حتى الآن. تستخدم شعيرات النوع الرابع في البكتيريا سالبة الغرام نسخة مُعدَّلة من نظام النوع الثاني لتكوينها الحيوي، وفي بعض الحالات، تتشارك بعض البروتينات بين مُركب الشعيرات ونظام النوع الثاني ضمن نوع بكتيري واحد.

يُشابه هذا البروتين الجسم القاعدي في الأسواط البكتيرية. وهو أشبه بحقنة جزيئية تُمكّن البكتيريا (مثل أنواع معينة من السالمونيلا ، والشيغيلا ، واليرسينيا ، والضمة ) من حقن البروتينات في الخلايا حقيقية النواة. ويؤدي انخفاض تركيز أيونات الكالسيوم (Ca2 ⁺⁾ في السيتوبلازم إلى فتح البوابة التي تُنظم نظام الإفراز من النوع الثالث (T3SS). وقد تم توضيح إحدى هذه الآليات للكشف عن انخفاض تركيز الكالسيوم من خلال مستضد lcrV (استجابة انخفاض الكالسيوم) الذي تستخدمه بكتيريا يرسينيا الطاعونية ، والذي يُستخدم للكشف عن انخفاض تركيز الكالسيوم ويُحفز ارتباط نظام الإفراز من النوع الثالث (T3SS). ويقوم نظام Hrp في مسببات الأمراض النباتية بحقن بروتينات الهاربين وبروتينات التأثير المرضي عبر آليات مماثلة في النباتات. وقد اكتُشف نظام الإفراز هذا لأول مرة في بكتيريا يرسينيا الطاعونية ، وأظهر أن السموم يُمكن حقنها مباشرة من سيتوبلازم البكتيريا إلى سيتوبلازم خلايا العائل بدلاً من إفرازها ببساطة في الوسط خارج الخلوي. ^{[ 8 ]}

يُشابه هذا النظام آلية الاقتران في البكتيريا، وهي الأهداب الاقترانية . وهو قادر على نقل كلٍّ من الحمض النووي والبروتينات. وقد اكتُشف في بكتيريا أغروباكتيريوم توميفاسينز ، التي تستخدم هذا النظام لإدخال جزء الحمض النووي T من بلازميد Ti إلى النبات المضيف، مما يؤدي بدوره إلى تطور المنطقة المصابة إلى ورم تاجي (ورم). تستخدم بكتيريا هيليكوباكتر بيلوري نظام إفراز من النوع الرابع لإيصال بروتين CagA إلى الخلايا الظهارية المعدية، وهو ما يرتبط بتسرطن المعدة. ^{[ 9 ]} أما بكتيريا بوردتيلا بيرتوسيس ، المسببة لمرض السعال الديكي، فتُفرز سم السعال الديكي جزئيًا عبر نظام الإفراز من النوع الرابع. تستخدم بكتيريا الليجيونيلا الرئوية ، المسببة لداء الفيالقة، نظام إفراز من النوع الرابع ب ، يُعرف بنظام icm/dot ( التكاثر داخل الخلايا / خلل في جينات نقل العضيات )، لنقل العديد من البروتينات المؤثرة إلى مضيفها حقيقي النواة. [ ^{10 ] أما} نظام الإفراز النموذجي من النوع الرابع أ فهو معقد VirB في بكتيريا أغروباكتيريوم توميفاسينز . ^{[ 11 ]}

تُعدّ البروتينات المنتمية لهذه العائلة مكوناتٍ لنظام الإفراز من النوع الرابع. وهي تُسهّل نقل الجزيئات الكبيرة داخل الخلايا عبر آليةٍ تُشبه في أصلها آليات الاقتران البكتيرية . ^{[ 12 ] [ 13 ]}

يُعرف أيضًا بنظام النقل الذاتي، ^{[ 16 ]} ويعتمد إفراز النوع الخامس على نظام Sec لعبور الغشاء الداخلي. تتميز البروتينات التي تستخدم هذا المسار بقدرتها على تكوين بنية برميل بيتا مع طرفها الكربوكسيلي الذي يندمج في الغشاء الخارجي، مما يسمح لبقية الببتيد (النطاق الناقل) بالوصول إلى خارج الخلية. غالبًا ما تُفصل النواقل الذاتية، تاركةً نطاق برميل بيتا في الغشاء الخارجي ومحررةً النطاق الناقل. يعتقد بعض الباحثين أن بقايا النواقل الذاتية هي التي أدت إلى ظهور البورينات التي تُشكل بنى برميل بيتا مماثلة. ^{[ 17 ]} ومن الأمثلة الشائعة على النواقل الذاتية التي تستخدم نظام الإفراز هذا، بروتينات الالتصاق ثلاثية النقل الذاتي . ^{[ 18 ]}

تم تحديد أنظمة الإفراز من النوع السادس لأول مرة عام 2006 من قبل فريق جون ميكالانوس في كلية الطب بجامعة هارفارد (بوسطن، الولايات المتحدة الأمريكية) في نوعين من البكتيريا الممرضة، وهما ضمة الكوليرا والزائفة الزنجارية . ^{[ 19 ] [ 20 ]} وقد تم تحديد هذه الأنظمة عندما أدت الطفرات في جيني Hcp وVrgG في ضمة الكوليرا إلى انخفاض ضراوتها وقدرتها على إحداث المرض. ومنذ ذلك الحين، وُجدت أنظمة الإفراز من النوع السادس في ربع جميع جينومات البروتيوكتيريا، بما في ذلك مسببات الأمراض الحيوانية والنباتية والبشرية، بالإضافة إلى بكتيريا التربة والبيئة والبحار. ^{[ 21 ] [ 22 ]} وبينما ركزت معظم الدراسات المبكرة على دور الإفراز من النوع السادس في إمراضية الكائنات الحية العليا، أشارت دراسات أحدث إلى دور فسيولوجي أوسع في الدفاع ضد المفترسات حقيقية النواة البسيطة، ودوره في التفاعلات بين البكتيريا. ^{[ 23 ] [ 24 ]} تحتوي مجموعات جينات نظام الإفراز من النوع السادس على ما بين 15 إلى أكثر من 20 جينًا، وقد ثبت أن اثنين منها، وهما Hcp وVgrG، ركائز إفرازية شبه عالمية لهذا النظام. يُظهر التحليل البنيوي لهذه البروتينات وغيرها في هذا النظام تشابهًا لافتًا مع النتوء الذيل لفيروس T4، ويُعتقد أن نشاط النظام يُحاكي وظيفيًا عدوى الفيروس. ^{[ 25 ]}

إضافةً إلى استخدام المركبات البروتينية المتعددة المذكورة أعلاه، تمتلك البكتيريا سالبة الغرام طريقة أخرى لإطلاق المواد: تكوين حويصلات الغشاء الخارجي البكتيري . ^{[ 26 ]} تنفصل أجزاء من الغشاء الخارجي، مُشكّلةً تراكيب كروية نانوية الحجم مصنوعة من طبقة ثنائية من الدهون غنية بالليبوساكاريد، تُحيط بمواد الفراغ المحيط بالبلازما، وتُستخدم لنقل حويصلات الغشاء للتأثير على البيئة أو غزو منطقة التماس بين العائل والممرض . وُجد أن حويصلات من عدد من أنواع البكتيريا تحتوي على عوامل ضراوة، وبعضها له تأثيرات مُعدِّلة للمناعة، وبعضها الآخر قادر على الالتصاق مباشرةً بخلايا العائل وإحداث التسمم. على الرغم من أن إطلاق الحويصلات يُعد استجابة عامة لظروف الإجهاد، إلا أن عملية تحميل البروتينات تبدو انتقائية. ^{[ 27 ]}