ペプチドグリカン 、ムレイン またはムコペプチドは、 細菌の 細胞膜を取り囲むメッシュ状の層(球形部)を形成する、糖とアミノ酸からなる ユニーク な巨大分子(多糖類)である。 [ 1 ] 糖成分は、β-(1,4)結合したN- アセチルグルコサミン (NAG)とN- アセチルムラミン酸 (NAM)の残基が交互に並んでいるものから構成される。N-アセチルムラミン酸には、 3 ~5個のアミノ酸からなるオリゴペプチド 鎖が結合している。このペプチド鎖は別の鎖のペプチド鎖と架橋結合して、3Dのメッシュ状の層を形成する。[ 1 ] [ 2 ] ペプチドグリカンは細菌細胞壁において構造的な役割を果たし、構造強度を与えるとともに細胞質 の浸透圧 に対抗する。この反復的な結合により、細胞の形状を維持し、高い浸透圧に耐えるために不可欠な高密度のペプチドグリカン層が形成され、この層は定期的にペプチドグリカンの合成によって置き換えられます。ペプチドグリカンの加水分解と合成は、細胞が成長し増殖するために必要な2つのプロセスであり、この技術は、既存の物質の切断、新しい物質の挿入、そして既存の物質と新しい物質の再架橋という3段階で行われます。 [ 3 ]
グラム陽性細菌 のペプチドグリカン層(20~80ナノメートル)は、グラム陰性細菌の ペプチドグリカン層(7~8ナノメートル)よりもかなり厚い。[ 4 ] pH生育条件にもよるが、グラム陽性細菌の細胞壁 乾燥重量 の約40~90%をペプチドグリカンが占めるのに対し、グラム陰性菌株では約10%に過ぎない。したがって、高レベルのペプチドグリカンの存在は、細菌がグラム陽性であるとの特徴付けの主な決定要因である。[ 5 ] グラム陽性菌株では、ペプチドグリカンは付着役割や血清型 分類 において重要である。[ 6 ] グラム陽性細菌とグラム陰性細菌の両方において、約2nmの粒子がペプチドグリカンを通過できる。[ 7 ]
顕微鏡では、微生物がグラム陽性かグラム陰性かを見分けるのは困難です。そのため、 1884年にハンス・クリスチャン・グラム によって考案されたグラム染色が必要です。細菌は クリスタルバイオレット とサフラニン という染料で染色されます。グラム陽性細胞は染色後、紫色に、グラム陰性細胞はピンク色に染まります。[ 8 ]
構造 ペプチドグリカン。 細菌細胞壁内のペプチドグリカン層は、N- アセチルグルコサミン (GlcNAcまたはNAG)とN- アセチルムラミン酸 (MurNAcまたはNAM)という2つのアミノ糖が交互に直鎖状に連なった 結晶格子 構造である。交互の糖はβ-(1,4)-グリコシド結合によって結合している。各MurNAcは、 L- アラニン 、D- グルタミン酸 、メソ -ジアミノピメリン酸 、そして大腸菌 (グラム陰性細菌)の場合はD- アラニンを含む短い(4~5残基)アミノ酸 鎖に結合している。あるいは、ブドウ球菌 (グラム陽性細菌)の場合、L-アラニン、D-グルタミン、L-リジン、D-アラニンから構成され、テトラペプチド間に5-グリシン架橋が存在し ます。 ペプチドグリカン は、 自然 界における D-アミノ酸 の最も 重要 な供給源の一つです。
ペプチドグリカン層は内膜を囲むことで、細胞の膨圧 による溶解 から細胞を保護します。細胞壁は成長すると、その形状を生涯にわたって維持します。つまり、桿体形状は桿体形状のまま、球形形状は球形形状のままです。これは、新たに合成された隔壁物質が、子孫細胞のために半球状の細胞壁へと変化するためです。[ 9 ]
異なる直鎖アミノ糖鎖中のアミノ酸 間の架橋は、 DD トランスペプチダーゼという 酵素の助けを借りて起こり、強固で剛性の高い3次元構造を形成します。具体的なアミノ酸配列と分子構造は細菌種 によって異なります。[ 10 ]
細菌細胞壁の異なるペプチドグリカンの種類とその分類学的な 意味合いが説明されている。[ 11 ] 古細菌 (ドメイン Archaea )[ 12 ] はペプチドグリカン(ムレイン)を含まない。[ 13 ] 一部の古細菌は擬似ペプチドグリカン (擬似ムレイン 、下記参照)を含む。 [ 14 ]
ペプチドグリカンは細菌細胞の増殖における二分裂 に関与している。L型細菌 とマイコプラズマは どちらもペプチドグリカン細胞壁を欠いており、二分裂ではなく出芽 機構によって増殖する。[ 15 ] [ 16 ]
初期の進化の過程では、生命の最初の構造を環境から保護する境界(膜、壁)が継続的に発達し、それが最初の細胞の形成(細胞化 )に不可欠であったに違いありません。
細菌(細菌ドメイン [ 12 ] )における硬いペプチドグリカン(ムレイン)細胞壁の発明は、細菌の生存、広範囲にわたる拡散、そして地圏 と水圏 のほぼすべての生息地への定着の前提条件であったと考えられる。[ 17 ] [ 18 ]
生合成 ペプチドグリカンモノマーは細胞質で合成され、その後膜担体である バクトプレノール に結合します。バクトプレノールはペプチドグリカンモノマーを細胞膜を越えて輸送し、既存のペプチドグリカンに挿入します。[ 19 ]
ペプチドグリカン合成の第一段階では、アミノ酸であるグルタミンが糖で あるフルクトース6-リン酸 にアミノ基を供与します。[ 20 ] この反応はEC 2.6.1.16 (GlmS)によって触媒され、フルクトース6-リン酸を グルコサミン6-リン酸 に変換します。[ 21 ] ステップ2では、アセチルCoA のアセチル基がグルコサミン-6-リン酸のアミノ基に転移され、N- アセチルグルコサミン-6-リン酸 が生成される。[ 20 ] この反応はEC 5.4.2.10 であり、GlmMによって触媒される。[ 21 ] 合成プロセスの第3段階では、N- アセチルグルコサミン-6-リン酸が異性化され、N- アセチルグルコサミン-6-リン酸がN- アセチルグルコサミン-1-リン酸 に変化します。[ 20 ] これはEC 2.3.1.157 であり、GlmUによって触媒されます。[ 21 ] ステップ4では、一リン酸となったN- アセチルグルコサミン-1-リン酸がUTPを攻撃する。 ピリミジン ヌクレオチド であるウリジン三リン酸は、エネルギー源として機能する。この反応では、一リン酸がUTPを攻撃した後、無機ピロリン酸が放出され、これが一リン酸に置換されてUDP-N-アセチルグルコサミン(2,4)が生成される。(UDPが エネルギー源として利用される場合、無機リン酸が生成される。)この初期段階は、ペプチドグリカン中のNAGの前駆体を生成するために使用される。[ 20 ] これはEC 2.7.7.23 であり、これも二機能性酵素であるGlmUによって触媒される。[ 21 ] ステップ5では、UDP-N-アセチルグルコサミン(UDP-GlcNAc)の一部が、グルコサミンにラクチル基を付加することでUDP-MurNAc(UDP-N-アセチルムラミン酸)に変換されます。また、この反応では、C3位のヒドロキシル基がホスホエノールピルビン酸 のα炭素からリン酸基を除去します。これにより、エノール誘導体と呼ばれるものが生成されます。[ 20 ] EC 2.5.1.7 、MurAによって触媒されます。[ 21 ] ステップ6では、エノールはNADPH によって「ラクチル部分」に還元されます。[ 20 ] EC 1.3.1.98 、MurBによって触媒されます。[ 21 ] ステップ7では、UDP-MurNAcに5つのアミノ酸(通常はジペプチドD- アラニル-D- アラニンを含む)が付加されてUDP-MurNAcペンタペプチドに変換されます。[ 20 ] これは、MurCによるEC 6.3.2.8 、 MurDによるEC 6.3.2.9 、MurEによるEC 6.3.2.13 の3つの反応の連続です。[ 21 ] これらの反応はいずれもエネルギー源であるATPを 必要とする。[ 20 ] これらはすべて第1段階と呼ばれている。
第二段階は細胞膜で起こります。バクトプレノール と呼ばれる脂質キャリアがペプチドグリカン前駆体を細胞膜を通して運ぶ 場所です。
ウンデカプレニルリン酸は UDP-MurNAcペンタを攻撃してPP-MurNacペンタを生成し、これが脂質(脂質I )となる。[ 20 ] EC 2.7.8.13 by MraY. [ 21 ] UDP-GlcNAcはその後MurNAcに輸送され、脂質-PP-MurNAcペンタ-GlcNAc(脂質II )という二糖類が生成され、これもペプチドグリカンの前駆体である。[ 20 ] EC 2.4.1.227 by MurG. [ 21 ] リピドIIは、数十年にわたる探索の末、2014年に発見されたフリッパーゼ (MurJ)によって膜を透過します。 [ 22 ] 膜に到達したリピドIIは、ペプチドグリカングリコシルトランスフェラーゼ (GTase、EC 2.4.1.129)によって、成長中のグリカン鎖に付加されます。この反応はトランスグリコシル化として知られています。この反応では、GlcNAcのヒドロキシル基がグリカン中のMurNAcに結合し、脂質PPがグリカン鎖から置換されます。[ 20 ] 最終段階では、DD- トランスペプチダーゼ (TPase、EC 3.4.16.4)が個々のグリカン鎖を架橋します。このタンパク質はペニシリン結合タンパク質 としても知られています。この酵素にはグリコシルトランスフェラーゼとしての機能も担うものもあれば、別の酵素にこの役割を委ねるものもあります。[ 21 ]
擬似ペプチドグリカン 一部の古細菌 、例えばメタノバクテリア 目およびメタノピルス 属には、擬似ペプチドグリカン (擬似ムレイン)が見出されている。[ 14 ] 擬似ペプチドグリカンの糖残基は、β-(1,3)結合したN- アセチルグルコサミンとN- アセチルタロサミンウロン酸 である。そのため、このような古細菌の細胞壁はリゾチーム に対して非感受性である。[ 23 ] 擬似ペプチドグリカンの生合成は既に報告されている。[ 24 ]
免疫システムによる認識 ペプチドグリカンの認識は進化的に保存されたプロセスである。[ 25 ] 細菌種間で全体的な構造は類似しているが、様々な修飾によって多様性が増す可能性がある。これには、糖ポリマーの長さの修飾、糖構造の修飾、架橋の変化、アミノ酸の置換(主に3位)などが含まれる。[ 25 ] [ 26 ] これらの修飾の目的は、病原性 において重要な役割を果たす細胞壁の特性を変化させることである。[ 25 ]
ペプチドグリカンは、いくつかの酵素(リゾチーム 、グルコサミニダーゼ、エンド ペプチダーゼ など)によって分解され、宿主-病原体相互作用 を 媒介するために重要な免疫刺激断片(ムロペプチドと呼ばれることもある[ 27 ] ) を生成します。[ 26 ] これらには、ムラミルジペプチド (MDP)、N- アセチルグルコサミン (NAG)、またはγ-d-グルタミル-メソ-ジアミノピメリン酸(iE-DAP)が含まれます。[ 25 ] [ 27 ]
腸内細菌 (病原体 と常在菌の 両方)由来のペプチドグリカンは、生理的条件下でも腸管バリアを通過する。[ 27 ] ペプチドグリカンまたはその断片が宿主細胞に進入するメカニズムは直接的(キャリア非依存性)または間接的(キャリア依存性)であり、細菌媒介(分泌システム、膜小胞 )または宿主細胞媒介(受容体媒介、ペプチドトランスポーター)のいずれかである。[ 27 ] 細菌分泌システムは、 細菌細胞膜を越えて外部環境に毒性因子を送達するために使用されるタンパク質複合体である。[ 28 ] 細胞内細菌病原体が真核細胞に侵入する(これによりファゴリソソーム の形成やオートファジーの活性化が起こる可能性がある)、または細菌が 食細胞 (マクロファージ 、単球 、好中球 など)に取り込まれる可能性がある。細菌を含むファゴソームはその後 エンドソーム やリソソーム と融合し、細菌の分解と高分子ペプチドグリカン断片およびムロペプチドの生成につながる。[ 27 ]
受容体 自然免疫系は 、分泌、細胞内発現、または細胞表面発現している多数のPRR(パターン認識受容体 )を使用して、完全なペプチドグリカンおよびペプチドグリカン断片を感知します。 [ 25 ]
ペプチドグリカン認識タンパク質 PGLYRPは 昆虫 から哺乳類 まで保存されている。[ 27 ] 哺乳類は、ムラミルペンタペプチドまたはテトラペプチドを認識する4つの分泌型可溶性ペプチドグリカン認識タンパク質( PGLYRP-1 、PGLYRP-2 、PGLYRP-3 、PGLYRP-4 )を産生する。 [ 25 ] また、ペプチドグリカン結合溝の外側の結合部位を利用して、LPSやその他の分子に結合することもできる。 [ 28 ] ペプチドグリカンを認識した後、PGLYRPはポリフェノールオキシダーゼ(PPO)分子、Toll、または免疫不全(IMD)シグナル伝達経路を活性化する。これは 抗菌ペプチド (AMP)の産生につながる。 [ 28 ]
哺乳類のPGLYRPはそれぞれ独自の組織発現パターンを示す。PGLYRP-1は主に好中球 と好酸球 の顆粒で発現する。[ 25 ] PGLYRP-3と4は皮膚、汗腺、目、腸管などのいくつかの組織で発現する。[ 27 ] PGLYRP-1、3、4は、殺菌活性に不可欠なジスルフィド結合ホモ 二量体およびヘテロ二量体を形成する。 [ 27 ] 細菌細胞壁ペプチドグリカンへのこれらの結合は、さまざまな細菌転写調節タンパク質と相互作用して細菌細胞死を誘導することができる。[ 25 ] PGLYRPは、他のPRRと協力して食細胞による細菌の認識を高めることで、細菌の殺菌を助けると考えられる。[ 25 ]
PGLYRP-2は主に肝臓 で発現され、循環血中に分泌される。[ 25 ] また、皮膚ケラチノサイト 、口腔および腸管上皮 細胞でもその発現が誘導される。[ 27 ] 他のPGLYRPとは異なり、PGLYRP-2には直接的な殺菌活性はない。ペプチドグリカンアミダーゼ活性を持ち、 MurNAc とペプチドグリカンの幹ペプチドの最初のアミノ酸との間のラクチルアミド結合を加水分解する。 [ 25 ] [ 27 ] PGLYRP-2の機能は、NOD2リガンド(下記参照)に反応して免疫系の過剰活性化と 炎症 誘発性組織損傷を防ぐことであると提唱されている。これは、これらのムロペプチドがMurNAcからペプチド成分が分離されるとNOD2によって認識されなくなるためである。[ 27 ] ペプチドグリカン認識タンパク質ファミリーのメンバーが腸管上皮細胞の常在細菌叢に対する寛容性において主要な役割を果たしていることを示唆する証拠が増えている。 [ 28 ] [ 29 ] PGLYRP-2および4の発現が腸管細菌叢 の構成に影響を与えることが実証されている。[ 28 ]
最近、PGLYRP(およびNOD様受容体とペプチドグリカントランスポーター)が発達中のマウスの脳 で高度に発現していることが発見されました。[ 30 ] PGLYRP-2は前頭前皮質 、海馬 、小脳 を含むいくつかの脳領域のニューロン で高度に発現しており、ペプチドグリカンがニューロンに直接影響を及ぼす可能性があることを示唆しています。PGLYRP-2は幼児の大脳皮質でも高度に発現していますが、成人の皮質組織ではほとんどの発現は見られません。PGLYRP-1も脳で発現しており、成人になっても発現し続けます。[ 30 ]
NOD様受容体 おそらく最もよく知られているペプチドグリカンの受容体はNOD様受容体 (NLR)、主にNOD1 とNOD2 である。NOD1受容体はiE-DAP(γ-d-グルタミル-メソ-ジアミノピメリン酸)結合後に活性化され、NOD2はLRRドメイン によってMDP(ムラミルジペプチド)を認識する。[ 28 ] 活性化は自己オリゴマー化を導き、2つのシグナル伝達カスケードの活性化をもたらす。1つはNF-κB の活性化(RIP2、TAK1 、IKK [ 31 ] 経由)を誘発し、2つ目はMAPK シグナル伝達カスケードを誘導する。これらの経路の活性化は炎症性サイトカイン およびケモカイン の産生を誘導する。[ 25 ]
NOD1は、骨髄食細胞、上皮細胞[ 25 ] 、ニューロン[ 30 ] など、多様な細胞型で発現しています。NOD2は、単球、マクロファージ、腸管上皮細胞、パネート細胞 、樹状細胞 、骨芽細胞 、ケラチノサイト、その他の上皮細胞型で発現しています。[ 27 ] 細胞質 センサーとして、NOD1とNOD2は細胞質に侵入した細菌を検出するか、ペプチドグリカンを分解して断片を生成し、それを細胞質に輸送して初めてこれらのセンサーが機能します。[ 25 ]
最近、NLRP3は NOD1およびNOD2に依存しないメカニズムを介してペプチドグリカンによって活性化されることが実証されました。[ 27 ] マクロファージにおいて、ペプチドグリカンの分解によって生成されたN-アセチルグルコサミンはヘキソキナーゼの活性を阻害し、ミトコンドリア 膜 からの遊離を誘導することが示されました。これは、ミトコンドリア膜透過性の増加によって引き起こされるメカニズムを介して、NLRP3インフラマソームの活性化を促進します。 [ 27 ]
NLRP1 はペプチドグリカンの細胞質センサーとしても考えられており、MDPを感知し、 NOD2との結合を介してIL-1 分泌を促進する。[ 28 ] [ 26 ]
C型レクチン受容体(CLR)C型レクチンは、主にCa2 + 依存性タンパク質の多様なスーパーファミリーであり、様々な炭水化物 (ペプチドグリカンのグリカン骨格を含む)に結合し、自然免疫受容体として機能する。[ 27 ] ペプチドグリカンに結合するCLRタンパク質には、マンノース結合レクチン (MBL)、フィコリン 、Reg3A (再生遺伝子ファミリータンパク質3A)、およびPTCLec1が含まれる。[ 28 ] 哺乳類では、それらは補体 カスケードのレクチン経路 を開始する。[ 27 ]
Toll様受容体 ペプチドグリカンの直接認識におけるToll様受容体 (TLR)の役割については議論の余地がある。 [ 25 ] いくつかの研究では、ペプチドグリカンはTLR2 によって感知されると報告されている。[ 32 ] しかし、このTLR2誘導活性は、ペプチドグリカンと共精製されることが多い細胞壁リポタンパク質 やリポテイコ酸 によるものである可能性がある。また、細菌の種によってペプチドグリカン構造が異なることも、この研究結果の相違に寄与している可能性がある。[ 25 ] [ 27 ]
ワクチンまたはアジュバントとして ペプチドグリカンは免疫活性があり、ワクチン と併用するか、単独でアジュバント として使用すると、免疫細胞を刺激してサイトカインの発現を増加させ、抗体依存性特異的反応を増強することができる。[ 28 ] ペプチドグリカンの基本単位であるMDPは、当初はフロイントアジュバント の有効成分として使用されていた。[ 28 ] 黄色ブドウ球菌 由来のペプチドグリカンは、マウスを保護するためのワクチンとして使用され、40週間のワクチン注射後、マウスは増加した致死量の 黄色ブドウ球菌の 感染から生存したことが示された。[ 33 ]
阻害と分解 ペニシリン などの抗菌薬は、 ペニシリン結合タンパク質 またはDD トランスペプチダーゼ として知られる細菌酵素に結合して、ペプチドグリカンの生成を阻害する。[ 6 ] ペニシリン結合タンパク質は、ペプチドグリカン中のオリゴペプチド架橋間の結合を形成する。細菌細胞が二分裂 によって増殖するためには、百万を超えるペプチドグリカンサブユニット(NAM-NAG +オリゴペプチド)が既存のサブユニットに結合しなければならない。[ 34 ] 抗生物質との相互作用を減少させるトランスペプチダーゼをコードする遺伝子 の変異は、抗生物質耐性の 出現の重要な原因である。[ 35 ] ペプチドグリカンはL型細菌とマイコプラズマでも欠損しているため、どちらもペニシリンに対して耐性である。
ペプチドグリカン合成の他の段階も標的となる可能性があります。局所用抗生物質バシトラシンは、 C55-イソプレニルピロリン酸 の利用を標的とします。食品保存料ナイシンを含む ランチビオティクスは 、脂質IIを攻撃します。[ 36 ]
涙液中に存在し、体内の自然免疫系の一部を構成している リゾチームは 、ペプチドグリカンのβ-(1,4)-グリコシド結合を切断することで抗菌作用を発揮する(上記参照)。リゾチームは、ペプチドグリカン 層を覆うLPS の外層を持つグラム陰性細菌 よりも、ペプチドグリカン細胞壁が露出しているグラム陽性細菌に対してより効果的に作用する。 [ 31 ] 細菌のペプチドグリカンのいくつかの修飾は、リゾチームによる分解に対する抵抗性をもたらす可能性がある。細菌の分解に対する感受性は、抗生物質 への曝露によっても大きく影響を受ける。曝露された細菌は、架橋が不十分な短い糖鎖を含むペプチドグリカンを合成し、このペプチドグリカンはリゾチームによってより容易に分解される。[ 28 ]
細菌の危険信号としてのペプチドグリカン 2025年の研究では、溶解した細菌細胞から放出されたペプチドグリカン断片は、多様な細菌種の間で一般的な危険信号として機能する可能性があることが報告されています。[ 37 ] 外因性ペプチドグリカンへの曝露は、コレラ菌 、緑膿菌 、黄色ブドウ球菌 、アシネトバクター・バウマニ 、およびエンテロコッカス・フェカリス において、3次元バイオフィルム の形成を急速に誘導することが示されました。短時間の曝露でさえ、バイオフィルムマトリックス成分の産生増加につながる制御された反応を引き起こすのに十分でした。コレラ菌 では、ペプチドグリカン曝露により、バイオフィルム構造に寄与するvps -Iおよびvps -II遺伝子クラスターを含む、マトリックス合成に関与するいくつかの遺伝子がアップレギュレーションされました。細菌が細胞外ペプチドグリカン断片を感知するメカニズムは依然として不明です。[ 37 ]
参照
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