Пористый токсин - Pore-forming toxin

α-гемолизин из S.aureus ( PDB : 7AHL )

Порообразующие белки ( PFT , также известные как порообразующие токсины ) обычно производятся бактериями и включают ряд экзотоксинов белков, но также могут вырабатываться другими организмами, такими как дождевые черви , которые производят лизенин . Они часто цитотоксичны (т. Е. Убивают клетки ), поскольку создают нерегулируемые поры в мембране клеток-мишеней.

Типы

PFT можно разделить на две категории, в зависимости от альфа-спиральной или бета-цилиндрической архитектуры их трансмембранного канала, который может состоять из

Другие категории:

Согласно TCDB , существуют следующие семейства порообразующих токсинов:

Бета-порообразующие токсины

Лейкоцидин
Идентификаторы
Условное обозначение Лейкоцидин
Pfam PF07968
ИнтерПро IPR001340
TCDB 1.C.3
OPM суперсемейство 35 год
Белок OPM 7ahl

β-PFT получили такое название из-за их структурных характеристик: они состоят в основном из доменов на основе β-цепи . Они имеют расходящиеся последовательности и классифицируются Pfam на ряд семейств, включая лейкоцидины, Etx-Mtx2, токсин-10 и эгеролизин. Рентгеновские кристаллографические структуры выявили некоторые общие черты: α-гемолизин и лейкоцидин S Пантона-Валентайна структурно родственны. Аналогично аэролизину и клостридиальному эпсилон-токсину. и Mtx2 связаны в семействе Etx / Mtx2.

Ss-PFT включают ряд токсинов, представляющих коммерческий интерес для борьбы с насекомыми-вредителями. Эти токсины являются мощными, но также очень специфичными для ограниченного круга целевых насекомых, что делает их безопасными агентами биологической борьбы.

Инсектицидные члены семейства Etx / Mtx2 включают Mtx2 и Mtx3 из Lysinibacillus sphaericus, которые могут контролировать комары-переносчики болезней человека, а также Cry15, Cry23, Cry33, Cry38, Cry45, Cry51, Cry60, Cry64 и Cry74 из Bacillus thuringiensis, которые контролируют ряд насекомые-вредители, которые могут нанести большой урон сельскому хозяйству.

Инсектицидные токсины семейства Toxin-10 демонстрируют общее сходство со структурами аэролизина и токсина Etx / Mtx2, но отличаются двумя примечательными особенностями. В то время как все эти токсины имеют головной домен и более крупный, расширенный хвостовой домен бета-слоя, в семействе Toxin_10 голова образована исключительно из N-концевой области первичной аминокислотной последовательности, тогда как участки всей белковой последовательности вносят свой вклад. в головной домен в токсинах Etx / Mtx2. Кроме того, головные домены белков Toxin_10 демонстрируют лектин-подобные особенности углеводсвязывающих доменов. Единственные зарегистрированные естественные мишени белков Toxin_10 - насекомые. За исключением Cry36 и Cry78, токсины Toxin_10 действуют как двухкомпонентные бинарные токсины. Белки-партнеры в этих комбинациях могут принадлежать к разным структурным группам, в зависимости от индивидуального токсина: два белка Toxin_10 (BinA и BinB) действуют вместе в москитоцидном токсине Bin Lysinibacillus sphaericus; Toxin_10 Cry49 является зависимым от 3-доменного члена семейства токсинов Cry48 из-за его активности против личинок комаров Culex ; и белок Cry35 Bacillus thuringiensis Toxin_10 взаимодействует с Cry34 семейства эгеролизинов, чтобы убить западного кукурузного корневого червя . Эта пара токсинов включена в устойчивые к насекомым растения, такие как кукуруза SmartStax .

Способ действия

Структурное сравнение порообразного α- гемолизина (розовый / красный) и растворимой формы PVL (бледно-зеленый / зеленый). Предполагается, что зеленый участок в PVL «переворачивается» в «красную» конформацию, как это видно в α-гемолизине. ( PDB : 7AHL , 1T5R )

β-PFT представляют собой диморфные белки, которые существуют в виде растворимых мономеров, а затем собираются с образованием мультимерных ансамблей, составляющих поры. На рисунке 1 показана форма пор α- гемолизина , первой кристаллической структуры β-PFT в форме пор. 7 мономеров α-гемолизина объединяются, образуя поры в форме гриба . «Шляпка» гриба находится на поверхности клетки, а «стебель» гриба проникает через клеточную мембрану, делая ее проницаемой (см. Ниже). «Стебель» состоит из 14-нитевого β-бочонка , по две нити от каждого мономера.

Структура цитолизина Vibrio cholerae в пористой форме также является гептамерной; однако гамма-гемолизин золотистого стафилококка обнаруживает октомерные поры, следовательно, с 16-нитевым «стеблем».

Структура лейкоцидина S Пантона-Валентайна имеет очень родственную структуру, но в его растворимом мономерном состоянии. Это показывает, что нити, участвующие в формировании «стебля», имеют совершенно другую конформацию, как показано на рис. 2.

Структурное сравнение порообразного α-гемолизина (розовый / красный) и растворимой формы PVL (бледно-зеленый / зеленый). Предполагается, что зеленый участок в PVL «переворачивается» в «красную» конформацию, как это видно в α-гемолизине. (PDB: 7AHL, 1T5R) β-PFT представляют собой диморфные белки, которые существуют в виде растворимых мономеров и затем собираются с образованием мультимерных сборок, составляющих поры. На рисунке 1 показана форма пор α-гемолизина, первой кристаллической структуры β-PFT в форме пор. 7 мономеров α-гемолизина объединяются, образуя поры в форме гриба. «Шляпка» гриба находится на поверхности клетки, а «стебель» гриба проникает через клеточную мембрану, делая ее проницаемой (см. Ниже). «Стебель» состоит из 14-нитевого β-бочонка, по две нити от каждого мономера. Структура цитолизина PDB: 3044 Vibrio cholerae в пористой форме также является гептамерной; однако гамма-гемолизин Staphylococcus aureus (PDB: 3B07) обнаруживает октомерные поры, следовательно, с «ножкой» из 16 нитей. Структура лейкоцидина S Пантона-Валентайна (PDB: 1T5R) показывает очень родственную структуру, но в его растворимом мономерном состоянии. Это показывает, что нити, участвующие в формировании «стебля», находятся в совершенно другой конформации - показано на рис. 2. Хотя токсин Bin Lysinibacillus sphaericus способен образовывать поры в искусственных мембранах и клетках комаров в культуре, он также вызывает серию других клеточных изменений, включая поглощение токсина рециркулирующими эндосомами и образование крупных аутофагических пузырьков, и конечной причиной гибели клеток может быть апоптоз. Аналогичные эффекты на клеточную биологию наблюдаются и с другими активностями Toxin_10, но роль этих событий в токсичности еще предстоит установить.

сборка

Переход между растворимым мономером и ассоциированным с мембраной протомером в олигомер не является тривиальным: считается, что β-PFT следуют такому же пути сборки, как и CDC (см. Холестерин-зависимые цитолизины позже), в том смысле, что они должны сначала собраться на клеточная поверхность (в некоторых случаях рецептор-опосредованная ) в пре-поровом состоянии. Вслед за этим происходит крупномасштабное конформационное изменение, при котором секция, охватывающая мембрану, формируется и вставляется в мембрану. Часть, входящая в мембрану, называемая головкой, обычно неполярна и гидрофобна, это обеспечивает энергетически выгодное введение порообразующего токсина.

Специфичность

Некоторые β-PFT, такие как клостридиальный ε-токсин и энтеротоксин Clostridium perfringens (CPE), связываются с клеточной мембраной через определенные рецепторы - возможно, определенные клаудины для CPE, возможно, GPI-якоря или другие сахара для ε-токсина - эти рецепторы помогают повысить локальную концентрацию токсинов, что способствует олигомеризации и образованию пор.

Компонент BinB Toxin_10 токсина Lysinibacillus sphaericus Bin специфически распознает GPI-заякоренную альфа-гликозидазу в средней кишке комаров Culex и Anopheles, но не родственный белок, обнаруженный у комаров Aedes, что придает специфичность токсину.

Цитолетальное действие поры

Когда поры формируются, нарушается жесткое регулирование того, что может и не может входить / выходить из клетки. Ионы и небольшие молекулы, такие как аминокислоты и нуклеотиды внутри клетки, вытекают наружу, а вода из окружающей ткани входит. Потеря важных малых молекул в клетке может нарушить синтез белка и другие важные клеточные реакции. Потеря ионов, особенно кальция , может вызвать ложную активацию или деактивацию клеточных сигнальных путей. Неконтролируемое попадание воды в клетку может вызвать неконтролируемое набухание клетки: это вызывает процесс, называемый пузырчаткой , при котором большие части клеточной мембраны деформируются и поддаются растущему внутреннему давлению. В конце концов, это может привести к взрыву ячейки.

Бинарные токсины

Основные статьи: токсин сибирской язвы и токсин AB

Есть много разных типов двоичных токсинов. Термин бинарный токсин просто означает токсин, состоящий из двух частей, где оба компонента необходимы для токсической активности. Некоторые β-PFT образуют бинарные токсины.

Как обсуждалось выше, большинство белков семейства Toxin_10 действуют как часть бинарных токсинов с белками-партнерами, которые могут принадлежать к Toxin_10 или другим структурным семействам. Взаимодействие отдельных компонентов на сегодняшний день изучено недостаточно. Другие коммерчески важные токсины бета-листов также являются бинарными. К ним относится токсин Cry23 / Cry37 из Bacillus thuringiensis. Эти токсины имеют некоторое структурное сходство с бинарным токсином Cry34 / Cry35, но ни один из компонентов не соответствует установленным семействам Pfam, а особенности более крупного белка Cry23 имеют больше общего с семейством Etx / Mtx2, чем с семейством Toxin_10, к которому принадлежит Cry35.

Ферментативные бинарные токсины

Некоторые бинарные токсины состоят из ферментативного компонента и компонента, который участвует в мембранных взаимодействиях и проникновении ферментативного компонента в клетку. Компонент, взаимодействующий с мембраной, может иметь структурные домены, богатые бета-слоями. Бинарные токсины, такие как летальные токсины сибирской язвы и токсины отека (Основная статья: токсин сибирской язвы), токсин йота C. perfringens и цито-летальные токсины C. difficile состоят из двух компонентов (следовательно, бинарных ):

  • ферментный компонент - А
  • мембрано-изменяющий компонент - B

В этих ферментативных бинарных токсинах компонент B способствует проникновению ферментативной «полезной нагрузки» (субъединицы A) в клетку-мишень, образуя гомоолигомерные поры, как показано выше для βPFT. Затем компонент А попадает в цитозоль и подавляет нормальные функции клеток одним из следующих способов:

АДФ-рибозилирование

АДФ-рибозилирование - распространенный ферментативный метод, используемый различными бактериальными токсинами разных видов. Токсины, такие как токсин C. perfringens iota и токсин C. botulinum C2, присоединяют фрагмент рибозил-АДФ к поверхностному остатку 177 аргинина G-актина. Это предотвращает сборку G-актина с образованием F-актина, и, таким образом, цитоскелет разрушается, что приводит к гибели клетки. Инсектицидные члены семейства токсинов АДФ-рибозилтрансферазы включают токсин Mtx1 Lysinibacillus sphaericus и токсин Vip1 / Vip2 Bacillus thuringiensis, а также некоторые члены токсинового комплекса (Tc), токсины от грамотрицательных бактерий, таких как виды Photorhabdus и Xenorhabdus . Богатые бета-слоями области белка Mtx1 представляют собой лектин- подобные последовательности, которые могут участвовать во взаимодействиях с гликолипидом.

Протеолиз митоген-активированных киназ протеинкиназ (MAPKK)

Компонент токсина сибирской язвы летального токсина цинка -metallo протеазы , который показывает специфичность в отношении сохраняющегося семейства митоген-активированных протеинкиназ . Потеря этих белков приводит к нарушению клеточной передачи сигналов, что, в свою очередь, делает клетку нечувствительной к внешним раздражителям, поэтому иммунный ответ не запускается.

Повышение внутриклеточного уровня цАМФ

Токсин отека сибирской язвы вызывает приток ионов кальция в клетку-мишень. Это впоследствии повышает уровень внутриклеточного цАМФ . Это может глубоко изменить любой вид иммунного ответа, подавляя пролиферацию лейкоцитов , фагоцитоз и высвобождение провоспалительных цитокинов .

Холестерин-зависимые цитолизины

ЭМ реконструкция пре-поры пневмолизина
а) структура перфринголизина О и б) структура PluMACPF. В обоих белках два небольших кластера α-спиралей, которые раскручиваются и пронизывают мембрану, окрашены в розовый цвет. ( PDB : 1PFO , 2QP2 )

CDC , такие как пневмолизин, из S. pneumoniae , образуют поры размером 260 Å (26 нм), содержащие от 30 до 44 мономерных единиц. Электронно-микроскопические исследования пневмолизина показывают, что он собирается в большие мультимерные периферические мембранные комплексы до того, как претерпевает конформационные изменения, при которых группа α-спиралей в каждом мономере превращается в протяженные амфипатические β-шпильки, которые охватывают мембрану, напоминая α-спирали. -гемолизин, хотя и в гораздо большем масштабе (рис. 3). CDC гомологичны семейству порообразующих токсинов MACPF , и предполагается, что оба семейства используют общий механизм (рис. 4). Белки MACPF эукариот выполняют функцию иммунной защиты и обнаруживаются в таких белках, как перфорин и комплемент C9.

Семейство высококонсервативных холестерин-зависимых цитолизинов, тесно связанных с перфринголизином из Clostridium perfringens , продуцируется бактериями из всего отряда Bacillales и включает антролизин, альвеолизин и сфериколизин. Было показано, что сфериколизин проявляет токсичность по отношению к ограниченному кругу насекомых, которым вводили очищенный белок.

Биологическая функция

Бактерии могут вкладывать много времени и энергии в выработку этих токсинов: CPE может составлять до 15% сухой массы C. perfringens во время споруляции . Предполагается, что цель токсинов одна из следующих:

  • Защита от фагоцитоза , например, макрофагами .
  • Внутри хозяина , вызывая реакцию, которая способствует размножению бактерий, например холеры . или в случае инсектицидных бактерий - уничтожение насекомого, чтобы обеспечить трупу богатый источник питательных веществ для роста бактерий.
  • Пища: после того, как целевая клетка разорвалась и высвободила свое содержимое, бактерии могут собирать остатки питательных веществ или, как указано выше, бактерии могут колонизировать трупы насекомых.
  • Окружающая среда: иммунный ответ млекопитающих помогает создать анаэробную среду, в которой нуждаются анаэробные бактерии.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки