全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011 年第 8 期
细菌蛋白分泌途径的研究进展
訾祯祯 杨志伟
(首都师范大学生命科学学院，北京 100048)
摘 要: 蛋白质分泌对于细菌的生长和繁殖具有至关重要的作用。在革兰氏阴性菌中，蛋白质分泌包括两步和一步分
泌途径，主要涉及 Sec、SRP和 Tat途径。近年来发现 I － VI型途径也参与胞内蛋白质转运。主要介绍革兰氏阴性菌蛋白分泌
的机制及生理意义。对于细菌蛋白分泌机制的深入研究将为细菌蛋白质分泌工程和病原微生物的防治带来有益启示。
关键词: 细菌 蛋白分泌途径 信号序列
Protein Secretion Pathways in Bacterial Cells
Zi Zhenzhen Yang Zhiwei
(College of Life Science，Capital Normal University，Beijing 100048)
Abstract: Proteins secretion plays a vital role in bacterial growth and multiplication． In Gram-negative bacteria，secretion takes
place in a two-step or one-step manner，mainly involving Sec，SRP and Tat secretion pathways． Recently，Type I － VI and more secre-
tion pathway have been identified to transport intracellular proteins． In this paper，the various secretion mechanisms and biological sig-
nificance in Gram-negative bacteria were discussed． Comprehensive understanding of the bacterial proteins secretion pathways will shed
some lights on the applied bacteria protein engineering and controlling pathogenic microorganism．
Key words: Bacteria Protein secretion pathway Signal sequence
收稿日期:2011-03-22
作者简介:訾祯祯，女，硕土，研究方向:生物化学与分子生物学;E-mail:zhen3709@ sina． com
通讯作者:杨志伟，女，博士，副教授，研究方向:生物化学与分子生物学;E-mail:yangzhiw2000@ yahoo． com． cn
细菌在细胞内合成的蛋白质需转运到细胞的某
些特定部位或分泌到细胞外行使特定的生物学功
能。在致病菌中，一些蛋白分泌途径则主要用于致
病性毒力因子的分泌。因此，蛋白质从细胞质运输
到细胞表面或胞外环境的过程对于绝大多数细菌来
说都是极为重要的。
大多数细菌都具有细胞质膜和细胞壁。革兰氏阳
性菌的细胞壁无外膜，只有较厚的肽聚糖层。而在革
兰氏阴性菌中，细胞壁分为两层，即外膜和薄的肽聚糖
层，在外膜和质膜之间具有周质空间。革兰氏阴性菌
的蛋白分泌需要跨越质膜和外膜两道屏障。为此，革
兰氏阴性菌演化出多种特殊的分泌机制，主要包括一
般分泌途径(general secretory pathway，GSP)或称“Sec”
途径、信号识别颗粒(SRP)途径和双精氨酸移位酶
(twin-arginine translocase，Tat)途径。近来，还发现一些
新的分泌途径，如 I －VI型分泌途径等。
1 革兰氏阴性菌的分泌途径
革兰氏阴性菌的多种蛋白质分泌途径，如图 1
和表 1 所示。
1. 1 两步分泌途径
两步分泌途径是一种高效蛋白分泌机制，在此
过程中分泌蛋白首先跨越质膜到达周质，然后越过
外膜转运到胞外环境。在以下分泌途径中，前 3 种
介导跨越质膜的转移，后 4 种促使周质中的蛋白质
穿越外膜，到达细胞表面或释放到胞外环境。
1. 1. 1 一般分泌途径(general secretory pathway，GSP
或 Sec途径) 在革兰氏阴性菌中，Sec 途径是蛋白质
主要的跨膜运输机制。Sec途径可以转运多种蛋白质，
包括毒性因子、菌毛、黏附素、侵袭素和蛋白酶等［2］。
Sec移位酶(translocase)是研究最为透彻的一种质
膜移位子(translocon)，它是由运输通道及其附属蛋白
组成的一个大型质膜蛋白复合体。构成 Sec移位酶的
2011 年第 8 期 訾祯祯等:细菌蛋白分泌途径的研究进展
关键组分有:SecA、SecYEG、SecDF、YajC和 YidC［1］。
两步分泌途径包含 Sec和 Tat途径，分泌物可以通过质膜;SRP途径只能将蛋白质插入质膜中，本图未显示;Ⅳ型
可以是两步分泌途径(依赖 Sec途径) ，也可以是一步分泌途径;Ⅲ型和Ⅳ型一步分泌途径可跨过三层膜，直接
进入真核靶细胞的细胞质;新发现的Ⅵ型途径可能是一步分泌途径，但分泌机制尚且未知
图 1 革兰氏阴性菌蛋白分泌系统概览图［1］
表 1 革兰氏阴性菌的分泌途径［1］
分类
分泌途径
I II III IV V 双组分分泌系统 VI 分子伴侣 /引导分子
分泌系统 3 组分 多组分 多组分 多组分 1 组分 双组分 未知 双组分
依赖 Sec的
底物分泌
否 是 否
否(一个
例外)
是 是 否 是
底物定位
细胞表面;
细胞外
细胞表面;
细胞外
宿主细胞内;
细胞外
宿主细胞
内;细胞外
细胞表面;
细胞外
细胞表面;
细胞外
细胞外 细胞表面
底物功能 各种 各种
主要为毒力
因子
各种
主要为毒力
因子
主要为毒力
因子
主要为毒力
因子
主要为毒力
因子
Sec途径主要功能是把蛋白质转运到周质中。
被转运的蛋白质尚未发生折叠或部分发生折叠，待
到达周质或胞外后才折叠成有活性的蛋白质。以大
肠杆菌为例，Sec 分泌途径大致可分为 3 步:定位、
跨膜转移和释放［1 － 3］(图 2)。
定位:典型的 Sec-识别信号序列长约 18 － 30 个
图 2 SecA驱动的 Sec分泌途径［4］
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 8 期
氨基酸，包含 3 个结构域:N端正电荷区域，疏水 H
区域和包含切割位点的 C 端区域。首先，SecB 与
分泌前肽的 N 端信号序列结合，使前肽处于松弛
构象以便分泌，然后将前肽结合到 SecA 上。SecA
是结合在 SecYEG 膜孔上的一种 ATP 酶，当 ATP
与 SecA结合后，SecA构象发生改变，使 SecB 从分
泌前肽上释放，SecA将前肽中一段约 2． 5 kD 的区
域(包含信号序列及其后部分成熟蛋白序列)送入
SecYEG转移通道中。与 SecYEG 结合的辅助蛋白
SecDF、YajC 和 YidC 在分泌途径中起调控作用。
跨膜转移:一旦前肽进入转移通道后，ATP发生
水解，变构的 SecA 构象得以恢复，从 SecYEG 上释
放出来。游离的 SecA 再去结合并转运后面另一段
约 2． 5 kD的多肽区域，直至经多次转运后将整个多
肽送入通道。因此，早期需要 SecA不断地水解 ATP
供能将多肽送入转移通道，后期主要靠质子移动力
(PMF)驱动多肽在转移通道中的移动。多肽完全
跨越质膜后，就留在周质中并通过其信号序列锚定
在质膜上。Sec介导的跨膜转移通常是一个翻译后
过程，但也可能发生在蛋白质完全合成之前，对于大
型蛋白更是如此。
释放:完成转移后，前肽中的信号序列便被
膜肽酶切除。在 E． coli 中，大多数蛋白质由信号
肽酶 I 进行处理。此外，脂蛋白的信号序列被信
号肽酶 II 降解，IV 型菌毛蛋白的 N-末端由 prepi-
lin 肽酶加工。信号序列被切除后，成熟多肽被释
放到周质中，之后被运送到目的地，而信号肽则
被蛋白酶 IV 降解。
1. 1. 2 信号识别颗粒(signal-recognition particle，
SRP)途径 SRP 途径专一性地运送质膜蛋白。E．
coli SRP由 4． 5S RNA和 Ffh蛋白组成，分别同源于
真核生物的 7S RNA 和 SRP 54 kD 亚基。Ffh 蛋白
可分为 3 个功能域:N 端的 N 域、具 GTPase 活性的
G域，以及富含甲硫氨酸的 M 域。SRP 的受体是膜
结合的 FtsY，同源于真核生物的 SRα。SRP 途径依
赖 Sec系统，其识别的信号序列与 SecB 相似，但中
心输水区域含有额外的疏水残基，这一结构决定了
蛋白转运是否采用 SRP途径。
SRP介导的质膜定位是一个共翻译过程而非翻
译后过程。新生肽一边在核糖体上合成，一边与
SRP的 Ffh和 4． 5S RNA结合。当 SRP与 FtsY受体
结合后，Ffh 的 GTPase 活性催化 GTP 水解，SRP 与
受体解离，新生肽向 SecYEG 复合体转移。在转移
过程中，新生肽的疏水区域在 SecY 和 YidC 协助下
插入质膜，而亲水区的移动需要 SecA 的 ATP 酶活
性和质子移动力。转运完成后，信号序列可能被切
除，或者留在膜蛋白中，而错误折叠的蛋白会从质膜
中移除，并在胞质中被 ATP-依赖的蛋白酶 FtsH
降解［1，5］。
1. 1. 3 双精氨酸移位酶(twin-arginine translocase，
Tat途径) Tat 途径识别的信号序列中通常含有
两个连续的精氨酸残基，因此被称为双精氨酸移
位酶途径。Tat 途径可以将完全折叠后的蛋白运
输到膜外，这是该途径与其他转运途径主要区别。
E． coli中，Tat途径主要转运含有氧化还原辅因子
的蛋白质，也可转运其他一些蛋白，包括毒力因子
等。此外，Tat 途径还可将少数蛋白质整合到质
膜中［6］。
E． coli 的 Tat 体系由 4 个膜蛋白构成:TatA、
TatB、TatC 和 TatE［7］。前 3 个蛋白由一个操纵子
(tatABC)编码。TatE 是 TatA 的失活形式，可能起
源于 TatA的一次基因倍增事件。TatA、TatB和 TatE
结构相似，N 端 α-螺旋嵌入质膜，胞质侧具有一个
两性螺旋。TatC是一个跨膜蛋白，含有 6 个跨膜螺
旋。TatBC复合物用于识别信号序列，而 TatA 的同
源寡聚物组成跨膜通道(图 3)。
图 3 Tat体系的蛋白质组分［8］
与 Sec途径相比，Tat识别的信号序列 N端正电
荷区较长，但疏水H区和 C端正电荷区相应缩短。信
号序列中还含有一段保守的(S /T)-R-R-x-F-L-K基序，
被 Tat体系中最为保守的元件 TatC所识别。
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有关 Tat途径的转运机制还不太清楚。目前认
为 TatBC首先识别分泌蛋白的信号序列，然后 TatA
与 TatBC结合，利用 PMF供能转运蛋白质。当转运
完成后，信号序列被前导肽酶切除，而蛋白质则被释
放到周质中以待下一步转运［7］。
Tat途径的转运直径在 20 － 70 的折叠后蛋
白，如此大的蛋白如何通过 Tat转运通道而不会发
生离子泄漏，研究发现，TatA 寡聚物形成一个带盖
的环形转运通道，通道直径最大为 70，可保证大
型蛋白的通过。此外，Tat 体系转运速度较慢，与
Tat体系相类似的类囊体 ΔpH 依赖系统每分钟运
输一个 150 个残基的蛋白质，而 E． coli的 Sec 移位
酶每分钟可大约转移 10 000 个氨基酸。因此不难
理解，E． coli中只有大约 35 种已知蛋白通过 Tat途
径转运，但有 450 余种蛋白通过 Sec 途径进行
转运［1，7］。
1. 1. 4 V型分泌途径(Type V) V 型是一种自主
转运系统(autotransporter，AT) ，分泌的蛋白大多是
与细菌致病性相关的毒性蛋白。例如，可以切割人
类免疫球蛋白的淋病奈瑟氏球菌蛋白酶，是第一种
被鉴定出来的 V型蛋白。
V型自主转运的蛋白前体包含 N端 Sec-依赖性
信号序列、内部载客结构域(passenger domain)和 C
端 β-结构域(图 4)。N 端信号序列长约 25 － 30 个
残基，介导蛋白前体通过 Sec 移位酶穿越质膜到达
周质空间。之后 C 端结构域嵌入外膜并形成一个
中央有亲水通道的 β-桶结构，介导内部载客结构域
穿越外膜。在细胞表面，内部载客结构域在分子伴
侣的协助下折叠为成熟蛋白［1］。成熟蛋白有些仍
与 β-桶连结，有些则通过自我酶解或在外膜蛋白酶
的作用下释放到胞外环境中。整个 AT 途径不需要
外部能量(ATP或 PMF)［9，10］。
1. 1. 5 双组分分泌途径(two-partner secretion，
TPS 途径) TPS 途径也分泌与细菌毒性有关的
蛋白质，但底物蛋白(TpsA)和移位酶(TpsB)分
别处于两个不同的肽链中，称之为双组分分泌
途径。
TpsA 和 TpsB 由同一个操纵子编码，分别具
有各自独立的 N 端信号序列。TpsA 和 TpsB 通
过 Sec 移位酶跨越质膜到达周质空间;随后 TpsB
图 4 V型分泌途径模型［11］
嵌入外膜中，C-末端形成 β-桶结构［15］，其余 1 /3 的
多肽部分留在周质中。TpsB 的 N 端结构域识别底
物 TpsA的 N 端结构域，同时促使 TpsB 通道打开，
允许 TpsA以 N端到 C端的顺序依次跨膜运输。由
于 TpsA通常是一个大型蛋白，它跨越质膜和外膜
的过程可能是耦联的。当 TpsA 到达细胞表面后折
叠形成活性构象，有一些 TpsA 蛋白需经过胞外蛋
白酶的水解才能成熟［1］。
1. 1. 6 分子伴侣 /分子引导分泌途径(chaperone /
usher pathway，CU途径) CU途径主要参与菌毛亚
基的分泌及其组装。CU 途径包含两个重要组分:
周质分子伴侣和外膜引导分子。周质分子伴侣包含
两个结构域，每个结构域有 7 个 β-链，结构与 Ig 相
类似，外膜引导分子是一个二聚体通道蛋白，内部直
径 2 － 3 nm。
菌毛亚基先经 Sec移位酶转运进入周质中。周
质分子伴侣与亚基特异区域相结合，引导亚基自身
的正确折叠，并阻止亚基间的过早结合［1］。之后，
分子伴侣把亚基转移到外膜引导分子上，经由其内
部通道跨越外膜，随后参与菌毛的组装和延伸。CU
途径也不需要消耗外部能量［1］。
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 8 期
1. 1. 7 Ⅱ型分泌途径(Type Ⅱ) Ⅱ型途径主要用
于分泌各种水解酶和毒素。包含大约 12 － 15 种蛋
白组分，以字母 A至 O和 S命名。这些蛋白成簇编
码在同一个操纵子上。其中，蛋白 D 定位于外膜，
其余组分定位于质膜或周质中。
在Ⅱ型分泌过程中，底物经 Sec 转位酶到达周
质后，折叠成天然构象，然后定向结合到Ⅱ型分泌体
系中，通过蛋白 D的 C-末端形成的 β-桶结构跨越外
膜。Ⅱ型体系中的 GHIJK形成一个菌毛状结构，通
过延伸和收缩，推动底物穿越外膜孔道。整个分泌
过程需要 ATP和 PMF供能［12］。
1． 2 一步分泌途径
1. 2. 1 Ⅰ型分泌途径(Type I，ABC 途径) Ⅰ型途
径可以将蛋白质直接从胞内运输到细胞表面或胞
外，主要含有 3 个组分:质膜 ATP 酶、外膜通道和膜
融合蛋白(在周质中形成一个通道用于底物运输)
(图 5)。Ⅰ型途径分泌的底物大多数是 pI 为 4 左
右的酸性蛋白质，与细菌致病性、结构支持等有关。
OMP．外膜蛋白;MFP．膜融合蛋白;ABC． ATP结合域
图 5 Ⅰ型分泌体系模型［1 3］
研究最清楚的是大肠杆菌溶血素(HlyA)的转
运。HlyA在 C端携带一个不能切割的长约 50 个氨
基酸的分泌信号序列，可以被质膜 ATP 酶 HlyB 识
别。HlyB与 HlyA结合后，构象发生改变，结合 ATP
并释放底物 HlyA。HlyA 通过膜融合蛋白 HlyD 运
输到达外膜，并经由通道蛋白 TolC 跨越外膜后折叠
成活性蛋白质。HlyA最终可以插入宿主细胞质膜，
导致细胞裂解［1］。
1. 2. 2 Ⅲ型分泌途径(Type Ⅲ) T3SS(Type Ⅲ
secretion system)分泌体系的结构类似注射器，是一
种可以将分泌蛋白直接注入宿主细胞的超分子复合
物(图 6)。注射过程需要跨过 3 层膜(细菌质膜、细
菌外膜和宿主细胞膜)。注射装置主要由多环型基
座、内杆和针状突起组成。针头状突起是一个直的
中空筒状结构，其内部有专门输送分泌蛋白狭窄的
的中心孔道(直径约 2 － 3 nm) ，孔道从底部的环状
结构一直延伸到针头的顶端。针头结构可以将致病
菌的毒力蛋白直接注入真核宿主细胞内。
当细菌与真核宿主细胞接触后，外界环境因子
刺激产生分泌信号。Ⅲ型分泌底物的 N 端携带
Sec-非依赖性信号序列，在分子伴侣的协助下定向
结合到分泌通道的入口。研究发现，Ⅲ型体系在面
向细胞质的一侧都含有 ATP 酶，推测底物利用 ATP
水解释放的能量穿过分泌通道。Ⅲ型分泌的蛋白底
物有两类:转位器复合物(translocator complex)和效
应蛋白。转位器在真核宿主细胞膜中形成孔道，使
“针头结构”经由孔道刺入宿主细胞，然后效应蛋白
通过“针头结构”进入宿主细胞内发挥作用［14 － 16］。
图 6 III型分泌途径［15］
1. 2. 3 Ⅳ型分泌途径(Type Ⅳ) Ⅳ型途径主要与
细菌整合机制有关，参与细菌 DNA的转移。在一些
致病菌中，该途径也参与毒力因子的分泌［17］。
研究最清楚的是农杆菌 VirB 系统。该系统是
一个跨越整个细胞被膜的大型蛋白复合体，包括
VirB1 － VirB11 和 VirD4 十二种蛋白(图 7)。其中，
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VirB6、7、8、9和 10形成跨膜结构，VirB2 和 VirB5 形成
胞外菌毛，VirB4、VirB11和 VirD4是质膜 ATP酶，整个
转运过程需要 ATP 和 PMF 提供能量［18］。在细胞质
中，被转运的 DNA与特异蛋白质(其 C端携带信号序
列)相结合，分泌信号将 DNA －蛋白质底物结合到质
膜蛋白 VirB6 上，然后底物经由分泌通道进行转
运［1］。已提出两种转运模型，一种是通道模型，指
底物通过已有通道转运，另一种是活塞模型，指底物
通过 VirB2 /5 形成的活塞状结构被推出细胞外。
图 7 Ⅳ型分泌体系［19］
百日咳毒素通过Ⅳ型的分泌需要两步，首先通
过 Sec途径跨过细胞膜，然后再通过Ⅳ型通道分泌
到胞外。
1. 2. 4 Ⅵ型分泌途径(Type Ⅵ) 目前在迟钝爱德
华氏菌、霍乱弧菌和铜绿假单胞菌中鉴定出Ⅵ型途
径，但结构元件和分泌机制尚不清楚。不同细菌来
源的分泌底物在蛋白序列上没有同源性，但 N 端皆
缺乏信号序列。已鉴定的蛋白底物多数为小分子毒
力因子(小于 20 kD) ，因此 VI型可能是病原菌发挥
毒性的另一条途径［20，21］。
2 革兰氏阳性菌的分泌途径
大多数革兰氏阳性菌通过 Sec、SRP 和 Tat 途径
转运蛋白。此外，G +菌还演化出其他特殊分泌途径
来分泌毒力因子或蛋白组分。
G +菌和 G–菌的 Sec 分泌途径是高度相关的，
但也存在一些差异。以枯草芽孢杆菌为例，Sec 体
系包含:SecA(动力蛋白) ，SecYEG 复合体(孔道蛋
白) ，SecDF(与 E． coli K12 SecD 和 SecF 不同，它是
一个融合蛋白) ，还可能含有 YrbF(YajC 同源物) ，
SpoIIIJ(YidC 同源物)和 YqjG(线粒体 Oxal 同源
物)。在 B． subtilis中没有发现 SecB 同源物，但通用
分子伴侣 CsaA可能起到类似作用［1］。
G +菌的 SRP 组分与 G–菌相似，包括:胞质小
RNA(scRNA，约含 270 个核苷酸) ，Ffh蛋白，类组蛋
白(HBsu)和受体蛋白 FtsY［22］。SRP 对于 B． subtilis
的生长和发育是必需的，然而并非所有革兰氏阳性
菌都是如此。例如，变形链球菌(Streptococcus mu-
tans)只有在低 pH 或高盐等胁迫条件下才需要
SRP，SRP 的作用可能在于分泌一些蛋白以抵御外
界侵害［23］。
大多数G+菌具有至少一组 Tat基因。如B． subtilis
中，Tat系统包括两个 tatC基因(tatCd和 tatCy)和 3个
tatA基因(tatAd、tatAy和 tatAc)。这两个 tatAC基因簇
编码不同的 Tat 移位酶，各自有不同的分泌底物。天
蓝色链霉菌(Streptomyces coelicolor)和结核分支杆菌
(Mycobacterium tuberculosis)分别可分泌 145 和 31 种
底物，但是这两种菌都只含有一组 Tat 基因，因此
Tat基因的数目与可分泌底物的数目并没有相关
性［24］。此外，大多数 G +菌的 Tat 移位酶只有 TatA
和 TatC而缺少 TatB，TatA可能补偿了 TatB的作用。
通过对 B． subtilis 的研究发现，并非所有携带双精
氨酸信号序列的蛋白都要通过 Tat 途径分泌，说明
某些 G +菌的 Tat信号序列可能与E． coli 的 Tat信号
序列存在差异［1］。
此外，在结核杆菌(Mycobacterium tuberculosis)
中还发现 ESX-1 途径(Snm，ESAT-6)可转运毒性蛋
白 ESAT-6 和 CFP-10［24，25］。在 B． subtilis 中还发现
类纤毛蛋白输出(Com)途径，但分泌机制尚且
未知［23］。
3 生物学意义
细菌的蛋白分泌途径对于细菌的信息传递、生
存和生长发育都起到至关重要的作用。对于致病菌
和共生菌而言，蛋白分泌是保证细菌与宿主细胞进
行相互作用的重要途径。致病菌为了在宿主体内生
存、繁殖和扩散，必须分泌一些毒力因子，这些病原
性的蛋白因子可经过细菌分泌途径进入宿主体内发
挥作用。而一些非致病菌为了适应其生活环境，也
向外分泌一些蛋白质，使细菌与周围环境进行物质
能量交换或是与其他细菌进行信息传递。
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 8 期
4 问题与展望
细菌蛋白分泌工程是基因工程的一个重要组成
部分，应用于多种生物技术工艺过程［26］。例如，疫
苗生产、药剂设计、生物治理(利用微生物净化有毒
废物或受污染水域)、酶 /药物生产等。这些应用技
术通常以细菌作为宿主来过量表达所需的外源蛋白
并分泌到胞外环境。另外，对病原菌毒力因子分泌
机制的研究，对于解析其分泌调控途径，寻找阻断致
病因子分泌的靶标具有重要意义。但是，由于现在
试验技术条件有限，对细菌的表达分泌研究仍然存
在不少困难。首先由于蛋白错误折叠和蛋白酶降解
会降低外源蛋白产量;其次，细菌分泌途径的关键环
节和蛋白组分的功能尚未完全研究清楚。因此，只
有通过对细菌蛋白分泌机制进行全面研究，对分泌
型宿主系统、影响表达分泌的诸多因素以及分泌产
物本身的结构等进行综合分析，才能提高外源蛋白
的表达水平，更好的开发和利用细菌的分泌系统。
随着未来分子生物学、分子遗传学和 DNA重组
等试验技术的发展，对细菌蛋白分泌机制和功能的
不断探索，在试验理论和工业生产方面都有极为重
要的意义。这不仅可以推动生物学科的发展，有利
于对高等动、植物细胞分泌途径的研究，而且将会创
造更高的商业价值和更广阔的医疗前景。
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 8 期
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(责任编辑 马鑫
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(责任编辑 狄艳红)
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