Czynnik wirulencji
Czynniki wirulencji (najlepiej znane jako czynniki chorobotwórcze lub efektory w naukach o roślinach) to struktury komórkowe, cząsteczki i systemy regulacyjne, które umożliwiają drobnoustrojom chorobotwórczym ( bakterie , wirusy , grzyby i pierwotniaki ) osiągnięcie następujących celów:
- kolonizacja niszy w gospodarzu (obejmuje to ruch w kierunku i przyczepianie się do komórek gospodarza)
- immunoevasion, unikanie odpowiedzi immunologicznej gospodarza
- immunosupresja , hamowanie odpowiedzi immunologicznej gospodarza (w tym śmierć komórek za pośrednictwem leukocidyny )
- wejście i wyjście z komórki (jeśli patogen jest wewnątrzkomórkowy)
- uzyskać pożywienie od żywiciela
Specyficzne patogeny posiadają szeroki wachlarz czynników wirulencji. Niektóre są chromosomalnie i są nieodłączne dla bakterii (np. kapsułki i endotoksyny ), podczas gdy inne są uzyskiwane z ruchomych elementów genetycznych, takich jak plazmidy i bakteriofagi (np. niektóre egzotoksyny). Czynniki wirulencji zakodowane na ruchomych elementach genetycznych rozprzestrzeniają się poprzez poziomy transfer genów i mogą przekształcić nieszkodliwe bakterie w niebezpieczne patogeny. Bakterie takie jak Escherichia coli O157:H7 zyskują większość swojej zjadliwości z ruchomych elementów genetycznych. Bakterie Gram-ujemne wydzielają różne czynniki wirulencji na styku żywiciel-patogen , poprzez transport pęcherzyków błonowych jako bakteryjne pęcherzyki błony zewnętrznej do inwazji, odżywiania i innej komunikacji komórka-komórka. Stwierdzono, że wiele patogenów zbiegło się z podobnymi czynnikami wirulencji, aby walczyć z mechanizmami obronnymi gospodarza eukariotycznego . Te uzyskane bakteryjne czynniki wirulencji mają dwie różne drogi stosowane, aby pomóc im przetrwać i rosnąć:
- Czynniki są wykorzystywane do wspomagania i promowania kolonizacji żywiciela. Czynniki te obejmują adhezyny , inwazyny i czynniki antyfagocytujące .
- Czynniki, w tym toksyny , hemolizyny i proteazy , wyrządzają szkody gospodarzowi.
Przywiązanie, immunoevasion i immunosupresja
Bakterie wytwarzają różne adhezyny , w tym kwas lipotejchojowy , trimeryczne adhezyny autotransporterów i szeroką gamę innych białek powierzchniowych, które przyczepiają się do tkanki gospodarza.
Kapsułki wykonane z węglowodanów stanowią część zewnętrznej struktury wielu komórek bakteryjnych, w tym Neisseria meningitidis . Kapsułki odgrywają ważną rolę w unikaniu odporności, ponieważ hamują fagocytozę , a także chronią bakterie poza gospodarzem.
Inną grupą czynników wirulencji posiadanych przez bakterie są proteazy immunoglobulinowe (Ig) . Immunoglobuliny to przeciwciała wyrażane i wydzielane przez gospodarzy w odpowiedzi na infekcję. Te immunoglobuliny odgrywają główną rolę w niszczeniu patogenu poprzez mechanizmy takie jak opsonizacja . Niektóre bakterie, takie jak Streptococcus pyogenes , są w stanie rozkładać immunoglobuliny gospodarza za pomocą proteaz.
Wirusy mają również znaczące czynniki wirulencji. Na przykład badania eksperymentalne często koncentrują się na tworzeniu środowisk, które izolują i identyfikują rolę „ niszowych genów wirulencji ”. Są to geny, które wykonują określone zadania w określonych tkankach/miejscach w określonym czasie; suma genów specyficznych dla niszy to zjadliwość wirusa . Geny charakterystyczne dla tej koncepcji to te, które kontrolują latencję niektórych wirusów, takich jak opryszczka. Mysi herpeswirus gamma 68 (γHV68) i ludzkie herpeswirusy zależą od podzbioru genów, które pozwalają im utrzymać przewlekłą infekcję poprzez reaktywację po spełnieniu określonych warunków środowiskowych. Chociaż nie są one niezbędne dla litycznych wirusa, te geny latencji są ważne dla promowania przewlekłej infekcji i ciągłej replikacji u zakażonych osób.
Niszczące enzymy
Niektóre bakterie, takie jak Streptococcus pyogenes , Staphylococcus aureus i Pseudomonas aeruginosa , wytwarzają różne enzymy, które powodują uszkodzenia tkanek gospodarza. Enzymy obejmują hialuronidazę , która rozkłada kwas hialuronowy będący składnikiem tkanki łącznej ; szereg proteaz i lipaz ; DNazy , które rozkładają DNA, oraz hemolizyny , które rozkładają różne komórki gospodarza, w tym krwinki czerwone.
GTPazy
Główną grupą czynników wirulencji są białka, które mogą kontrolować poziomy aktywacji GTPaz . Działają na dwa sposoby. Jednym z nich jest działanie jako GEF lub GAP i wyglądanie jak normalnie eukariotyczne białko komórkowe. Drugi kowalencyjnie modyfikuje samą GTPazę. Pierwszy sposób jest odwracalny; wiele bakterii, takich jak Salmonella, ma dwa białka, które włączają i wyłączają GTPazy. Drugi proces jest nieodwracalny i wykorzystuje toksyny do całkowitej zmiany docelowej GTPazy i wyłączenia lub zastąpienia ekspresji genów.
Jednym z przykładów bakteryjnego czynnika wirulencji działającego jak białko eukariotyczne jest białko Salmonella SopE, które działa jak GEF, włączając GTPazę w celu wytworzenia większej ilości GTP. Niczego nie modyfikuje, ale zaburza normalny proces internalizacji komórkowej, ułatwiając kolonizację bakterii w komórce gospodarza.
Przykładem modyfikacji żywiciela jest YopT ( białko zewnętrzne Yersinia T) z Yersinia . Modyfikuje proteolityczne rozszczepienie końca karboksylowego RhoA, uwalniając RhoA z błony. Błędna lokalizacja RhoA powoduje, że efektory w dół nie działają.
Toksyny
Główną kategorią czynników wirulencji są toksyny bakteryjne. Dzielą się one na dwie grupy: endotoksyny i egzotoksyny .
Endotoksyny
Endotoksyna jest składnikiem ( lipopolisacharyd (LPS) ) ściany komórkowej bakterii Gram-ujemnych. To lipid A będący częścią tego LPS jest toksyczny. Lipid A jest endotoksyną. Endotoksyny wywołują intensywne stany zapalne. Wiążą się z receptorami na monocytach , powodując uwolnienie mediatorów stanu zapalnego, które indukują degranulację . W ramach tej odpowiedzi immunologicznej uwalniane są cytokiny; mogą one powodować gorączkę i inne objawy obserwowane podczas choroby. Jeśli obecna jest duża ilość LPS, może dojść do wstrząsu septycznego (lub wstrząsu endotoksycznego), który w ciężkich przypadkach może prowadzić do śmierci. Jako glikolipidy (w przeciwieństwie do peptydów), endotoksyny nie są wiązane przez receptory limfocytów B ani T i nie wywołują adaptacyjnej odpowiedzi immunologicznej.
egzotoksyny
Egzotoksyny są aktywnie wydzielane przez niektóre bakterie i mają szeroki zakres efektów, w tym hamowanie niektórych szlaków biochemicznych u gospodarza. Dwie najsilniejsze znane egzotoksyny to toksyna tężcowa ( tetanospasmina ) wydzielana przez Clostridium tetani oraz toksyna botulinowa wydzielana przez Clostridium botulinum . Egzotoksyny są również wytwarzane przez szereg innych bakterii, w tym Escherichia coli ; Vibrio cholerae (czynnik wywołujący cholerę ); Clostridium perfringens (powszechny czynnik sprawczy zatrucia pokarmowe oraz zgorzel gazowa ) i Clostridium difficile (czynnik sprawczy rzekomobłoniastego zapalenia jelita grubego ). Potężny trójbiałkowy czynnik wirulencji wytwarzany przez Bacillus anthracis , zwany toksyną wąglika , odgrywa kluczową rolę w patogenezie wąglika . Egzotoksyny są niezwykle immunogenne, co oznacza, że wyzwalają odpowiedź humoralną (przeciwciała celują w toksynę).
Egzotoksyny są również wytwarzane przez niektóre grzyby jako zasób konkurencyjny. Toksyny zwane mykotoksynami odstraszają inne organizmy od spożywania pokarmu skolonizowanego przez grzyby. Podobnie jak w przypadku toksyn bakteryjnych, istnieje szeroka gama toksyn grzybiczych. Prawdopodobnie jedną z bardziej niebezpiecznych mykotoksyn jest aflatoksyna wytwarzana przez niektóre gatunki z rodzaju Aspergillus (zwłaszcza A. flavus ). W przypadku wielokrotnego spożycia toksyna ta może spowodować poważne uszkodzenie wątroby.
Przykłady
Przykładami czynników wirulencji dla Staphylococcus aureus są hialuronidaza , proteaza , koagulaza , lipazy , dezoksyrybonukleazy i enterotoksyny . Przykładami Streptococcus pyogenes są białko M , kwas lipotejchojowy , otoczka kwasu hialuronowego , enzymy niszczące (w tym streptokinaza , streptodornaza i hialuronidaza ) oraz egzotoksyny (w tym streptolizyna ). Przykłady Listeria monocytogenes obejmują internalinę A, internalinę B, listeriolizynę O i actA, z których wszystkie są wykorzystywane do pomocy w kolonizacji żywiciela. Przykładami Yersinia pestis są zmieniona forma lipopolisacharydu, układ wydzielniczy typu trzeciego oraz patogenność YopE i YopJ. Peptyd cytolityczny Candidalysin jest wytwarzany podczas tworzenia strzępków przez Candida albicans ; jest to przykład czynnika wirulencji z grzyba. Inne czynniki wirulencji obejmują czynniki wymagane do biofilmu (np. sortazy ) i integryny (np. beta-1 i 3).
Hamowanie i kontrola
Zaproponowano strategie ukierunkowane na czynniki wirulencji i kodujące je geny. Małe cząsteczki badane pod kątem ich zdolności do hamowania czynników wirulencji i ekspresji czynników wirulencji obejmują alkaloidy , flawonoidy i peptydy . Badania eksperymentalne przeprowadza się w celu scharakteryzowania określonych patogenów bakteryjnych i zidentyfikowania ich specyficznych czynników wirulencji. Naukowcy próbują lepiej zrozumieć te czynniki wirulencji poprzez identyfikację i analizę, aby lepiej zrozumieć proces zakaźny w nadziei, że nowe techniki diagnostyczne, specyficzne związki przeciwdrobnoustrojowe oraz skuteczne szczepionki lub toksoidy mogą zostać ostatecznie wyprodukowane w celu leczenia i zapobiegania infekcjom. Istnieją trzy ogólne eksperymentalne sposoby identyfikacji czynników wirulencji: biochemiczne, immunologiczne i genetyczne. W przeważającej części podejście genetyczne jest najszerszym sposobem identyfikacji czynników wirulencji bakterii. Bakteryjne DNA można zmienić z patogennego na niepatogenne, można wprowadzić przypadkowe mutacje do ich genomu, zidentyfikować i zmutować specyficzne geny kodujące produkty błonowe lub sekrecyjne, a także zidentyfikować geny regulujące geny wirulencji.
Eksperymenty z Yersinia pseudotuberculosis zostały wykorzystane do zmiany fenotypu wirulencji bakterii niepatogennych na patogenne. Dzięki horyzontalnemu transferowi genów możliwe jest przeniesienie klonu DNA z Yersinia do niepatogennej E. coli i wywołanie u nich ekspresji patogennego czynnika wirulencji. transpozon , przypadkowo wstawiony element DNA, mutageneza DNA bakterii jest również szeroko stosowaną techniką eksperymentalną stosowaną przez naukowców. Te transpozony niosą marker, który można zidentyfikować w DNA. Po losowym umieszczeniu transpozon można umieścić obok czynnika wirulencji lub umieścić w środku genu czynnika wirulencji, który zatrzymuje ekspresję czynnika wirulencji. W ten sposób naukowcy mogą stworzyć bibliotekę genów przy użyciu tych markerów i łatwo znaleźć geny, które powodują czynnik zjadliwości.
