Toksyna tworząca pory

α-hemolizyna z S.aureus (​)

Białka tworzące pory ( PFT , znane również jako toksyny tworzące pory ) są zwykle wytwarzane przez bakterie i obejmują szereg egzotoksyn białkowych , ale mogą być również wytwarzane przez inne organizmy , takie jak ślimaki jabłoniowe wytwarzające periwitellinę- 2 lub dżdżownice , które produkują lisenina . Często są cytotoksyczne (tj. zabijają komórki ), ponieważ tworzą nieuregulowane pory w błonie docelowych komórek.

typy

PFT można podzielić na dwie kategorie, w zależności od architektury helisy alfa lub beczki beta ich kanału transbłonowego , który może składać się z:

Inne kategorie:

Według TCDB istnieją następujące rodziny toksyn tworzących pory:

Toksyny tworzące pory beta

Identyfikatory
leukocidyny
Symbol Leukocidyna
Pfam PF07968
InterPro IPR001340
TCDB 1.C.3
Nadrodzina OPM 35
Białko OPM 7ahl
Dostępne struktury białek:
Pfam   konstrukcje / ECOD  
WPB RCSB WPB ; PDBe ; WPBj
Suma WPB podsumowanie struktury

β-PFT są tak nazwane ze względu na ich cechy strukturalne: składają się głównie z domen opartych na niciach β . Mają rozbieżne sekwencje i są klasyfikowane przez Pfam do wielu rodzin, w tym Leukocidins, Etx-Mtx2, Toxin-10 i aegerolysin. Struktury krystalograficzne rentgenowskie ujawniły pewne podobieństwa: α-hemolizyna i leukocidin S Pantona-Valentine'a są strukturalnie powiązane. Podobnie aerolizyna i Clostridial Epsilon-toksyna. i Mtx2 są połączone w rodzinie Etx/Mtx2.

ß-PFT obejmują szereg toksyn o znaczeniu komercyjnym do zwalczania szkodników owadzich. Te toksyny są silne, ale także wysoce specyficzne dla ograniczonej liczby docelowych owadów, co czyni je bezpiecznymi środkami kontroli biologicznej.

Owadobójcze przedstawiciele rodziny Etx/Mtx2 obejmują Mtx2 i Mtx3 z Lysinibacillus sphaericus , które mogą zwalczać przenoszące choroby ludzkie komary, a także Cry15, Cry23, Cry33, Cry38, Cry45, Cry51, Cry60, Cry64 i Cry74 z Bacillus thuringiensis , które kontrolują szereg szkodniki owadzie, które mogą powodować ogromne straty w rolnictwie.

Toksyny owadobójcze z rodziny Toxin-10 wykazują ogólne podobieństwo do struktur toksyny aerolizyny i Etx/Mtx2, ale różnią się dwiema godnymi uwagi cechami. Podczas gdy wszystkie te toksyny mają domenę głowy i większą, rozszerzoną domenę ogona beta-kartki, w rodzinie Toxin_10 głowa jest utworzona wyłącznie z N-końcowego regionu pierwszorzędowej sekwencji aminokwasowej, podczas gdy regiony z całej sekwencji białka przyczyniają się do domeny głowy w toksynach Etx/Mtx2. Ponadto domeny głowy białek Toxin_10 wykazują cechy podobne do lektyny domen wiążących węglowodany. Jedynymi zgłoszonymi naturalnymi celami białek Toxin_10 są owady. Z wyjątkiem Cry36 i Cry78, toksyny Toxin_10 wydają się działać jako dwuczęściowe, binarne toksyny. Białka partnerskie w tych kombinacjach mogą należeć do różnych grup strukturalnych, w zależności od konkretnej toksyny: dwa białka Toxin_10 (BinA i BinB) działają razem w toksynie komarabójczej Bin z Lysinibacillus sphaericus; Toxin_10 Cry49 jest współzależny od 3-domenowego członka rodziny toksyn Cry48 ze względu na swoją aktywność przeciwko larwy komara Culex ; a białko Bacillus thuringiensis Toxin_10 Cry35 wchodzi w interakcję z Cry34 z rodziny aegerolizyn, zabijając zachodnią gąbkę korzeni kukurydzy . Ta para toksyn została zawarta w roślinach odpornych na owady, takich jak kukurydza SmartStax.

Sposób działania

Porównanie strukturalne α- hemolizyny w postaci porów (różowa/czerwona) i rozpuszczalnej postaci PVL (jasnozielona/zielona). Postuluje się, że zielona sekcja w PVL „przeskakuje” do konformacji „czerwonej”, jak widać w α-hemolizynie. (​)

β-PFT to dimorficzne białka, które istnieją jako rozpuszczalne monomery , a następnie łączą się, tworząc multimeryczne zespoły, które tworzą pory. Figura 1 przedstawia postać porów α- hemolizyny , pierwszej struktury krystalicznej β-PFT w jej postaci porów. 7 monomerów α-hemolizyny łączy się, tworząc grzyba . „Czapka” grzyba znajduje się na powierzchni komórki, a „łodyga” grzyba przenika przez błonę komórkową, czyniąc ją przepuszczalną (patrz dalej). „Łodyga” składa się z 14-niciowej beczki β , z dwiema niciami przekazanymi z każdego monomeru.

Struktura cytolizyny Vibrio cholerae w postaci porów jest również heptameryczna; jednak Staphylococcus aureus gamma-hemolizyna ujawnia oktomeryczny por, w konsekwencji z 16-niciową „łodygą”.

Struktura leukocydyny S Panton-Valentine wykazuje wysoce pokrewną strukturę, ale w rozpuszczalnym stanie monomerycznym. To pokazuje, że nici zaangażowane w tworzenie „łodygi” mają bardzo różną konformację – pokazano na ryc. 2.

Strukturalne porównanie α-hemolizyny w postaci porów (różowa/czerwona) i rozpuszczalnej formy PVL (jasnozielona/zielona). Postuluje się, że zielona sekcja w PVL „przeskakuje” do konformacji „czerwonej”, jak widać w α-hemolizynie. (PDB: 7AHL, 1T5R) β-PFT to dimorficzne białka, które istnieją jako rozpuszczalne monomery, a następnie łączą się, tworząc multimeryczne zespoły, które tworzą pory. Figura 1 przedstawia postać porów α-hemolizyny, pierwszej struktury krystalicznej β-PFT w postaci porów. 7 monomerów α-hemolizyny łączy się, tworząc pory w kształcie grzyba. „Czapka” grzyba znajduje się na powierzchni komórki, a „łodyga” grzyba przenika przez błonę komórkową, czyniąc ją przepuszczalną (patrz dalej). „Łodyga” składa się z 14-niciowej beczki β, z dwoma pasmami pochodzącymi z każdego monomeru. Struktura cytolizyny Vibrio cholerae PDB:3O44 w postaci porów jest również heptamerykiem; jednak Staphylococcus aureus gamma-hemolizyna (PDB:3B07) ujawnia oktomerowy por, w konsekwencji z 16-niciową „łodygą”. Struktura leukocydyny S Pantona-Valentine'a (PDB: 1T5R) wykazuje wysoce pokrewną strukturę, ale w rozpuszczalnym stanie monomerycznym. Pokazuje to, że nici biorące udział w tworzeniu „łodygi” mają bardzo różną konformację – pokazano na ryc. innych zmian komórkowych, w tym wychwytu toksyny podczas recyklingu endosomów i produkcji dużych, autofagicznych pęcherzyków, a ostateczną przyczyną śmierci komórki może być apoptoza. Podobne skutki dla biologii komórki obserwuje się również w przypadku innych działań Toxin_10, ale rola tych zdarzeń w toksyczności pozostaje do ustalenia.

Montaż

Przejście między rozpuszczalnym monomerem i protomerem związanym z błoną do oligomeru nie jest trywialne: uważa się, że β-PFT podążają podobną ścieżką składania jak CDC (patrz później Cytolizyny zależne od cholesterolu ), ponieważ muszą najpierw złożyć się na powierzchni komórki (w niektórych przypadkach za pośrednictwem receptora ) w stanie przedporowym. Następnie następuje zmiana konformacyjna na dużą skalę, w której sekcja obejmująca membranę jest formowana i wstawiana do membrany. Część wchodząca do membrany, określana jako głowa, jest zwykle niepolarna i hydrofobowa, co powoduje energetycznie korzystne wstawienie toksyny tworzącej pory.

Specyficzność

Niektóre β-PFT, takie jak ε-toksyna Clostridium i enterotoksyna Clostridium perfringens (CPE), wiążą się z błoną komórkową poprzez specyficzne receptory – prawdopodobnie niektóre klaudyny dla CPE, prawdopodobnie kotwice GPI lub inne cukry dla ε-toksyny – te receptory pomagają zwiększyć lokalne stężenie toksyn, umożliwiając oligomeryzację i tworzenie porów.

Składnik BinB Toxin_10 toksyny Lysinibacillus sphaericus Bin specyficznie rozpoznaje alfa-glikozydazę zakotwiczoną w GPI w jelicie środkowym komarów Culex i Anopheles , ale nie pokrewne białko występujące u komarów Aedes, stąd nadaje specyficzność toksynie.

Cytośmiertelne działanie porów

Kiedy pory się tworzą, ścisła regulacja tego, co może, a co nie może dostać się do komórki lub wyjść z niej, zostaje zakłócona. Jony i małe cząsteczki, takie jak aminokwasy i nukleotydy w komórce, wypływają, a woda z otaczającej tkanki wchodzi. Utrata ważnych małych cząsteczek w komórce może zakłócić syntezę białek i inne kluczowe reakcje komórkowe. Utrata jonów, zwłaszcza wapnia , może powodować sygnalizację komórkową ścieżki, które mają być fałszywie aktywowane lub dezaktywowane. Niekontrolowane przedostanie się wody do komórki może spowodować niekontrolowane pęcznienie komórki: powoduje to proces zwany pęcherzykami , w którym duże części błony komórkowej są zniekształcone i ustępują pod narastającym ciśnieniem wewnętrznym. W końcu może to spowodować pęknięcie komórki. W szczególności pozbawione jądra erytrocyty pod wpływem alfa-stafylotoksyny ulegają hemolizie z utratą dużej hemoglobiny białkowej.

Toksyny binarne

Główne artykuły: toksyna wąglika i toksyna AB

Istnieje wiele różnych rodzajów toksyn binarnych. Termin toksyna binarna oznacza po prostu dwuczęściową toksynę, w której oba składniki są niezbędne do działania toksycznego. Kilka β-PFT tworzy binarne toksyny.

Jak omówiono powyżej, większość białek z rodziny Toxin_10 działa jako część toksyn binarnych z białkami partnerskimi, które mogą należeć do rodziny Toxin_10 lub innych rodzin strukturalnych. Wzajemne oddziaływanie poszczególnych składników nie zostało dotychczas dobrze zbadane. Inne toksyny beta o znaczeniu handlowym są również binarne. Należą do nich toksyna Cry23/Cry37 z Bacillus thuringiensis. Toksyny te mają pewne strukturalne podobieństwo do toksyny binarnej Cry34/Cry35, ale żaden składnik nie pasuje do ustalonych rodzin Pfam, a cechy większego białka Cry23 mają więcej wspólnego z rodziną Etx/Mtx2 niż rodziną Toxin_10, do której należy Cry35.

Enzymatyczne toksyny binarne

Niektóre toksyny binarne składają się ze składnika enzymatycznego i składnika, który bierze udział w interakcjach błonowych i wejściu składnika enzymatycznego do komórki. Składnik oddziałujący z błoną może mieć domeny strukturalne, które są bogate w arkusze beta. Toksyny binarne, takie jak śmiercionośne toksyny wąglika i toksyny obrzękowe (artykuł główny: toksyna wąglika), jota C. perfringens i toksyny cytośmiertelne C. difficile składają się z dwóch składników (stąd binarne ):

  • składnik enzymatyczny – A
  • składnik zmieniający błonę – B

W tych enzymatycznych toksynach binarnych składnik B ułatwia wejście enzymatycznego „ładunku” (podjednostki A) do komórki docelowej, tworząc homooligomeryczne pory, jak pokazano powyżej dla βPFT. Składnik A wchodzi następnie do cytozolu i hamuje normalne funkcje komórki w jeden z następujących sposobów:

ADP-rybozylacja

ADP-rybozylacja jest powszechną metodą enzymatyczną stosowaną przez różne toksyny bakteryjne z różnych gatunków. Toksyny, takie jak C. perfringens i toksyna C2 C. botulinum , przyłączają ugrupowanie rybozylo-ADP do powierzchniowej reszty argininy 177 G-aktyny. Zapobiega to gromadzeniu się G-aktyny w celu utworzenia F-aktyny, a tym samym rozpadowi cytoszkieletu, co prowadzi do śmierci komórki. Owadobójczy członkowie rodziny toksyn ADP-rybozylotransferazy obejmują toksynę Mtx1 z Lysinibacillus sphaericus i toksynę Vip1/Vip2 z Bacillus thuringiensis oraz niektórych członków kompleksu toksyn (Tc) toksyn z bakterii Gram-ujemnych, takich jak gatunki Photorhabdus i Xenorhabdus . Bogate w arkusze beta regiony białka Mtx1 to sekwencje podobne do lektyny , które mogą być zaangażowane w interakcje glikolipidów.

Proteoliza kinaz białkowych aktywowanych mitogenem (MAPKK)

Składnik A śmiercionośnej toksyny wąglika to metaloproteaza cynku , która wykazuje swoistość wobec konserwatywnej rodziny kinaz białkowych aktywowanych mitogenem . Utrata tych białek powoduje załamanie sygnalizacji komórkowej, co z kolei powoduje, że komórka staje się niewrażliwa na bodźce zewnętrzne – dlatego nie jest wyzwalana odpowiedź immunologiczna .

Zwiększenie wewnątrzkomórkowego poziomu cAMP

Toksyna obrzęku wąglika powoduje napływ jonów wapnia do komórki docelowej. To z kolei podnosi wewnątrzkomórkowe cAMP . Może to głęboko zmienić każdy rodzaj odpowiedzi immunologicznej, hamując proliferację leukocytów , fagocytozę i uwalnianie prozapalnych cytokin .

Cytolizyny zależne od cholesterolu

Rekonstrukcja EM pre-poru Pneumolysin
a) Struktura perfringolizyny O oraz b) Struktura PluMACPF. W obu białkach dwa małe skupiska helis α , które rozwijają się i przebijają błonę, są koloru różowego. (​)

CDC , takie jak pneumolizyna, z S. pneumoniae , tworzą pory o średnicy nawet 260 A (26 nm), zawierające od 30 do 44 jednostek monomeru. Badania mikroskopii elektronowej pneumolizyny pokazują, że składa się ona w duże multimeryczne kompleksy błony obwodowej przed przejściem zmiany konformacyjnej, w której grupa α-helis w każdym monomerze zmienia się w wydłużone, amfipatyczne spinki do włosów β , które obejmują błonę, w sposób przypominający α -hemolizyna, choć na znacznie większą skalę (ryc. 3). CDC są homologiczne do MACPF rodzina toksyn tworzących pory i sugeruje się, że obie rodziny stosują wspólny mechanizm (ryc. 4). Eukariotyczne MACPF działają w obronie immunologicznej i znajdują się w białkach, takich jak perforyna i dopełniacz C9, chociaż perivitellina-2 jest MACPF przyłączonym do dostarczającej lektyny , która ma właściwości enterotoksyczne i neurotoksyczne w stosunku do myszy.

Rodzina wysoce konserwatywnych cytolizyn zależnych od cholesterolu, blisko spokrewniona z perfringolizyną z Clostridium perfringens, jest wytwarzana przez bakterie z całego rzędu Bacillales i obejmuje antrolizynę, alweolizynę i sferykolizynę. Wykazano, że sferykolizyna wykazuje toksyczność dla ograniczonej liczby owadów, którym wstrzyknięto oczyszczone białko.

Funkcja biologiczna

Bakterie mogą poświęcić dużo czasu i energii na wytwarzanie tych toksyn: CPE może stanowić do 15% suchej masy C. perfringens w czasie sporulacji . [ potrzebne źródło ] Uważa się, że celem toksyn jest jedno z następujących:

  • Obrona przed fagocytozą , np. przez makrofagi .
  • Wewnątrz żywiciela , wywołując reakcję, która jest korzystna dla namnażania się bakterii, np. w przypadku cholery . lub w przypadku bakterii owadobójczych, zabicie owada w celu zapewnienia bogatego źródła składników odżywczych w zwłokach dla rozwoju bakterii.
  • Pożywienie: Po pęknięciu komórki docelowej i uwolnieniu jej zawartości bakterie mogą zbierać pozostałości w poszukiwaniu składników odżywczych lub, jak powyżej, bakterie mogą kolonizować zwłoki owadów.
  • odpowiedź immunologiczna ssaków pomaga stworzyć środowisko beztlenowe , którego wymagają bakterie beztlenowe. [ potrzebne źródło ]

Zobacz też

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Pore-forming_toxin&oldid=1134881107 ”