Zespół wstrząsu toksycznego toksyna-1

Zespół wstrząsu toksycznego toksyna-1 Struktura krystalograficzna
identyfikatorów
TSST-1
Organizm	Staphylococcus aureus
Symbol	tst
WPB	3TSS
RefSeq (Prot)	WP_001035596.1
UniProt	P06886
Szukaj Struktury Model szwajcarski Domeny InterPro

Toksyna zespołu wstrząsu toksycznego-1 ( TSST-1 ) jest superantygenem o wielkości 22 kDa wytwarzanym przez 5 do 25% izolatów Staphylococcus aureus . Powoduje zespół wstrząsu toksycznego (TSS) poprzez stymulację uwalniania dużych ilości interleukiny-1 , interleukiny-2 i czynnika martwicy nowotworów . Ogólnie rzecz biorąc, toksyna nie jest wytwarzana przez bakterie rosnące we krwi; jest raczej wytwarzany w lokalnym miejscu infekcji, a następnie dostaje się do krwioobiegu.

Charakterystyka

Toksyna zespołu wstrząsu toksycznego 1 (TSST-1), prototypowy superantygen wydzielany przez szczep bakterii Staphylococcus aureus u podatnych gospodarzy, działa na układ naczyniowy, powodując stan zapalny, gorączkę i wstrząs. Szczep bakterii, który wytwarza TSST-1, można znaleźć w dowolnym obszarze ciała, ale żyje głównie w pochwie zakażonych kobiet. TSST-1 jest bakteryjną egzotoksyną znalezione u pacjentów, u których rozwinął się zespół wstrząsu toksycznego (TSS), który można znaleźć u kobiet w okresie menstruacji lub u każdego mężczyzny lub dziecka. Jedna trzecia wszystkich przypadków TSS została wykryta u mężczyzn. Ta statystyka może być prawdopodobnie spowodowana ranami chirurgicznymi lub jakąkolwiek raną skóry. TSST-1 jest przyczyną 50% przypadków braku miesiączki i 100% wszystkich przypadków TSS związanych z miesiączką.

Struktura

W sekwencji nukleotydowej TSST-1 znajduje się otwarta ramka odczytu o długości 708 par zasad i sekwencja Shine-Dalgarno , która znajduje się siedem par zasad w dół od miejsca startu. W całej sekwencji nukleotydowej tylko 40 aminokwasów tworzy peptyd sygnałowy. Pojedynczy peptyd sygnałowy składa się z końca 1 do 3 aminokwasów zasadowych, regionu hydrofobowego składającego się z 15 reszt, proliny (Pro) lub glicyny (Gly) w hydrofobowym regionie rdzenia, aminokwasu seryny (Ser) lub treoniny (Thr) w pobliżu końca karboksylowego hydrofobowego rdzenia i alaniny (Ala) lub glicyny (Gly) w miejscu rozszczepienia. Dojrzałe białko TSST-1 ma sekwencję kodującą 585 par zasad. Cała sekwencja nukleotydów została określona przez Blomster-Hautamaazg i in., jak również przez innych badaczy z innymi eksperymentami. Składająca się z pojedynczego łańcucha polipeptydowego struktura holotoksyny TSST-1 jest trójwymiarowa i składa się z domeny alfa (α) i beta (β). Tę trójwymiarową strukturę białka TSST-1 określono przez oczyszczenie kryształów białka. Te dwie domeny sąsiadują ze sobą i posiadają unikalne cechy. Domena A, większa z dwóch domen, zawiera reszty 1-17 i 90-194 w TSST-1 i składa się z długiej alfa (α) helisy z resztami 125-140 otoczonymi przez 5-niciową beta (β) arkusz. Domena B jest wyjątkowa, ponieważ zawiera reszty 18-89 w TSST-1 i składa się z beczki (β) złożonej z 5 nici β. krystalograficzne pokazują, że wewnętrzna beczka β domeny B zawiera kilka hydrofobowych aminokwasów i hydrofilowych reszt na powierzchni domeny, co umożliwia TSST-1 przenikanie przez śluzowe powierzchnie komórek nabłonka. Chociaż TSST-1 składa się z kilku aminokwasów hydrofobowych, białko to jest dobrze rozpuszczalne w wodzie. TSST-1 jest odporny na ciepło i proteolizę. Wykazano, że TSST-1 można gotować przez ponad godzinę bez jakiejkolwiek obecności denaturacji lub bezpośredniego wpływu na jego funkcję.

Produkcja

TSST-1 jest białkiem kodowanym przez gen tst , który jest częścią ruchomego elementu genetycznego gronkowcowej patogennej wyspy 1. Toksyna produkowana jest w największych ilościach podczas posteksponencjalnej fazy wzrostu, która jest podobna wśród pirogennych superantygenów toksyn, znany również jako PTSAg. Tlen jest wymagany do wytworzenia TSST-1, oprócz obecności białka zwierzęcego, niskiego poziomu glukozy i temperatur między 37-40 ° C (98,6-104 ° F). Produkcja jest optymalna przy pH zbliżonym do neutralnego i przy obecności magnezu poziomy są niskie i są dalej wzmacniane przez wysokie stężenia S. aureus , co wskazuje na jego znaczenie w zapoczątkowaniu infekcji.

TSST-1 różni się od innych PTSAg tym, że jego sekwencja genetyczna nie ma homologu z innymi sekwencjami superantygenów. TSST-1 nie ma cysteiny , która jest ważną strukturą w innych PTSAg. TSST-1 różni się również od innych PTSAg zdolnością do przenikania przez błony śluzowe , dlatego jest ważnym czynnikiem w menstruacyjnym TSS. Kiedy białko ulega translacji, jest w formie probiałkowej i może opuścić komórkę dopiero po odcięciu sekwencji sygnałowej. agr ( regulator genów pomocniczych ) jest jednym z kluczowych miejsc pozytywnej regulacji dla wielu z nich S. aureus , w tym TSST-1. Dodatkowo zmiany w ekspresji genów ssrB i srrAB wpływają na transkrypcję TSST-1. Ponadto wysoki poziom glukozy hamuje transkrypcję, ponieważ glukoza działa jako represor kataboliczny .

Mutacje

Na podstawie badań różnych mutacji białka wydaje się, że superantygenowa i letalna część białka są oddzielne. W szczególności jeden wariant, TSST-owczy lub TSST-O, był ważny w określaniu regionów o znaczeniu biologicznym w TSST-1. TSST-O nie powoduje TSS, nie jest mitogenny i różni się sekwencją od TSST-1 14 nukleotydami , co odpowiada 9 aminokwasom. Dwa z nich są odcinane jako część sekwencji sygnałowej i dlatego nie mają znaczenia w obserwowanej różnicy funkcji. Na podstawie badań obserwujących różnice w tych dwóch białkach odkryto, że reszta 135 ma kluczowe znaczenie zarówno dla śmiertelności, jak i mitogenności, podczas gdy mutacje w resztach 132 i 136 spowodowały, że białko utraciło zdolność wywoływania TSS, jednak nadal występowały oznaki superantygenności . Jeśli lizyna w reszcie 132 w TSST-O zostanie zmieniona na glutaminian , mutant odzyskuje niewielką superantygenowość, ale staje się śmiertelny, co oznacza, że ​​zdolność do wywoływania TSS wynika z glutaminianu w reszcie 132. Utrata aktywności z powodu tych mutacji nie jest spowodowana zmianami w konformacji białka, ale zamiast tego te reszty wydają się być krytyczny w interakcjach z receptorami komórek T.

Izolacja

Próbki TSST-1 można oczyszczać z kultur bakteryjnych do stosowania w środowiskach testowych in vitro , jednak nie jest to idealne ze względu na dużą liczbę czynników, które przyczyniają się do patogenezy w środowisku in vivo . Ponadto hodowla bakterii in vitro zapewnia środowisko bogate w składniki odżywcze, w przeciwieństwie do środowiska in vivo , w którym składniki odżywcze są zwykle bardziej rzadkie. TSST-1 można oczyścić przez preparatywne ogniskowanie izoelektryczne do stosowania in vitro lub w modelach zwierzęcych przy użyciu minipompy osmotycznej.

Mechanizm

Superantygen, taki jak TSST-1, stymuluje ludzkie komórki T, które eksprymują VB2, co może stanowić 5-30% wszystkich komórek T gospodarza. PTSAg indukują specyficzną dla VB ekspansję zarówno podzbiorów CD4, jak i CD8 limfocytów T. TSST-1 tworzy homodimery w większości swoich znanych postaci krystalicznych. SAG wykazują niezwykle konserwatywną architekturę i są podzielone na domeny N- i C-końcowe. Analiza mutacji zmapowała domniemany region wiążący TCR TSST-1 do miejsca znajdującego się na tylnym rowku. Jeśli TCR zajmuje to miejsce, helisa alfa na końcu aminowym tworzy duży klin między cząsteczkami TCR i MHC klasy II. Klin fizycznie oddzielałby TCR od cząsteczek MHC klasy II. W SAG może istnieć nowa domena, która jest oddzielona od domen wiążących MHC TCR i klasy II. Domena składa się z reszt 150 do 161 w SEB, a podobne regiony występują również we wszystkich innych SAG. W tym badaniu syntetyczny peptyd zawierający tę sekwencję był w stanie zapobiegać śmiertelności wywołanej SAG u myszy uczulonych D-galaktozaminą gronkowcowym TSST-1, jak również niektórymi innymi SAG. Istnieją znaczące różnice w sekwencjach alleli MHC klasy II i elementów TCR Vbeta wyrażanych przez różne gatunki, a różnice te mają istotny wpływ na interakcję PTSAg oraz z cząsteczkami MCH klasy II i TCR.

Strona wiążąca

TSST-1 wiąże się głównie z łańcuchem alfa MHC klasy II wyłącznie przez miejsce wiążące o niskim powinowactwie (lub ogólne) w domenie N-końcowej SAG. Jest to przeciwieństwo innych superantygenów (SAG), takich jak DEA i SEE, które wiążą się z MHC klasy II przez miejsce o niskim powinowactwie i z łańcuchem beta przez miejsce o wysokim powinowactwie. To miejsce o wysokim powinowactwie jest miejscem zależnym od cynku w domenie C-końcowej SAG. Kiedy to miejsce jest związane, rozciąga się na część rowka wiążącego, styka się ze związanym peptydem, a następnie wiąże regiony zarówno łańcuchów alfa, jak i beta. Wiązanie MHC przez TSST-1 jest częściowo zależne od peptydów. Badania mutagenezy z SEA wykazały, że oba miejsca wiązania są wymagane do optymalnej aktywacji komórek T. Te badania zawierające TSST-1 wskazują, że domena wiążąca TCR znajduje się na górze tylnej strony tej toksyny, chociaż pełna interakcja pozostaje do ustalenia. Istnieją również przesłanki, że miejsce wiązania TCR TSST-1 jest mapowane do głównego rowka centralnej helisy alfa lub krótkiej alfa-końcowej helisy aminowej. Wiadomo, że reszty w motywie pazurów beta TSST-1 oddziałują głównie z niezmiennym regionem łańcucha alfa tej cząsteczki MHC klasy II. Reszty tworzące niewielkie kontakty z TSST-1 zidentyfikowano również w łańcuchu β HLA-DR1, jak również w peptydzie antygenowym, zlokalizowanym w rowku międzyłańcuchowym. Układ TSST-1 w odniesieniu do cząsteczki MHC klasy II nakłada restrykcję steryczną na trzyskładnikowy kompleks złożony z TSST-1, MHC klasy II i TCR.

Analiza mutacyjna

Wstępne badania mutantów ujawniły, że reszty na tylnej stronie centralnej helisy alfa były wymagane do aktywności superantygenowej. Zmiana histydyny w pozycji 135 na alaninę spowodowała, że ​​TSST-1 nie był ani śmiertelny, ani superantygeniczny. Zmiany w resztach, które znajdowały się blisko H135A, miały również wpływ na zmniejszenie śmiertelności i jakości superantygenicznej tych mutantów. Chociaż większość z tych mutantów nie spowodowała utraty antygenowości TSST-1. Testy przeprowadzone z użyciem mutagennych toksyn TSST-1 wykazały, że właściwości śmiercionośne i superantygeniczne można rozdzielić. Kiedy Lys-132 w TSST-O został zmieniony na Glu, powstały mutant stał się całkowicie śmiercionośny, ale nie superantygeniczny. Te same wyniki, letalne, ale nie superantygenowe, uzyskano dla TSST-1 Gly16Val. Reszty Gly16, Glu132 i Gln 136, zlokalizowane z tyłu tylnego rowka domniemanego regionu wiążącego TCR TSST-1, zaproponowano, że są one również częścią drugiego funkcjonalnie śmiertelnego miejsca w TSST-1 1.