文丨胖仔研究社
編輯丨胖仔研究社
前言
無論是來自原核生物、真核生物還是古細菌，迄今為止研究的大多數細胞都會脫落其最外層裝載生物分子的部分膜。有趣的是，驅動囊泡産生和釋放的機制在這三個領域有許多共同的特征，強調了它們對生物過程的重要性。
細菌膜囊泡是本文的重點，被稱為外膜囊泡（OMVs）或膜囊泡（MVs），很大程度上取決于它們分别來自革蘭氏陰性細菌或革蘭氏陽性細菌。
此後，術語“MVs”将用來指兩種類型的囊泡或專門來自革蘭氏陽性物種的囊泡，而“OMV”将專門指來自具有外膜的革蘭氏陰性細菌的囊泡。細菌MVs的直徑通常在25-250nm之間，其腔内包含親本細菌的蛋白質、脂質、核酸和其他生物分子。
曾經被視為細胞碎片或膜再生的産物，在過去的幾十年裡，研究人員已經表明，這些生物納米顆粒在細胞功能和群落互相作用中有更大的作用。
在接下來的章節中，這篇綜述将強調最近的發現以及它們在細菌膜囊在微生物-微生物互相作用以及微生物物種與它們所在的宿主之間的互相作用中所起的作用。
微生物群落互相作用的媒體
MV生物學的大部分研究集中在其發病機制中的功能；然而，MV在微生物群落互相作用中的重要作用也已被确定，并将在下面較長的描述。
将貨物包裝成mv，使它們能夠在不斷變化或具有挑戰性的環境條件下發揮特殊功能，包括群體感應（QS）、生物膜形成、營養擷取、抗生素耐藥性以及與其他微生物的競争或防禦。有證據表明，囊泡不僅僅是一個被動的過程，而是作為細胞或包膜成分分泌的受控機制。
例如，在革蘭氏陰性菌中，外膜蛋白OmpA是維持細菌外膜和肽聚糖之間的聯系所必需的，而較低水準的OmpA與膜穩定性降低和囊泡作用增加相關。
在霍亂弧菌中，小RNA vrrA在誘導膜應激的條件下表達上調，并抑制OmpA mRNA的翻譯。這導緻OMV釋放增加（與OmpA蛋白水準呈負相關）。
雖然所涉及的具體機制尚未完全詳細，但将貨物包裝成囊泡似乎發生在周質中的特定貨物數量的增加，以及通過優先包裝方法。後者已被證明是錯誤折疊蛋白質的一種情況，可以在應激條件下選擇性地消除潛在的有毒物質。
此外，在特定條件下和在細胞外的特定功能下的選擇性貨物輸出也已被證明，因為它涉及到微生物之間的群落互相作用。
MV在QS和生物膜形成中的作用
膜囊泡在QS信号的傳播中起着重要的作用，使細菌能夠互相通信，是許多病原體毒力的重要驅動因素。銅綠假單胞菌的QS分子(喹諾酮假單胞菌信号的主要分子之一，介導多種功能，包括産生毒力因子、調節宿主免疫反應、對競争微生物的細胞毒性和鐵擷取）。
由于其化學成分，PQS具有高度疏水性，是以不太可能有效地在環境中擴散。相反，有研究表明，大約86%的PQS被包裝成omv。
同樣，反硝化副球菌的疏水QS分子C16-HSL和哈維弧菌的CAI-1被包裝成囊泡，允許穩定、濃縮和在環境中擴散。
QS機制也可以影響OMV生産，PQS是必要和充分的銅綠假單胞菌，甚至可以誘導MV形成在其他革蘭氏陰性甚至革蘭氏陽性物種如大腸杆菌、伯克霍爾德氏菌和枯草芽孢杆菌。
OMV生物發生的機制已被詳細研究和“雙層偶”模型提出的互動PQS與脂質部分脂多糖（脂多糖）發現細菌外膜導緻外傳單的擴張相對于内部傳單，導緻膜彎曲，最終小囊泡被擠壓掉。QS信号在MV生物發生和含量上的其他功能将在後面的主病互相作用中讨論。
膜囊泡是細菌生物膜基質的重要組成部分，包括銅綠假單胞菌、粘球菌和幽門螺杆菌。由于細菌生物膜是可能包含多個不同物種的群落，一個物種對生物膜基質的貢獻也可能有利于其他物種，并增強生物膜在合作、擷取營養和提高生存方面的整體功能。
在銅綠假單胞菌中，浮遊生物和生物膜衍生的omv在數量和品質上存在差異，它們具有蛋白水解活性和抗生素結合能力，這表明它們參與了生物膜的一些功能。
在革蘭氏陽性共生羅伊氏乳杆菌的浮遊病毒與生物膜來源的mv病毒的大小和大小分布上也觀察到類似的差異，這可能表明與微生物組其他成員或人類宿主的功能存在差異。
DNA也作為銅綠假單胞菌生物膜的基質成分，在對數期後期培養中特别釋放，以響應QS信号，這似乎至少部分是通過含有DNA的OMVs的裂解發生的。
在幽門螺杆菌中，菌株TK1402相對于其他菌株具有較強的生物膜形成能力，與OMVs的産生高度相關，添加TK1402的OMV部分可以增強另一株菌株的生物膜形成。
來自一種生物體的omv也可能促進另一種生物體在生物膜中的粘附；例如，口腔病原體牙龈卟啉單胞菌的OMVs可以增強牙菌斑生物膜中多種其他口腔微生物的聚集和粘附。
MV作為資源擷取的“公共産品”
在微生物群落中，一個細胞釋放的mvv有可能為相同或不同物種的其他細菌提供好處。例如，多糖代謝在人類腸道微生物群的建立群組成中起着重要的作用。拟杆菌屬有幾種物種，每一種都有不同的能力利用完整到達人類結腸的各種多糖。
這取決于基因稱為多糖利用位點（PUL），通常編碼表面蛋白質可以綁定，分裂，或進口特定的多糖及其裂解産物，以及進一步分解這些産品一旦進入細胞，蛋白質和調節蛋白質。
OMVs與外膜（OM）的蛋白質組學分析 B. 脆弱和 B. 太陶微粒鑒定了隻在OMV或OM中發現的蛋白質組，OMV特異性蛋白質組特别富含具有水解或碳水化合物結合活性的酸性脂蛋白。
這些OMV能夠分解多糖，由此産生的産物可以被所有現有的細菌物種消耗，即使是那些沒有産生初始OMV的細菌。
PUL編碼的水解酶富集到OMV中表明，存在一種機制，選擇性地将某些蛋白質包裝到OMV中，以便在細胞外而不是在細胞表面。是以，包裝成OMV的糖苷水解酶作為“公共産品”，有利于整個細菌群落。
在基于MV中輸出的代謝酶的共享營養利用的情況下，使用這些MV來源的營養純粹是受體細胞的利用，還是它們給MV生産者帶來互惠利益。至少有一個已知的幽門螺杆菌生物膜的外膜囊泡。
透射電鏡顯微圖顯示了在富細菌培養基中形成生物膜形成過程中OMVs（箭頭）的形成和釋放。經許可複制。基于OMVs的合作取食政策，發生在卵形拟杆菌和普通拟杆菌之間，這兩種物種通常在人類腸道中高密度地同時存在。
膜囊泡也可以通過其他方式促進微生物群落内的營養擷取。它們是代謝酶基因水準基因轉移的載體，就像腸道瘤胃中的纖維素降解瘤胃球菌一樣。
Klieve et al.确定線性，雙鍊DNA，并假設染色體DNA專門加工包裝成mv基于其小片段大小，重複的DNA序列的存在可能用于包裝，及其抵抗限制性消化（可能由于修改如甲基化），這表明DNA旨在出口細胞外。
野生型白桦的囊泡可以拯救不能降解結晶纖維素的突變體，這種纖維素降解的獲得是可遺傳的，表明囊泡在纖維素降解基因的水準基因轉移中的作用。
雖然之前已知纖維素降解細菌産生含有纖維素小體的MVs，但該報告首次鑒定了與白桦囊泡相關的DNA，表明MVs除了直接纖維素降解。下面将讨論通過omv進行水準基因轉移的進一步例子。
有多個例子的MV功能的鐵，這是細菌生長的關鍵，但往往是有限的環境中由于其溶解度差在水中氧氣的存在和積極影響由宿主生物隔離它作為一種免疫機制減緩病原體擴散。
例如，結核分枝杆菌在鐵有限的條件下增加囊泡，這些MVs含有大量的mycobactin，一種鐵螯合蛋白（鐵載體）。
Mycobactin是一種疏水分子，它在細胞膜内或附近積累，然後可以有效地并入mv。一旦被釋放到環境中，這些mv可以清除可用的鐵，然後将其送回細菌細胞，無論是最初産生mv的細胞還是它們的鄰近細胞。
在mv中隔離鐵蛋白可能具有保護作用，因為在這種狀态下，鐵蛋白是巨噬細胞在免疫反應過程中釋放的鐵載體抑制因子。
從限制鐵的培養基中生長的細胞中純化的MVs可以恢複鐵載體生物合成不足的突變細胞的生長，表明這些MVs具有強大的清除鐵能力，以及它們作為社群資源的性質。
類似地，銅綠假單胞菌群體感應分子PQS主要輸出到OMVs表面，可以在環境中結合Fe3+。含有PQS-Fe3+複合物的omv随後被TseF重新捕獲，TseF是一種6型分泌系統（T6SS）輸出蛋白，可結合PQS并與細胞表面的鐵載體受體連接配接互相作用。
與代謝蛋白一樣，PQS是一種疏水分子，omv提供了一種保護和擴散通過環境的載體，以及一種通過微生物種群運輸必需元素的機制。
與MV作為有利于整個細菌群落的公共産品的證據相反，也有證據表明MV與細菌細胞的互相作用可能是有選擇性的。來自腸杆菌的omv與相同或其他布蒂氏菌的細胞互相作用，而與大腸杆菌互相作用。
這可能是由于這些物種的細胞和omv的特殊理化學性質，如布氏菌屬。與許多其他革蘭氏陰性細菌相比（在細胞和omv之間産生更少的靜電排斥），以及可能促進特定OMV-細胞互相作用的酵母識别細胞表面蛋白的潛力明顯更低。
對mv-細胞互相作用的這種特異性的進一步研究，可能導緻基于mv的定向貨物運送到目标細菌細胞的政策。
筆者觀點
膜囊泡還可以為微生物群落提供有害物質提供保護功能，如活性氧、抗生素、抗菌肽和噬菌體。在許多情況下，這再次通過作為“公共産品”的mv發生。例如，在幽門螺杆菌中，omv被部署作為一種保護機制，以防止從宿主免疫細胞釋放的活性氧（圖4）。
與細菌外膜相比，多個菌株的OMVs選擇性地富集在過氧化氫酶KatA中，這些OMVs比全細胞裂解物具有更大的過氧化氫水解活性，進而保護周圍環境氧化損傷細菌。
參考文獻
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