文丨胖仔研究社
编辑丨胖仔研究社
前言
无论是来自原核生物、真核生物还是古细菌，迄今为止研究的大多数细胞都会脱落其最外层装载生物分子的部分膜。有趣的是，驱动囊泡产生和释放的机制在这三个领域有许多共同的特征，强调了它们对生物过程的重要性。
细菌膜囊泡是本文的重点，被称为外膜囊泡（OMVs）或膜囊泡（MVs），很大程度上取决于它们分别来自革兰氏阴性细菌或革兰氏阳性细菌。
此后，术语“MVs”将用来指两种类型的囊泡或专门来自革兰氏阳性物种的囊泡，而“OMV”将专门指来自具有外膜的革兰氏阴性细菌的囊泡。细菌MVs的直径通常在25-250nm之间，其腔内包含亲本细菌的蛋白质、脂质、核酸和其他生物分子。
曾经被视为细胞碎片或膜再生的产物，在过去的几十年里，研究人员已经表明，这些生物纳米颗粒在细胞功能和群落相互作用中有更大的作用。
在接下来的章节中，这篇综述将强调最近的发现以及它们在细菌膜囊在微生物-微生物相互作用以及微生物物种与它们所在的宿主之间的相互作用中所起的作用。
微生物群落相互作用的介质
MV生物学的大部分研究集中在其发病机制中的功能；然而，MV在微生物群落相互作用中的重要作用也已被确定，并将在下面详细描述。
将货物包装成mv，使它们能够在不断变化或具有挑战性的环境条件下发挥特殊功能，包括群体感应（QS）、生物膜形成、营养获取、抗生素耐药性以及与其他微生物的竞争或防御。有证据表明，囊泡不仅仅是一个被动的过程，而是作为细胞或包膜成分分泌的受控机制。
例如，在革兰氏阴性菌中，外膜蛋白OmpA是维持细菌外膜和肽聚糖之间的联系所必需的，而较低水平的OmpA与膜稳定性降低和囊泡作用增加相关。
在霍乱弧菌中，小RNA vrrA在诱导膜应激的条件下表达上调，并抑制OmpA mRNA的翻译。这导致OMV释放增加（与OmpA蛋白水平呈负相关）。
虽然所涉及的具体机制尚未完全详细，但将货物包装成囊泡似乎发生在周质中的特定货物数量的增加，以及通过优先包装方法。后者已被证明是错误折叠蛋白质的一种情况，可以在应激条件下选择性地消除潜在的有毒物质。
此外，在特定条件下和在细胞外的特定功能下的选择性货物输出也已被证明，因为它涉及到微生物之间的群落相互作用。
MV在QS和生物膜形成中的作用
膜囊泡在QS信号的传播中起着重要的作用，使细菌能够相互通信，是许多病原体毒力的重要驱动因素。铜绿假单胞菌的QS分子(喹诺酮假单胞菌信号的主要分子之一，介导多种功能，包括产生毒力因子、调节宿主免疫反应、对竞争微生物的细胞毒性和铁获取）。
由于其化学成分，PQS具有高度疏水性，因此不太可能有效地在环境中扩散。相反，有研究表明，大约86%的PQS被包装成omv。
同样，反硝化副球菌的疏水QS分子C16-HSL和哈维弧菌的CAI-1被包装成囊泡，允许稳定、浓缩和在环境中扩散。
QS机制也可以影响OMV生产，PQS是必要和充分的铜绿假单胞菌，甚至可以诱导MV形成在其他革兰氏阴性甚至革兰氏阳性物种如大肠杆菌、伯克霍尔德氏菌和枯草芽孢杆菌。
OMV生物发生的机制已被详细研究和“双层偶”模型提出的交互PQS与脂质部分脂多糖（脂多糖）发现细菌外膜导致外传单的扩张相对于内部传单，导致膜弯曲，最终小囊泡被挤压掉。QS信号在MV生物发生和含量上的其他功能将在后面的主病相互作用中讨论。
膜囊泡是细菌生物膜基质的重要组成部分，包括铜绿假单胞菌、粘球菌和幽门螺杆菌。由于细菌生物膜是可能包含多个不同物种的群落，一个物种对生物膜基质的贡献也可能有利于其他物种，并增强生物膜在合作、获取营养和提高生存方面的整体功能。
在铜绿假单胞菌中，浮游生物和生物膜衍生的omv在数量和质量上存在差异，它们具有蛋白水解活性和抗生素结合能力，这表明它们参与了生物膜的一些功能。
在革兰氏阳性共生罗伊氏乳杆菌的浮游病毒与生物膜来源的mv病毒的大小和大小分布上也观察到类似的差异，这可能表明与微生物组其他成员或人类宿主的功能存在差异。
DNA也作为铜绿假单胞菌生物膜的基质成分，在对数期后期培养中特别释放，以响应QS信号，这似乎至少部分是通过含有DNA的OMVs的裂解发生的。
在幽门螺杆菌中，菌株TK1402相对于其他菌株具有较强的生物膜形成能力，与OMVs的产生高度相关，添加TK1402的OMV部分可以增强另一株菌株的生物膜形成。
来自一种生物体的omv也可能促进另一种生物体在生物膜中的粘附；例如，口腔病原体牙龈卟啉单胞菌的OMVs可以增强牙菌斑生物膜中多种其他口腔微生物的聚集和粘附。
MV作为资源获取的“公共产品”
在微生物群落中，一个细胞释放的mvv有可能为相同或不同物种的其他细菌提供好处。例如，多糖代谢在人类肠道微生物群的建立和组成中起着重要的作用。拟杆菌属有几种物种，每一种都有不同的能力利用完整到达人类结肠的各种多糖。
这取决于基因称为多糖利用位点（PUL），通常编码表面蛋白质可以绑定，分裂，或进口特定的多糖及其裂解产物，以及进一步分解这些产品一旦进入细胞，蛋白质和调节蛋白质。
OMVs与外膜（OM）的蛋白质组学分析 B. 脆弱和 B. 太陶微粒鉴定了只在OMV或OM中发现的蛋白质组，OMV特异性蛋白质组特别富含具有水解或碳水化合物结合活性的酸性脂蛋白。
这些OMV能够分解多糖，由此产生的产物可以被所有现有的细菌物种消耗，即使是那些没有产生初始OMV的细菌。
PUL编码的水解酶富集到OMV中表明，存在一种机制，选择性地将某些蛋白质包装到OMV中，以便在细胞外而不是在细胞表面。因此，包装成OMV的糖苷水解酶作为“公共产品”，有利于整个细菌群落。
在基于MV中输出的代谢酶的共享营养利用的情况下，使用这些MV来源的营养纯粹是受体细胞的利用，还是它们给MV生产者带来互惠利益。至少有一个已知的幽门螺杆菌生物膜的外膜囊泡。
透射电镜显微图显示了在富细菌培养基中形成生物膜形成过程中OMVs（箭头）的形成和释放。经许可复制。基于OMVs的合作取食策略，发生在卵形拟杆菌和普通拟杆菌之间，这两种物种通常在人类肠道中高密度地同时存在。
膜囊泡也可以通过其他方式促进微生物群落内的营养获取。它们是代谢酶基因水平基因转移的载体，就像肠道瘤胃中的纤维素降解瘤胃球菌一样。
Klieve et al.确定线性，双链DNA，并假设染色体DNA专门加工包装成mv基于其小片段大小，重复的DNA序列的存在可能用于包装，及其抵抗限制性消化（可能由于修改如甲基化），这表明DNA旨在出口细胞外。
野生型白桦的囊泡可以拯救不能降解结晶纤维素的突变体，这种纤维素降解的获得是可遗传的，表明囊泡在纤维素降解基因的水平基因转移中的作用。
虽然之前已知纤维素降解细菌产生含有纤维素小体的MVs，但该报告首次鉴定了与白桦囊泡相关的DNA，表明MVs除了直接纤维素降解。下面将讨论通过omv进行水平基因转移的进一步例子。
有多个例子的MV功能的铁，这是细菌生长的关键，但往往是有限的环境中由于其溶解度差在水中氧气的存在和积极影响由宿主生物隔离它作为一种免疫机制减缓病原体扩散。
例如，结核分枝杆菌在铁有限的条件下增加囊泡，这些MVs含有大量的mycobactin，一种铁螯合蛋白（铁载体）。
Mycobactin是一种疏水分子，它在细胞膜内或附近积累，然后可以有效地并入mv。一旦被释放到环境中，这些mv可以清除可用的铁，然后将其送回细菌细胞，无论是最初产生mv的细胞还是它们的邻近细胞。
在mv中隔离铁蛋白可能具有保护作用，因为在这种状态下，铁蛋白是巨噬细胞在免疫反应过程中释放的铁载体抑制因子。
从限制铁的培养基中生长的细胞中纯化的MVs可以恢复铁载体生物合成不足的突变细胞的生长，表明这些MVs具有强大的清除铁能力，以及它们作为社区资源的性质。
类似地，铜绿假单胞菌群体感应分子PQS主要输出到OMVs表面，可以在环境中结合Fe3+。含有PQS-Fe3+复合物的omv随后被TseF重新捕获，TseF是一种6型分泌系统（T6SS）输出蛋白，可结合PQS并与细胞表面的铁载体受体连接相互作用。
与代谢蛋白一样，PQS是一种疏水分子，omv提供了一种保护和扩散通过环境的载体，以及一种通过微生物种群运输必需元素的机制。
与MV作为有利于整个细菌群落的公共产品的证据相反，也有证据表明MV与细菌细胞的相互作用可能是有选择性的。来自肠杆菌的omv与相同或其他布蒂氏菌的细胞相互作用，而与大肠杆菌相互作用。
这可能是由于这些物种的细胞和omv的特殊理化学性质，如布氏菌属。与许多其他革兰氏阴性细菌相比（在细胞和omv之间产生更少的静电排斥），以及可能促进特定OMV-细胞相互作用的酵母识别细胞表面蛋白的潜力明显更低。
对mv-细胞相互作用的这种特异性的进一步研究，可能导致基于mv的定向货物运送到目标细菌细胞的策略。
笔者观点
膜囊泡还可以为微生物群落提供有害物质提供保护功能，如活性氧、抗生素、抗菌肽和噬菌体。在许多情况下，这再次通过作为“公共产品”的mv发生。例如，在幽门螺杆菌中，omv被部署作为一种保护机制，以防止从宿主免疫细胞释放的活性氧（图4）。
与细菌外膜相比，多个菌株的OMVs选择性地富集在过氧化氢酶KatA中，这些OMVs比全细胞裂解物具有更大的过氧化氢水解活性，从而保护周围环境氧化损伤细菌。
参考文献
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