细菌分泌系统对于细菌的发育、种内和种间竞争、营养获取、毒力、生理、遗传、生态都非常重要。细菌利用分泌系统将蛋白质分泌到细胞外，也是细菌适应生境所必需的。分枝杆菌Ⅶ型分泌系统及其底物与结核分枝杆菌致病密切相关，笔者将对Ⅶ型分泌系统的组成、结构、底物和功能进行介绍，尤其是与宿主相互作用中的功能，以期为研发结核病新的控制措施提供基础。

　　分枝杆菌基因组鸟嘌呤和胞嘧啶含量高达66%，属于放线菌，广泛分布于环境中。大多数分枝杆菌是不对人类致病的腐生菌(saprophyte)，如大多数的快生型分枝杆菌。少数对人类致病，如脓肿分枝杆菌(Mycobacterium abscessus)。慢生型致病菌较少，包括结核分枝杆菌(MTB)和麻风分枝杆菌(M.leprae)。

　　分枝杆菌细胞包被(lipid-rich cell envelope)富含脂类，具有标准的内膜和分枝杆菌特异性的外膜(mycomembrane)，可能发挥类似革兰阴性杆菌外膜的屏障功能。枝菌酸是细胞浆膜的第二疏水层。生物化学、生物学证据表明这层膜类似革兰阴性杆菌的外膜，但不同于脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)外膜。这层特殊的膜可能是趋同进化(convergent evolution)的结果，也可能是棒状杆菌属持留菌较难控制的结构基础，因为该独特结构可以保护细菌在多种环境存活和抵抗感染过程中遇到的逆境，如脱水、抗菌酶和机械胁迫。视具体种而异，细胞包被中的特殊脂肪酸——枝菌酸，一般链长可达30～100个碳原子。该结构的稍微改变可能导致毒力改变。分枝杆菌在不影响细菌毒力的情况下，是如何分泌蛋白质到细胞表面或胞外?因此，分枝杆菌跨膜运输生物分子需要有效的分泌系统。所有细菌都具有保守的一般分泌途径(Sec)和双精氨酸转位(twin arginine translocation，Tat)转运系统。这2个系统具有N-端信号肽，在运输过程中被切除。分枝杆菌脂蛋白信号肽(SecA2)途径与标准的Sec translocon转位系统一起运输部分蛋白。MTB的Sec途径至少包括Rv3240c(secA1)、Rv1821(secA2)、Rv2587c(secD)、Rv0638(secE1)、Rv0379(secE2)、Rv2586c(secF)、Rv1440(secG)、Rv0732(secY)。MTB的Tat分泌系统至少包括4个组分:tatA(Rv2094c)、tatB(Rv1224)、tatC(Rv2093c)、tatD(Rv1008)。Sec和Tat位于周质空间，其他蛋白分泌到胞外。分枝杆菌分泌系统的大部分基因是必需基因，类似其他细菌的运输系统。

　　ATPase驱动的Ⅶ型分泌系统(type Ⅶ secretion system，T7SS)与致病菌-宿主的相互作用、致病菌进化及毒力密切相关。深入认识Ⅶ型分泌系统生物学对于寻找药物靶标、研发疫苗等致病菌的诊断和治疗措施非常关键。T7SS并非MTB等分枝杆菌特有，许多放线菌(actinobacteria)都存在Ⅶ型分泌系统，如Rhodococcus、Corynebacterium和Nocardia，但是Ⅶ型分泌系统的认识多数来自分枝杆菌为模式的探索。

　　在硬壁菌(firmicutes)，如金葡萄球菌(Staphylococcus aureus)和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)也有少数保守的T7SS组分，但具有独特的结构。很多硬壁菌的T7SS系统分泌毒素，可能参与种间拮抗。金葡萄球菌同源系统称为早期分泌抗原靶蛋白6(ESAT-6)分泌系统(ESAT-6 secretion system，Ess)，是感染过程中毒力因子分泌所必需的，也参与了毒素介导的细菌竞争。T7SS尚未发现位于周质空间的底物，可能专门负责分泌蛋白到胞外。

　　MTB致病关键毒力因子如EsxA及其蛋白质伴侣EsxB的分泌依赖于ESX-1分泌系统。ESX位点得名于第一个被鉴定的分泌底物EsxA。EsxA属于WxG100蛋白家族。WxG代表2个保守的氨基酸:色氨酸和甘氨酸，中间是其他氨基酸。该家族的蛋白平均大小约100个氨基酸。ESX-1系统的底物EsxB也属于WxG100家族。EsxA可能具有双功能，既是分泌底物，也是分泌机器的组分。EsxA和EsxB形成异二聚体，以折叠形式分泌。金葡萄球菌的T7SS分泌的WxG100是一个Esx蛋白，形成同二聚体。

　　5个ESX系统在基因含量(gene content)、基因顺序(gene order)方面类似，但是功能不同。根据功能分类，能分泌蛋白质的有ESX-1、ESX-3和ESX-5，尚无证据表明通过ESX-2或ESX-4分泌底物。ESX-2未见相关研究，其他4个亚类分别有不同程度的研究。MTB的ESX-1和ESX-5决定关键毒力，但具体机理不同。ESX-1可以裂解宿主细胞吞噬体(phagosome)，负责逃离吞噬体。esx-1突变菌株不能裂解红细胞。也有证据表明，无毒的M.kansasii也能够有效分泌EsxA。体内感染时，依赖EssC分泌的EsxA对单核细胞性李斯特菌有害。

　　ESX-5分泌分枝杆菌特异性的PE和PPE蛋白质，稳定细胞壁。海分枝杆菌(M.marinum)和MTB的ESX-5系统、耻垢分枝杆菌(M.smegmatis)和MTB的ESX-3系统在金属离子稳定中发挥重要作用。ESX-5系统及其分泌底物PPE10是维持鱼致病菌——海分枝杆菌细胞壁完整性所必需的。

　　每个ESX分泌机器是多个蛋白质组成的复合体(multi-protein complex)，包括保守组分(ESX conserved components，Ecc)和分泌相关蛋白(ESX-secretion associated proteins，Esp)，以及Esx和PE/PPE蛋白，既有分泌机器的结构组分，也有分泌底物。主要成分是细胞浆和膜锚定的ATP结合蛋白(ATP-binding proteins；分别是EccA和EccC)，以及介导依赖ATP的跨内膜分泌ESX底物的多次跨膜蛋白质(EccB、EccD、EccE)。ESX底物从外膜转位的机制研究较少，外膜主要是磷脂。膜锚定的复合物EccE或EccC可能横跨内膜和外膜，虽然目前关于分泌系统外膜的组分存在还有争议。其他ESX系统的组分包括膜结合的枯草杆菌蛋白酶样丝氨酸蛋白酶mycosins(MycP1～MycP5)。这些蛋白酶可能通过蛋白质水解ESX底物如EspB，影响ESX活性。ESX的功能至少包括DNA水平转移、代谢物摄取和细胞生理。脓肿分枝杆菌(M.abscessus)毒力需要ESX-4。上述表型只在快生型分枝杆菌中被发现。ESX-5或ESX-5底物参与营养物质的跨膜运输。如海分枝杆菌的ESX-5参与脂肪酸摄取和利用。MTB特异性PE/PPE可能作为选择性通道(selective channel)，供通过分枝杆菌通透性差的膜摄取外源物质。在低磷酸浓度条件下，MTB的ESX-5相关基因被Pst-SenX3-RegX3系统上调。突变阻断合成枝菌酸(mycolic acids)-结核分枝杆菌硫蜡醇(phthiocerol dimycocerosates)和酚糖脂(phenolic glycolipids)或者异源表达MspA孔蛋白porin等增加外膜通透性的事件可以降低海分枝杆菌 ESX-5的必需性。MspA结构类似革兰阴性杆菌的外膜蛋白，可以利用短的β-片层(β-sheet)跨膜功能域横跨外膜，形成β-桶(β-barrel)状结构。

　　ESX位点中最短的是ESX-4，也是Mycobacterium属中最古老的ESX。其他ESX位点似乎源自ESX-4样系统的基因重复，以及插入额外的基因。如插入pe和ppe基因。这些事件可能发生在ESX-1分化时和分化后。ESX-1位点的pe和ppe基因是该家族的祖先成员，在MTB中扩增，高达基因组编码能力的8%，PE和PPE蛋白是宿主免疫系统识别的重要免疫原。ESX-1在MTB和坎纳分枝杆菌(M.canettii)中高度保守，可能是致病所需。许多分枝杆菌也丢失ESX-1位点，包括致病的分枝杆菌，如鸟分校杆菌(M.avium)和溃疡分枝杆菌(M.ulcerans)。这提示ESX-1的底物可以被其他分子代偿。例如，溃疡分枝杆菌分泌的毒素mycolactone，鸟分校杆菌产生的糖肽脂(glycopeptidolipid，GPL)对巨噬细胞有毒性，可以代偿ESX-1底物的功能。

　　通过分析结核分枝杆菌复合群(MTBC)株系3、4、5和7的蛋白质组，推测毒力和其他生理特征的演化发现:株系7中有些蛋白质丰度降低，如参与DNA损伤修复、Ⅶ型分泌系统的ESX-3和ESX-1的蛋白质。

　　espACD基因簇位于基因组的其他地方，是MTB的ESX-1分泌所必需的，在海分枝杆菌、麻风分枝杆菌和坎纳分枝杆菌中保守。espACD基因产物(ESX-1相关的EspA、EspC、EspD蛋白)分泌与ESAT-6和CFP-10一样相互依赖(如EspA和EspC)，而不是ESX-1另一个底物EspB。其他Esp蛋白，如MTB的EspF1或EspG1不影响ESAT-6/CFP-10的分泌，但为毒力所必需。espACD簇受到几个主要转录激活因子如PhoP、EspR和(或)MprAB的调控。海分枝杆菌和麻风分枝杆菌中存在espACD簇的直向同源分子，但在含ESX-1的快生型分枝杆菌如耻垢分枝杆菌中尚未发现，耻垢分枝杆菌的ESX-1系统主要负责DNA接合转移(conjugational DNA transfer)，而招募来的EspACD主要发展为蛋白质分泌系统，与细菌毒力相关。espACD位点可能在慢生型分枝杆菌中进化而来，或者被转移到部分慢生型分枝杆菌，赋予ESX-1系统新功能。

　　海分枝杆菌 ESX-1系统的底物EspE和EspF经WhiB6负调控基因表达。ESX-1底物在分枝杆菌胞内和胞外具有双重功能。在胞内，EspE和EspF负调控esx-1基因表达，而细菌的毒力需要这2个分子，且不依赖EsxA和EsxB促进裂解活性。

　　T7S底物如何被识别?系统的特异性是哪些因素决定的?ESX/T7S底物有何共性?这些方面目前已有不少研究。

　　T7SS底物是分枝杆菌分泌蛋白中丰度最高的。这些分泌蛋白的特征之一是多为分泌的异二聚体。氨基酸序列的同源性低。但不管是哪种分泌系统，分泌的底物都属于EsxAB类(Pfam蛋白质数据库编号:CL0352)。这类含有6个蛋白质家族:Esx(WxG100)、PE、PPE、LXG、DUF2563和DUF2580。第一组Esx蛋白属于WxG100家族，特征是约100个氨基酸，2个α螺旋之间含有保守的WxG基序。Esx异二聚体的一个蛋白具有分泌所需的C-端保守YxxxD/E序列。分枝杆菌中，编码一对分泌底物的基因往往位于同一个操纵子。其他硬壁菌T7SS类似系统的Esx蛋白，是单顺反子(monocistronic)转录物，以同二聚体的形式分泌。第一个，也是研究最透彻的Esx异二聚体是EsxB/EsxA(也称为CFP-10/ESAT-6)，经ESX-1系统分泌。这2个蛋白反向平行，通过螺旋-转角-螺旋相互作用，形成四螺旋束。这种结构在T7SS底物中均保守。EsxB/EsxA复合体的N-和C-端都可变。EsxB C-端含有被ESX-1分泌机器识别的YxxxD/E分泌信号。结构上，YxxxD/E基序靠近EsxA蛋白的WxG基序，形成共同的分泌信号。分泌后与EsxB解离的EsxA具有成孔能力。感染巨噬细胞后，EsxA能够破坏吞噬体膜。但EsxB无裂解膜的能力，可能是EsxA的分子伴侣，使EsxA处于可转位状态。EsxA裂解膜的能力尚有争议。有研究提。

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