全 文 ：·综述与专论· 2012年第4期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
收稿日期 : 2011-08-26
基金项目 : 国家自然科学基金项目（30900839）
作者简介 : 郑小梅 , 女 , 博士研究生 , 研究方向 : 生物化学与分子生物学 ; E-mail: xiaomeizheng84@yahoo.cn
通讯作者 : 伍宁丰 , 女 , 研究员 , 硕士生导师 , 研究方向 : 微生物分子生物学与基因工程 ; E-mail: wunf@caas.net.cn
细菌为了生存、繁殖和扩散往往会向胞外分泌
一些蛋白，如脂肪酶等水解酶。由于许多外泌的脂
肪酶具有广泛的底物特异性、手性选择性、温度稳
定性及碱稳定性等优势，已被广泛应用于洗涤剂、
食品、油脂加工、化妆品和药品等工业化生产中。
对脂肪酶分泌的研究为提高细菌脂肪酶的高效分泌
表达等酶工程的改造奠定了理论基础。
革兰阳性细菌只具有一层质膜与一层厚厚的由
肽聚糖所组成的细胞壁 ；而革兰阴性细菌则有两层
生物膜，即内膜和外膜，并且在内膜与外膜之间为
周质空间。在革兰阳性细菌中，待分泌的蛋白只需
要在锚定信号的引导下，利用 Sec 依赖的分泌系统
（也可称为通用分泌系统，general secretory pathway，
GSP）跨过质膜就可释放到胞外完成分泌。在革兰
氏阴性细菌中，外泌蛋白在跨越内膜后，还必须进
行跨外膜转运。革兰阴性菌主要利用 I、II、III、 IV
与 V 型分泌系统来完成跨外膜转运（图 1）［1］。I 型
分泌系统较为简单，仅有 3 种蛋白参与，可将所分
泌的蛋白直接从胞质转运到胞外。II 型分泌系统常
被认为是 GSP 的主要末端，所分泌的蛋白先通过
Sec 依赖的分泌通道到达周质空间，在周质空间中
正确折叠后，再通过外膜上的通道蛋白跨外膜转运。
III 型分泌系统有一个复杂的跨越内膜与外膜的蛋白
质复合体，以类似注射器的方式，将所分泌的分子
细菌脂肪酶分泌的研究进展
郑小梅 伍宁丰 范云六
（中国农业科学院生物技术研究所，北京 100081）
摘 要： 细菌脂肪酶是一类重要的工业用酶，其分泌系统有着严谨的机制。革兰阳性细菌利用 Sec-转运系统使脂肪酶跨过质
膜完成分泌；革兰氏阴性细菌的外泌蛋白通过 Sec-转运系统、Tat-转运系统或其他机制跨越内膜后，还必须利用 I型、II型、III型、
IV型与 V型分泌系统来完成跨外膜分泌。详细介绍细菌脂肪酶分泌主要依赖的 Sec-或 Tat-跨内膜的转运系统及革兰氏阴性细菌的
I型、II型与 V型自分泌系统的 3种不同分泌方式。细菌脂肪酶分泌的研究对人们认识其分泌机制，并利用基因工程的手段提高其
外泌产量等具有重要的指导意义。
关键词： 细菌脂肪酶 蛋白分泌 I型分泌系统 II型分泌系统 V型自分泌系统
Research Progress on Bacterial Lipase Secretion
Zheng Xiaomei Wu Ningfeng Fan Yunliu
（Biotechnology Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081）
Abstract: Lipases represent the most important class of enzymes used in industry. Lipases secretion across the inner membrane of both
gram-positive and gram-negative organisms generally follows the same routes, involving the Sec-dependent pathway or twin-arginine translocation
（Tat） pathways. Translocation across the gram-negative inner membrane results in release of the protein into the periplasmic space. Therefore,
gram-negative bacteria have evolved I-V five dedicated secretion systems in order to achieve translocation of these proteins to the cell surface
and beyond. In this review, we comprehensively describe the Sec-dependent pathway, Tat translocation pathways, type I secretion system, type
II secretion system and type V secretion system involved in the lipases secretion. The researches on lipase secretion provide vital sources for
improving the secretion production of bacterial lipases by the genetic engineering methods.
Key words: Bacteria lipase Protein secretion Type I secretion system Type II secretion system Type V secretion system
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第4期28
直接从胞质输送到宿主细胞内。IV 型分泌系统和质
粒的接合转移系统有关，主要转运一些大分子物质。
V 型分泌系统较为特殊，分泌的蛋白在跨外膜转运
过程中似乎不需要能量和辅助因子（蛋白）参与，
因此又被称为自主转运蛋白系统。
Jaeger 等［2］将脂肪酶分为 7 个不同的家族，其
中家族 1-3 （Family I-III） 来源于革兰氏阴性菌，家
族 1 （Family I）与家族 2 （Family II）分别来源于假
单胞杆菌与伯克霍尔德菌，分子量多在 30 kD 左右，
都包含一个二硫键，并在周质空间中需要脂肪酶特
异折叠酶的帮助来获得正确构象后才能通过 II 型分
泌系统来分泌到胞外［3］。但家族 3 （Family III） 的脂
肪酶多为 50 kD 主要通过 I 型分泌系统来分泌，与
家族 1 （Family I） 及家族 2 （Family II） 的脂肪酶相似
性较低［3］。而革兰氏阳性细菌的脂肪酶则属于家族
4-7 （Family IV-VII），主要通过 Sec 依赖的分泌系统
跨越内膜完成其分泌。此外，GDSL 家族的酯酶比较
特殊，可通过 V 型分泌系统进行自我转运［4］。
图 1 革兰氏阴性菌的 5种不同分泌途径示意图［1］
1 跨内膜转运系统
1.1 Sec-移位子介导的跨内膜转运
Sec-移位子广泛存在于原核与真核细胞中，是
转运胞外蛋白、内膜蛋白及内质网等细胞器膜的驻
留蛋白。大多数细菌脂肪酶是以依赖于 Sec-移位子
系统的转译后跨膜进行跨内膜转运。对于革兰氏阳
性菌脂肪酶来说，这一途径是进行胞外分泌的最
终途径。但对来源于革兰氏阴性菌如 Pseudomonas
2012年第4期 29郑小梅等 ：细菌脂肪酶分泌的研究进展
aeruginosa、P. Alcaligenes、Burkholderia glumae、B.
cepacia与 Acinetobacter calcoaceticus等的脂肪酶而言，
通过 Sec-移位子系统进入周质空间后，还需要再经
由Ⅱ型分泌途径跨过外膜才能完成分泌［3］。
待分泌的脂肪酶以未折叠的形式转运，其 N-末
端含有信号肽。信号肽可以分为 3 个部分［5］：N 端
的正电荷区、中间的高度疏水区与 C 端包含信号肽
切割位点的极性区域。在跨膜转运时，信号肽会被
信号肽识别颗粒识别，完成跨膜后又被信号肽酶所
切割，使蛋白释放到内膜外。
Sec-移位子是较保守的［5］为由 SecY、SecE 与
SecG 所组成的异源三聚体 SecYEG 形成一个跨内膜
的通道。在翻译后转运的过程中，Sec-移位子还需
与胞质中的动力马达蛋白 SecA 互作，在能量供应
下完成转运。在膜蛋白的共转译转运中，Sec-移位
子则需与核糖体 - 新生多肽复合体互作，这一过程
也需要 SecDFyajC 复合体的辅助。 SecY 为 48 kD, 具
有较高的疏水性，其 α-螺旋可跨膜 10 次，是移位
子中最大的组分，对新生多肽的跨膜是必须的。在
E. coli中， SecE 只有 14 kD，是一个较小的膜整合
蛋白，其跨膜结构域跨膜 3 次，也是移位子所必须
的。SecY 在单独存在时对细胞有毒性，其过表达会
抑制细胞的生长与蛋白的转运。SecE 与 SecY 以等
分子形成复合体，SecE 可稳定 SecY，防止其被降解。
SecG 为 12 kD 具有两个跨膜结构域，可激活 SecYE，
促进新生蛋白的转运。在转运过程中，SecG 可能通
过瞬时的构象改变帮助马达蛋白 SecA 结合并插入到
移位子上。马达蛋白 SecA 为 ATPase，可与移位子
互作并为蛋白的跨膜转运提供能量。SecDFYajC 为
一个膜复合体，可与 Sec-移位子发生短暂的融合，
激活蛋白前体的转运。虽然 SecD 与 SecF 并不是必
须的，但是其缺失突变体的周质蛋白无法正常分泌
并且生长缓慢。YajC 在膜蛋白插入到内膜时发挥一
定的功能作用。此外，还有一些胞质分子伴侣，如
SecB 主要负责新生多肽在转运过程中的伸展状态，
防止未折叠区段的错误聚集。
在细菌中，内膜融合蛋白多采用共转译转运
途径，而需跨膜的蛋白如脂肪酶则一般利用转译后
转运途径。两者的分叉点在于转译的早期，即是新
生多肽刚刚从核糖体的出口出来时。信号肽识别颗
粒（signal recognition particle，SRP）就位于核糖体
的出口附近，可最先与新生多肽的信号肽（ribosome
nascent chain，RNC）相互识别而结合。共转译转运
途径 ：如果新生多肽的信号肽具有较高的疏水性与
螺旋性（helicity），SRP 就会与之结合，并使转译暂
停，直到 SRP-RNC 复合体达到内膜上的位于移位子
旁边的 SRP 受体（FtsY）。SRP 与 FtsY 形成一个异
源二聚体，并触发自身的 GTPase 活性，水解 GTP，
使 RNC 转移到移位子上。核糖体的出口与移位子的
通道紧密相对，使多肽链延伸，并通过链内的驻留
信号而镶嵌在内膜里。在转译后转运中，如果信号
肽的疏水性不是那么强，则会与一个触发因子（trigger
factor）相结合，避免与 SRP 过早的结合，保证蛋白
在胞质内会转译为完整的多肽。新生多肽往往通过
与胞质内的分子伴侣 SecB 的结合来维持自身处于
未折叠状态。SecB 与新生多肽的复合体可通过 SecB
与 SecA 的相互作用而达到移位子附近。然后，释放
SecB，SecA 水解 ATP 供能使新生多肽转移到移位子
上。在 SecA 供能下，信号肽穿过内膜，并引导多肽
以伸展的状态进入周质空间中，信号肽会被内膜周
质空间侧的信号肽酶所切割，使多肽释放到周质中。
在跨膜过程中，SecA 会提供能量使多肽链去折叠，
移位子附近的分子伴侣也会阻止多肽的聚集。
1.2 Tat-介导的跨内膜转运
除 Sec-移位子介导的跨内膜转运方式外，许多病
原菌还会利用双精氨酸转运途径（twin-arginine trans-
location, Tat） 跨内膜转运一些毒性因子，如 Pseu-
domonas aeruginosa［7］与 Mycobacterium tuberculosis［8］
等通过 Tat 转运系统将磷脂酶转运到周质后，再经
由 II 分泌系统分泌到胞外，破坏宿主的细胞膜。
Tat 转运系统可依赖于内膜内外的质子动力势使
折叠后的蛋白跨越内膜进入周质空间［6］。带转运蛋
白的信号肽也是高度保守的，与 Sec 移位子所识别
的信号肽类似，Tat 也包括 3 部分：N 端的正电荷区、
中间的高度疏水区及 C 端包含信号肽切割位点的极
性区域。但与之不同的是具有一个独特的双精氨酸
基序 S/T-R-R-X-F-L-K（X 为任何极性氨基酸），可
被 Tat 转运蛋白特异识别。因此，这类信号肽特被
称为 Tat 信号肽，并且这两个精氨酸在识别过程中
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第4期30
其重要作用。
E. coli的该转运系统主要由 TatA、TatB 及 TatC
组成，它会在待转运蛋白的诱导下形成大的通道［6］。
这种诱导机制可维持内膜的通透屏障与质子动力势。
TatC 是 Tat 转运系统中的最大的组分，较保守。E.
coli TatC 为具有 6 个跨膜结构域的内膜蛋白，其 N-
末端与 C-末端都朝向胞质侧。TatC 主要负责识别待
转运蛋白的信号肽互作，并且这种识别依赖于信号
肽中的双精氨酸基序。E. coli TatB 由 3 部分构成，N-
末端的跨膜结构域将 TatB 锚定在内膜上，中间为一
段铰链区，C-末端的亲水螺旋及一大段无规卷曲则
在胞质中。 C-末端的亲水螺旋对转运是必须的，但
无规卷曲在缺失后对转运无影响。TatB 可与 TatC 以
1 1 的比例互作形成一个膜复合体，TatB 负责维持
TatBC 复合体的稳定。此外，TatB 是 TatC 与 TatA
之间的中介者，使 TatC 的底物信号肽识别过程及底
物与 TatA 的结合联系起来。TatA 的数量最多，是
TatB 与 TatC 的 20 倍。其结构与 TatB 类似，比 TatB
少 89 个氨基酸，只含有更短的胞质螺旋与无规卷曲。
TatA 主要负责转运的最后阶段，可通过寡聚化形成
一个同源四聚体的 Tat 通道。TatA 的 N-末端跨膜结
构域可与 TatB 互作，其 C-末端的胞质结构在转运过
程中可能会插入到内膜中或者进入周质中。
Tat 转运系统的机制［6］可归结为 ：首先，当新
生多肽在核糖体上合成后，Tat 特异的分子伴侣会与
信号肽结合，避免其他转运识别颗粒的错误结合 ；
待分泌蛋白部分折叠或完成折叠后，会在协同因子
（cofactors）的陪伴下，与内膜上 TatBC 复合体相互
识别 ；随后，引起内膜质子动力势的改变，使与待
分泌蛋白结合的 TatBC 复合体与 TatA 组成的通道组
装为活性的转运系统，使待分泌蛋白进入通道，在
信号肽被切除后就可进入周质空间。
2 革兰氏阴性菌的跨外膜分泌系统
2.1 I 型分泌系统 （type I secretion system）
I 型分泌系统［9］是通过跨越内膜与外膜的复
合体利用 ATP 水解的能量将目的蛋白直接从胞质
转运到胞外，属于 Sec-非依赖型的分泌系统。该系
统较简单，仅有 3 种蛋白参与构成 ：位于内膜上的
ATPase、内膜融合蛋白（membrane fusion protein，
MFP）与外膜蛋白（outer membrane protein，OMP）。
依赖于此分泌系统的蛋白在 N 端无信号肽，但在 C-
末端则存在一个由保守基序 GGXGXD 重复序列所组
成的靶信号与一个两亲性的 α-螺旋，并且这类蛋白
在分泌过程中不会被加工，也不存在明显的周质空间
中间体。
目前，已发现来源于 Pseudomonas fluorescens
B52［9］和 P. fluorescens SIK W1 的脂肪酶 TliA［10］以
及 Serratia marcescens 的 脂 肪 酶［11］ 都 是 通 过 I 型
分泌系统进行分泌的。在 P. fluorescens SIK W1［7］，
ABC 转运蛋白的编码基因 tliDEF 位于脂肪酶的编
码基因 tliA 的上游，共同构成一个操纵子参与脂肪
酶 TliA 的分泌。tliD 编码 ABC 蛋白，由跨膜结构
域（transmembrane domain，TMD） 与 ATP 结 合 域
（ATP-binding cassette domain，ABC） 组成。跨膜结
构域 TMD 由 α-螺旋组成，负责将蛋白整合到内膜中；
ATP 结合域则暴露到胞质中，具有保守的 Walker A
基序 （GXXGXGKS）。两结构域在 TliD 中是以 TMD-
NBD-TMD-NBD 的顺序来进行排列的。tliE 编码膜融
合蛋白，通过 N 端的疏水结构域将蛋白锚定在内膜
上，其余部分则位于周质空间中 ；可分别与 ABC 蛋
白 TliD 和外膜蛋白 TliF 相互作用。tliF 编码外膜蛋
白，可通过三聚化在外膜上形成一个延伸到周质空间
的大通道，允许脂肪酶 TliA 的跨外膜转运。脂肪酶
TliA 分子量较大，为 49.9 kD，是一个热稳定性很好
的蛋白。
ABC 转运蛋白的分泌机制［9］是通过控制通道
对膜内外的开放与偶联 ATP 的水解来实现的，相当
于是一种依赖于 ATP-门控模式。在无等待分泌的蛋
白时，ABC 蛋白 TliD 的跨膜结构域是朝向胞质的。
当脂肪酶与 ABC 蛋白 TliD 通过跨膜结构域 TMD 的
识别位点结合后，会引起 ATP 结合域的构象改变形
成 ATP 开关，而结合 ATP 并将其水解。在这种动力
作用（power stroke）下，跨膜结构域 TMD 的构象也
会变化，形成一个朝向周质空间的亲水性裂缝，驱
动脂肪酶进入膜融合蛋白 TliE 三聚化形成的通道，
穿越周质空间，进入外膜蛋白 TliF 三聚化形成的通
道，最终分泌到胞外。
虽然目前对于转运机制中的细节问题，如跨膜
方式与 ATP 水解偶联机制等还尚不明确，但已有很
2012年第4期 31郑小梅等 ：细菌脂肪酶分泌的研究进展
多研究者利用 ABC 转运系统来提高脂肪酶的分泌
量。Ahn 等［12］通过将 tliA 与 tliDEF 在 P. fluorescens
共表达，发现可大大提高脂肪酶的分泌量。Eom 等［13］
发现，TliDEF 也可使脂肪酶 TliA 在 Escherichia coli
中得到有效的分泌，并发现 TliDEF 的定向改造可增
加分泌效率。此外，Song 等［14］将操纵子 tliDEFA 在 S.
marcescens KCTC 2798 表达后，发现脂肪酶 TliA 的
分泌量是在原菌中的近 10 倍。
2.2 II 型分泌系统 （type II secretion system）
II 型分泌系统是 GSP 的主要末端分支（main
terminal branch），分泌蛋白时需要两步，蛋白首
先通过 Sec-移位子或 Tat-转运系统（twin-arginine
translocation）跨越内膜进入周质空间中 ；在周质
空间中获得正确构象后，再通过由 12-16 种不同蛋
白组成的复杂的分泌子（secreton）穿过外膜分泌
到胞外［15］。而折叠错误的脂肪酶会被周质空间中
的蛋白酶所降解。脂肪酶能否正确折叠是分泌的关
键，其折叠过程是在脂肪酶特异折叠酶与和二硫键
形成蛋白的共同参与下完成的。大多数细菌如 P.
aeruginosa、P. Alcaligenes、B. glumae、B. cepacia 和
Acinetobacter calcoaceticus等均采用分泌子介导的Ⅱ
型分泌途径分泌其脂肪酶［3］。
II 型分泌系统的分泌子最早是在 Klebsiella
oxytoca中发现的，是参与分泌普鲁兰酶的 Pul 系
统［18］。随后，在 P. aeruginosa 中发现一个由 12 基
因所组成的操纵子编码 Xcp-分泌子，该分泌子可
分泌不同的蛋白［15］。虽然目前已在不同的菌株中
发现功能相似的分泌子系统，如 Erwinia carotovora
中的 Out- 分泌系统，Vibrio cholerae中的 Eps-系统，
Burkholderia pseudomallei 中 的 Gsp-系 统 等［19］， 但
对 Xcp-分泌子的研究最为详尽，所以接下来以 Xcp-
分泌子为代表来介绍 P. aeruginosa 中的 II 型分泌
系统［15］。
2.2.1 假纤毛系统（Pseudopilins） 在 P. aeruginosa
的 Xcp-分泌子中，存在一个特殊的蛋白 XcpA，其
编码基因并不在 Xcp 操纵子中而是位于 IV 型纤毛组
装所需的操纵子中，也可称为 PilD。XcpA/PilD 通过
8 个跨膜螺旋位于内膜上，是纤毛亚基前体的蛋白
酶，可切除纤毛亚基前体 N-末端的导肽使其变为成
熟的纤毛亚基，随后还可使成熟的纤毛亚基 N-末端
第一位上保守的苯丙氨酸甲基化。成熟的纤毛亚基
就可以通过疏水性 N-末端的互作螺旋式上升组装为
纤毛。XcpA/PilD 也通过类似的机制来使参与 II 分
泌系统的假纤毛成熟。由此可见，XcpA/PilD 是 IV
型纤毛组装与 II 分泌系统的假纤毛组装所共用的。
Xcp-分泌子的 5 个蛋白 XcpT-X 具有与 IV 型纤
毛亚基相似的 N-末端，故被称为假纤毛亚基。同样，
也可被 XcpA/PilD 切除导肽与甲基化苯丙氨酸而成
为成熟的假纤毛亚基，组装形成假纤毛。假纤毛可
以在内膜 ATPase （XcpR）的驱动下不断延伸穿越周
质达到分泌孔道；还可在周质中另一个ATPase （PilT）
的作用下发生解聚化再收缩回来。假纤毛的这种延
伸与收缩的机制保障了分泌蛋白的外泌，称为开关
运动（twitching motility）。
2.2.2 内膜平台（inner membrane plateform） Xcp-
分泌子中，许多内膜蛋白 XcpR、XcpS、XcpY 和
XcpZ 通过相互作用组合在一起，为假纤毛的组装提
供一个平台，特称为内膜平台。XcpR 为内膜 ATP
结合蛋白，具有典型的 Walker A 与 Walker B 基序，
主要为假纤毛亚基跨越内膜提供能量，可与 XcpY
结合。XcpS 通过 3 个跨膜螺旋整合在内膜上，具有
一个较小的周质 loop 与两个较大的胞质结构域，可
结合于 XcpR，还可与假纤毛亚基结合帮助其转位与
组装。XcpY 与 XcpZ 在结构上互补，可相互契合形
成一个稳定的亚复合体。研究发现，内膜平台的搭
建就是通过蛋白之间互作的级联反应来完成的。首
先，XcpZ 会决定平台搭建的位置，然后招募 XcpY
形成稳定复合体，再通过 XcpY 将 XcpR 招募过来完
成平台的搭建组装。
此外，还存在一个内膜锚定蛋白 XcpP，也可
通过锚定在内膜上的 N-末端与 XcpR、XcpY 发生瞬
间互作，但其位于周质的结构域的较大的 C-末端又
可与外膜上通道蛋白 XcpQ 相互作用。XcpP 可能参
与外泌蛋白的识别及外膜通道的精细调控。基于外
XcpP 的特殊结构，有研究者推测，外泌蛋白跨越外
膜通道的能量可能是由 XcpR 提供的，并通过内幕
平台与 XcpP 的构象改变而传递。
2.2.3 外膜通道复合体 （outer membrane complex）
XcpQ 也是分泌子的组分，是唯一位于外膜上的蛋白。
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第4期32
其 C-末端较为保守，镶嵌于内膜上，负责 XcpQ 的
寡聚化与外膜通道的形成。12 个 XcpQ 亚基在 C-末
端的互作下形成一个直径为 100 Å的门控式通道，
可允许折叠好的蛋白通过。N-末端不像 C-末端那么
保守，负责与 XcpP 或外泌蛋白的结合，还可作为
通道的门拴决定通道的开关。外膜通道的开关机制
既可应答蛋白的分泌，又可防止外界有害物质进入
周质。
II 型分泌系统所分泌的蛋白在氨基酸序列上是
毫不相关的，可能在蛋白的高级结构中存在一个分
泌斑来与周质驻留蛋白相区别。虽然至今还未明确
鉴定到这样的分泌斑，但有研究者推测，XcpP 与
XcpQ 最有可能参与到分泌斑的识别。这两个蛋白是
II 分泌系统的“门卫”，决定分泌的特异性。Michel
等［20］通过鉴定了一对 XcpP-XcpQ 同源蛋白 XphA
与 XqhA 支持这样的观点。
2.2.4 II 型分泌系统的基本分泌机制 II 型分泌系
统分泌蛋白的模式，如图 2 所示。外泌蛋白首先通
过 Sec-或 Tat-跨内膜转运系统穿过内膜，切除信号
肽进入周质 ；在周质辅助蛋白的帮助下，获得正确
的成熟构象，同时可能也形成一个分泌斑 ；XcpP
的周质结构域识别分泌斑后构象改变，与外膜通道
XcpQ 互作，并将外泌蛋白转移至外膜通道中 ；与此
同时，XcpP 的构象改变也会触发内膜平台 XcpRSYZ
的搭建，使假纤毛亚基 XcpT-X 在被 XcpA 加工成熟
后，组装为假纤毛，并在 XcpR 的能量供应下，穿
过周质延伸至外膜通道中，使 XcpQ 的 N-末端构象
改变，通道打开释放处于孔道中的外泌蛋白，使其
分泌至胞外。随着外泌蛋白的释放，XcpQ 恢复构象，
激活假纤毛的解聚，整个分泌子装置回到原来的
构象。
对蛋白分泌机理的研究可使人们利用基因工程
图 2 P. aeruginosa Xcp-分泌子各编码基因的染色体定位与 II型分泌系统的细致示意图
B. II 型分泌系统的细致示意图，外泌蛋白首先通过 Sec-或 Tat-跨内膜转运系统穿过内膜，切除信号肽进入周质 ；在周质的辅助蛋白的帮助下，获
得正确的成熟构象后，可能也同时形成一个分泌斑 ；XcpP 的周质结构域识别分泌斑后构象改变，与外膜通道 XcpQ 互作，并将外泌蛋白转移至
外膜通道中 ；与此同时，XcpP 的构象改变也会触发内膜平台 XcpRSYZ 的搭建，使被 XcpA 加工成熟的假纤毛亚基 XcpT-X 组装为假纤毛，并
在 XcpR 的能量供应下，穿过周质延伸至外膜通道中，使 XcpQ 构象改变通道打开释放处于孔道中的外泌蛋白，使其分泌至胞外。OM 为 outer
membrane 的缩写，代表外膜 ； Peri 为 periplasm 的缩写，代表周质空间 ； IM 为 inner membrane 的缩写 ；Cyto 为 cytoplasm 的缩写，代表胞质 ；跨内
膜的转运系统为图中的浅灰色表示的 Sec-移位子系统与深灰色表示的 Tat 转运系统 ；Effector molecule 为待分泌蛋白
A. Xcp-分泌子各编码基因的染色体定位，除 xcpA/pilD 不位于同一个操纵子外，其他 xcp 基因都位于同一个操纵子中。xcpP 与 xcpQ 为同一读码方
向，其他基因的读码方向与之相反。xcpQ 编码的蛋白为外膜通道蛋白（secretin）；xcpR 编码一个 ATP 水解酶（NTPase）；xcpT-X 编码假纤毛亚基
（pseudopillins），而 xcpA/pilD 则编码纤毛亚基前体蛋白酶（prepillin peptidase）；
2012年第4期 33郑小梅等 ：细菌脂肪酶分泌的研究进展
的手段通过对相关蛋白的改造与修饰来提高蛋白的
分泌表达量，使其更好的工业化。如 P. alcaligenes
脂肪酶就以类似的方式进行分泌，当人为增加分泌
子在菌体内的拷贝数时，细胞外脂肪酶的分泌量可
显著增加［21］。由此可见，增加分泌子的拷贝数以提
高胞外脂肪酶的分泌是行之有效的。
2.3 V型分泌系统 （type V secretion system）
V 型分泌系统的分泌装置较简单，其分泌的蛋
白在跨外膜分泌时似乎不需要能量与其他辅助蛋白，
因此又被称为自分泌系统 （autotransporter）。这类蛋
白首先通过 Sec-移位子进行跨内膜转运，进入周质
后，再通过自身 C- 末端的结构域在外膜上形成一个
β 折叠桶组成的通道，使 N-末端穿过外膜，分泌到
胞外或锚定在外膜上［1］。根据结构或分泌机制的细
微差异，V 型分泌系统可分为 3 种亚型［1］：即自转
运蛋白系统（autotransporter system，Va 亚型）、双
组分转运系统（two partner secretion pathway，Vb 亚
型）和寡聚卷曲螺旋黏附素家族（oligomeric coiled-
coil adhesins，Vc 亚型）。分泌蛋白的氨基酸序列与
生物合成分泌途径具有显著的相似性，主要包括 3
个区域［1］：即位于 N-末端可被 Sec-转运系统所识别
的信号肽序列；N-端结构域即乘客结构域（passenger
domain）为分泌到胞外的区段 ；C-端结构域即自转
运结构域，包括由 α-螺旋组成的短链接区与反向平
行的两亲性的 β-折叠片层结构，其 β-折叠片层可插
入外膜形成 β-折叠桶状的跨膜通道，在无任何辅助
蛋白的协助下，可将乘客结构域分泌至外膜表面。
P. aeruginosa是重要的人类病原菌，可向胞外
分泌许多的脂类水解酶如磷脂酶 C、易水解长链甘
油酯的脂肪酶和易水解短链甘油酯的酯酶。Wilhelm
等［22］ 在 P. aeruginosa PAO1 发 现 一 个 新 型 酯 酶
EstA，大小为 69.5 kD，具有自转运蛋白的结构特
点，N-末端的结构域具催化活性，暴露在细胞表面；
C-末端的结构域与自我转运蛋白的相似性较高，可
能负责将 EstA 转运到细胞外，但整个蛋白却如细
胞表面展示蛋白一样锚定在细胞上。利用 EstA 的
C-末端转运结构域的特性，成功地将具有较高工业
化应用价值的脂肪酶在 E. coli中进行了细胞表面展
示［23］。此外，来源于 Salmonella enterica的外膜酯
酶 ApeE［24］、Xenorhabdus luminescens 的 Lip-1［25］及
Moraxella catarrhalis的 McaP［26］等都属于 GDSL 酯
酶家族，分子量都在 70 kD 左右，与 EstA 相似都以
自转运系统来跨越外膜。
3 展望
细菌脂肪酶以其广泛的底物特异性、手性选择
性、温度稳定性及碱稳定性等特性在食品营养、油
脂化学品工业、造纸工业、洗涤和生物表面活性剂
的合成以及药物合成等许多领域都得到广泛应用。
从自然界中筛选得到的脂肪酶产生菌中，脂肪酶基
因受到较为严谨的调控，因此脂肪酶的生产量较少。
但工业应用需要脂肪酶的大规模的生产，因此，不
断深入研究细菌脂肪酶的表达与分泌的机制，可为
人们利用基因工程或代谢工程的手段来提高脂肪酶
的分泌量奠定理论基础。目前已通过增加分泌系统
的拷贝数等方法，成功提高了脂肪酶在同源表达或
异源表达系统中的分泌量。不同的脂肪酶的分泌方
式与结构特点的明确还有利于对其进行分子改造与
利用。例如，可利用P. aeruginosa PAO1中的EstA的C-
末端自转运结构域来对其他高价值的脂肪酶进行细
胞表面展示，制成具有高催化能力的菌剂等。此外，
脂肪酶作为一种毒性因子，在许多致病菌的繁殖与
定殖中起关键作用。脂肪酶的分泌机制及分泌系统
的调控机制的研究，对发现新的药物作用靶点与研
制新型抗菌药物具有较大的促进作用。总而言之，
对于细胞脂肪酶的分泌机制的深入研究，将使人们
更好地理解细菌的致病机制和进化过程，也将促进
相关研究在医药和生物技术领域具有更广阔的应用。
参 考 文 献
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（责任编辑 狄艳红）