FLAGELINA: STRUCTUUR EN FUNCTIES - BIOLOGIE - 2026

De flagelline is een eiwit van het filament, een structuur die deel uitmaakt van de flagella bacteriën. De overgrote meerderheid van bacteriën heeft slechts één type flagelline. Sommige hebben er echter meer dan twee.

De moleculaire grootte van dit eiwit varieert tussen 30 kDa en 60 kDa. Bij Enterobacteriaceae is de moleculaire grootte bijvoorbeeld groot, terwijl deze bij bepaalde zoetwaterbacteriën klein is.

Bron: Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College

Flagelline is een virulentiefactor die adhesie en invasie van gastheercellen mogelijk maakt. Bovendien is het een krachtige activator van vele soorten cellen die betrokken zijn bij de aangeboren en adaptieve immuunrespons.

Ultrastructuur van het flagellum en mobiliteit

Het flagellum is verankerd aan het celoppervlak. Het bestaat uit drie delen: 1) het filament, dat zich uitstrekt vanaf het celoppervlak en een stijve, holle cilindrische structuur is; 2) het basale lichaam, dat is ingebed in de celwand- en membraanlagen, en meerdere ringen vormt; en 3) de haak, een korte gebogen structuur die het basale lichaam met het filament verbindt.

Het basale lichaam is het meest complexe deel van het flagellum. In gramnegatieve bacteriën heeft het vier ringen die zijn verbonden met een centrale kolom. In grampositief heeft het twee ringen. De roterende beweging van het flagellum vindt plaats in het basale lichaam.

De locatie van flagella op het oppervlak van bacteriën varieert sterk tussen organismen en kan: 1) monoteer zijn, met slechts één flagella; 2) polair, met twee of meer; of 3) peritrichous, met veel laterale flagellen. Er zijn ook endoflagella, zoals in spirocheten, die zich in de periplasmatische ruimte bevinden.

Helicobacter pylori is erg mobiel omdat het zes tot acht unipolaire flagellen heeft. Een pH-gradiënt door het slijm zorgt ervoor dat H. pylori zich kan oriënteren en zich kan vestigen in een gebied dat grenst aan epitheelcellen. Pseudomonas heeft een polair flagellum, dat chemotaxis vertoont van suikers en wordt geassocieerd met virulentie.

Structuur van flagelline

Een opvallend kenmerk van de flagelline-eiwitsequentie is dat de N-terminale en C-terminale regio's sterk geconserveerd zijn, terwijl de centrale regio sterk variabel is tussen soorten en ondersoorten van hetzelfde geslacht. Deze hypervariabiliteit is verantwoordelijk voor honderden serotypen van Salmonella spp.

Flagellinemoleculen interageren met elkaar via de terminale gebieden en polymeriseren om een ​​filament te vormen. Hierin bevinden de eindgebieden zich naar de binnenkant van de cilindrische structuur van het filament, terwijl de middelste naar buiten is blootgesteld.

In tegenstelling tot tubulinefilamenten die depolymeriseren in afwezigheid van zouten, zijn die van bacteriën zeer stabiel in water. Ongeveer 20.000 subeenheden van tubuline vormen een filament.

Twee soorten flagelline worden gepolymeriseerd in het H. pylori- en Pseudomonas aeruginosa-filament: FlaA en FlaB, gecodeerd door het fliC-gen. FlaA's zijn heterogeen en zijn onderverdeeld in verschillende subgroepen, met molecuulmassa's die variëren tussen 45 en 52 kDa. FlaB is homogeen met een molecuulmassa van 53 kDa.

Vaak zijn de lysineresiduen van flagellines gemethyleerd. Daarnaast zijn er andere modificaties zoals glycosylering van FlaA en fosforylering van tyrosineresiduen van FlaB, waarvan de functies respectievelijk virulentie en exportsignaal zijn.

Flagellaire gloeidraadgroei in bacteriën

De plaag van bacteriën kan experimenteel worden geëlimineerd en de regeneratie ervan kan worden bestudeerd. De flagellinesubeenheden worden door het interne gebied van deze structuur getransporteerd. Wanneer ze het uiterste bereiken, worden de subeenheden spontaan toegevoegd met behulp van een eiwit ("cap-eiwit") genaamd HAP2 of FliD.

De synthese van het filament vindt plaats door middel van eigen assemblage; dat wil zeggen dat de polymerisatie van flagelline geen enzymen of factoren vereist.

De informatie voor de montage van het filament is te vinden in de subeenheid zelf. Aldus polymeriseren de flagellinesubeenheden om elf protofilamenten te vormen, die een volledig protofilament vormen.

De flagellinesynthese van P. aeruginosa en Proteus mirabilis wordt geremd door antibiotica zoals erytromycine, claritromycine en azitromycine.

Flagellin als activator van het immuunsysteem

De eerste studies toonden aan dat flagelline, in subnanomolaire concentraties, afkomstig van Salmonella, een krachtige inductor is van cytokinen in een promonocytische cellijn.

Vervolgens werd aangetoond dat de inductie van de pro-inflammatoire respons een interactie inhoudt tussen flagelline en de receptoren op het oppervlak van cellen van het aangeboren immuunsysteem.

De oppervlaktereceptoren die interageren met flagelline zijn van het toll-5-type (TLR5). Vervolgens toonden studies met recombinant flagelline aan dat het, wanneer het het hypervariabele gebied miste, geen immuunrespons kon opwekken.

TLR5's zijn aanwezig in cellen van het immuunsysteem, zoals lymfocyten, neutrofielen, monocyten, macrofagen, dendritische cellen, epitheelcellen en lymfeklieren. In de darm reguleert TLR5 de samenstelling van de microbiota.

Gram-negatieve bacteriën gebruiken typisch het type-III-secretiesysteem om flagelline naar het cytoplasma van de gastheercel te verplaatsen, wat een reeks intracellulaire gebeurtenissen teweegbrengt. Flagelline in het intracellulaire medium wordt dus herkend door eiwitten van de NAIP-familie (een apoptoseremmerproteïne / NLR-familie).

Vervolgens interageert het flagelline-NAIP5 / 6-complex met de NOD-achtige receptor, die de reactie van de gastheer op infectie en schade genereert.

Flagellin en planten

Planten herkennen dit eiwit via een flagellin sensing 2 (FLS2) -route. Dit laatste is een receptorkinase dat rijk is aan leucine en is homoloog aan TLR5. FLS ”interageert met het N-terminale gebied van flagelline.

Binding van flagelline aan FLS2 produceert fosforylering van de MAP-kinaseroute, die culmineert in de synthese van eiwitten die bescherming bieden tegen infectie door schimmels en bacteriën.

In sommige nachtschadeplanten kan flagelline ook binden aan de FLS3-receptor. Op deze manier beschermen ze zichzelf tegen ziekteverwekkers die de verdediging van FLS2 omzeilen.

Flagellin als adjuvans

Een adjuvans is een materiaal dat de cellulaire of humorale respons op een antigeen verhoogt. Omdat veel vaccins een slechte immuunrespons veroorzaken, zijn goede adjuvantia nodig.

Talrijke onderzoeken hebben de effectiviteit van flagelline als adjuvans aangetoond. Deze onderzoeken bestonden uit het gebruik van recombinant flagelline in vaccins, geëvalueerd met diermodellen. Dit eiwit moet echter fase I van klinische onderzoeken doorlopen.

Onder de bestudeerde recombinante flagellines zijn: flagelline - epitoop 1 van het influenzavirus hematoglutinine; flagelline-epitoop van Schistosoma mansoni; flagelline - hittestabiel toxine van E. coli; flagelline - Plasmodium-oppervlakte-eiwit 1; en flagelline - envelop-eiwit van het Nijlvirus, naast andere recombinanten.

Het gebruik van flagelline als adjuvans in vaccins voor menselijk gebruik heeft enkele voordelen. Deze voordelen zijn als volgt:

1) Het is effectief bij zeer lage doses.

2) Ze stimuleren de IgE-respons niet.

3) De sequentie van een ander adjuvans, Ag, kan in de flagellinesequentie worden ingevoegd zonder de flagellinesignaleringsroute via TLR5 te beïnvloeden.

Andere toepassingen van flagelline

Omdat flagellinegenen een grote variatie vertonen, kunnen ze worden gebruikt voor specifieke detecties, of voor soort- of stamidentificatie.

De combinatie van PCR / RFLP is bijvoorbeeld gebruikt om de distributie en polymorfisme van flagellinegenen in E. coli-isolaten uit Noord-Amerika te bestuderen.

Referenties

1. Hajam, IA, Dar, PA, Shahnawaz, I., Jaume, JC, Lee, JH 2017. Bacteriële flagelline - een krachtig immunomodulerend middel. Experimentele en moleculaire geneeskunde, 49, e373.
2. Kawamura-Sato, K., Inuma, Y., Hasegawa, T., Horii, T., Yamashino, T., Ohta, M. 2000. Effect van subremmende concentraties van macroliden op expressie van flagelline in Pseudomonas aeruginosa en Proteus mirabilis. Antimicrobiële middelen en chemotherapie, 44: 2869-2872.
3. Mizel, SB, Bates, JT 2010. Flagelline als adjuvans: cellulaire mechanismen en potentieel. Journal of Immunology, 185, 5677-5682.
4. Prescott, LM, Harley, JP, Klain, SD 2002. Microbiology. Mc Graw-Hill, New York.
5. Schaechter, M. 2009. De bureau-encyclopedie van de microbiologie. Academic Press, San Diego.
6. Winstanley, C., Morgan, AW 1997. Het bacteriële flagellinegen als biomarker voor detectie, populatiegenetica en epidemiologische analyse. Microbiology, 143, 3071-3084.