LPS - lipopolysaccharide là thành phần chính của lớp màng ngoài của vi khuẩn gram âm, góp phần quan trọng tạo nên sự toàn vẹn cấu trúc của vi khuẩn và giúp bảo vệ màng khỏi sự tấn công của một vài loại hóa chất, LPS cũng làm tăng điện tích âm của màng tế bào và giúp ổn định cấu trúc màng. LPS đóng vai trò chủ yếu trong sự xâm nhiễm của vi khuẩn vào tế bào chủ và có khả năng kích thích đáp ứng miễn dịch mạnh mẽ, nhiều nghiên cứu đã xác định LPS là yếu tố gây độc chính của vi khuẩn Aeromonas hydrophila 32]}[33].
Cấu trúc LPS gồm 3 vùng khác nhau: lipid A, oligosaccharide lõi và O antigen.
- Lipid A thường là đường đôi glucosamine gắn với nhiều acid béo, những chuỗi acid béo kị nước này gắn chặt phân tử LPS vào màng tế bào vi khuẩn, lipid A
là thành phần gây độc chính của vi khuẩn gram âm là do khi tế bào vi khuẩn bị ly giải bởi hệ thống miễn dịch, những mảnh vỡ của màng chứa lipid A được giải phóng vào vòng tuần hoàn, gây sốt, tiêu chảy, và có thể gây sốc nội độc tố (còn gọi là sốc nhiễm khuẩn).
- Lõi của LPS luôn luôn chứa một thành phần oligosaccharide gắn trực tiếp với lipid A và thường chứa đường như heptose và 3-deoxy-D-mannooctulosonic Acid (KDO, keto-deoxyoctulosonate).
- O antigen (O polysaccharide hoặc O side chain) là domain ngoài cùng của LPS, O antigen gồm nhiều phiên bản lặp lại (thường là 10 – 30 lần) của một đơn vị oligosaccharide (O unit), mỗi đơn vị Oligosaccharide gồm khoảng từ 2 đến 6 phân tử đường. O antigen tồn tại ngay bề mặt của màng tế bào vi khuẩn do đó nó là mục tiêu nhận biết của kháng thể vật chủ. O antigen có tính chuyên biệt kháng nguyên cao, sự thay đổi trong cách sắp xếp và liên kết giữa các phân tử đường trong O unit tạo nên các cấu trúc khác nhau của O antigen, và cũng là đặc trưng cho việc nhận biết kháng nguyên.
Hình 1.3: Cấu trúc của một phân tử Lipopolysaccharide (LPS) (http://nl.wikipedia.org)
Hình 1.4: Cấu trúc LPS trên màng vi khuẩn gram âm (http://nl.wikipedia.org) Từ lâu LPS được coi là nội độc tố và là nhân tố gây đáp ứng miễn dịch mạnh ở động vật, LPS cũng tham gia vào quá trình sản xuất nhiều loại chất trung gian liên quan tới sốc nhiễm khuẩn, LPS hoạt động như một nội độc tố đầu tiên vì nó bám vào phức hợp receptor CD14/TLR4/MD2 và xúc tiến sự tiết các cytokine tiền viêm trong nhiều loại tế bào đặc biệt là ở đại thực bào. Ngoài ra những nghiên cứu trong vài năm gần đây cho thấy LPS có vai trò trong việc hoạt hóa nhiều nhân tố phiên mã.
Trong quá trình tổng hợp LPS, lipid A và oligosaccharide lõi được tổng hợp cùng với nhau, trong khi O antigen được tổng hợp độc lập [ HYPERLINK \l "AVF98" 33 ]. Hầu hết các O antigen được tổng hợp theo con đường phụ thuộc Wzy (Wzy dependent pathway), tuy nhiên cũng có một vài loại O antigen được tổng hợp bằng các hình thức polymer hóa khác (Wzy independent pathway) 33]} [ HYPERLINK \l
"LLB97" 34 ].
Hình 1.5: Mô hình tổng hợp LPS ở vi khuẩn gram âm theo con đường phụ thuộc wzy (http://nl.wikipedia.org)
Trong con đường tổng hợp phụ thuộc Wzy, đầu tiên O unit được tổng hợp bằng cách chuyển liên tục những phân tử đường (từ đường tương ứng của nucleotide) đến lipid vận chuyển undecaprenol-phosphate (UndP) nhờ những enzyme glycosyltransferase chuyên biệt, quá trình này xảy ra trong tế bào chất. Sau khi được tổng hợp O unit hoàn chỉnh vẫn tập hợp trên lipid vận chuyển UndP, sau đó enzyme O unit flippase (Wzx) chuyển O unit từ màng trong ra màng ngoài, ở đó O unit được polymer hóa tạo thành O antigen nhờ O antigen polymerase (Wzy) và sau đó được nối với lipid lõi A nhờ enzyme WaaL ligase 34]}[ HYPERLINK \l
"HGu05" 35 ]36]}. Sự di chuyển cuối cùng của phân tử LPS hoàn chỉnh ra bề mặt tế bào được giả thiết là điều hòa bởi một phức hợp protein ngoài màng Imp/RlpB [ HYPERLINK \l "KHT07" 36 ].
Chiều dài chuỗi O antigen được điều hòa bởi gen Wzz còn được gọi là Cld [chain length determinant] hay Rol [regulator of O antigen length]. Khi chủng vi khuẩn bị đột biến gen Wzz thì chiều dài chuỗi O antigen sẽ phân bố một cách ngẫu nhiên 36]}. Tuy nhiên cho đến nay cơ chế protein Wzz ảnh hưởng tới quá trình polymer hóa vẫn chưa được hiểu rõ.
Theo Bastin và cộng sự cho rằng Wzz hoạt động như thiết bị bấm giờ phân tử, cho phép sự polymer hóa bởi O antigen polymerase (Wzy) tiếp tục trong một khoảng thời gian định trước nào đó hoặc cho tới khi chiều dài đặc trưng của chuỗi O antigen được hình thành. Một giả thuyết khác được đưa ra bởi Monora và cộng sự cho rằng protein Wzz hoạt động như một chaperone phân tử để tập trung phức hợp protein gồm enzyme Wzy, enzyme WaaL và chuỗi polysaccharide đang được hình thành, và khi đó chiều dài O antigen chuyên biệt là kết quả động học do tỉ lệ khác nhau của Wzy so với WaaL. Hiện nay vẫn chưa có bằng chứng sinh hóa cụ thể nào cho cả hai mô hình trên [ HYPERLINK \l "KHT07" 36 ].
Gen Wzz có tính chất bảo tồn loài cao, protein Wzz nằm trong họ
“polysaccharide co – polymerase” (PCP). Thành viên của nhóm này liên quan đến sự điều hòa chiều dài chuỗi của nhiều polysaccharide trong đó có O antigen, capsular polysaccharide, và exopolysaccharide. Protein Wzz có cấu hình màng gồm hai xoắn helix xuyên màng lần lượt nằm gần đầu amino và đầu carboxyl. Đến nay thông tin cấu trúc của những protein trong họ này vẫn chưa được xác định rõ 36]}.
O-antigen và một nhân tố khác là capsular polysaccharides đều tham gia vào tạo tính kháng huyết thanh của vi khuẩn A.hydrophila, các nhà khoa học cho rằng O- antigen và capsular polysaccharides đóng vai trò như rào cản đôi hoạt động ngăn cản sự tiêu diệt vi khuẩn của cơ chế miễn dịch cơ thể, trong một nghiên cứu đã chứng tỏ rằng nếu vi khuẩn bị loại bỏ hoàn toàn thành phần capsular polysaccharides khỏi bề mặt tế bào thì tính kháng huyết thanh vẫn còn khi thí nghiệm trên cá rô phi, do đó chỉ khi loại bỏ O-antigen thì tính kháng huyết thanh
của vi khuẩn A.hydrophila mới giảm đi và vi khuẩn giảm độc lực gây bệnh trên cá rô phi [6].