Shiga toksiner af Escherichia coli

Shigella dysenteriae type 1 forårsager bacillær dysenteri og producerer det klassiske Shiga toksin (stks). Nogle patogene E. coli, der producerer sygdom hos mennesker eller dyr, producerer toksiner (i øjeblikket betegnet Sth1 og Sth2), der er nært beslægtede med STH. Disse E. coli Shiga toksiner blev tidligere kaldt Shiga – lignende toksiner (SLT) eller Vero toksiner (VT). E. coli, der forårsager hæmoragisk colitis og hæmolytisk uremisk syndrom hos mennesker (enterohemorrhagisk E. E. coli, der forårsager ødemsygdom hos svin, producerer en variant af Stk2 kaldet Stk2e.

klassificering af Shiga-toksiner er baseret på deres antigenicitet, aminosyresekvenser og biokemiske egenskaber. 1 og 1 er antigenisk uadskillelige og adskiller sig ved en enkelt, konservativ aminosyresubstitution. Sth2 og Sth2e krydser ikke antigenisk med STH / Sth1, men de udviser delvis antigenisk krydsreaktivitet med hinanden. Aminosyresekvenserne af Sth2 og Sth2e er mere homologe med hinanden end med STH/Sth1. Yderligere varianter af Sth2 betegnet Sth2c og Sth2d er blevet karakteriseret. Den biologiske aktivitet af Sth2d, men ikke den af Sth2, Sth2c og Sth2e, aktiveres ved at inkubere toksinet i nærvær af humant tarmslim.

operonerne, der koder for Sth1 og Sth2, er placeret på forskellige fager i EHEC, og individuelle EHEC-stammer kan kun producere Sth1, en eller flere varianter af Sth2, eller både Sth1 og Sth2. Operonerne for STC i S. dysenteriae type 1 og for stc2e i E. coli er placeret på bakteriekromosomet. Syntesen af S. dysenteriae type 1 og Stks1 af E. coli hæmmes af høje koncentrationer af jern i vækstmediet, og denne jernafhængige undertrykkelse medieres af pels. I modsætning hertil reguleres syntesen af sth2 og Sth2e af E. coli ikke af jern.

prototypekonverteringsfagene til Stk1, betegnet H19A og H19B, blev isoleret fra EHEC-stammen H19 (O26:H11), som blev opnået fra et infantil diarreudbrud i Storbritannien. Morfologisk har disse fager en ikke-kontraktil, fleksibel, lang hale og et sekskantet hoved. DNA-hybridisering afslørede, at fag H19B er delvist homolog med coliphage lambda. I fag H19B er generne, der koder for Stks1, placeret langt fra fagfastgørelsesstedet. Prototypen konvertering fag for Sth2, betegnet 933V, blev isoleret fra EHEC stamme 933 (O157:H7), som producerer både Sth1 og Sth2. Fag 933v adskiller sig morfologisk fra H19-fagerne og har en meget kort, ikke-kontraktil hale. En konverteringsfag for Sth1 betegnet 933J, oprindeligt rapporteret fra EHEC stamme 933, kan ikke skelnes fra fag H19A, og efterfølgende forsøg på at genvinde fager fra stamme 933 i to laboratorier gav kun 933V-lignende fager. Hybridiseringseksperimenter viste, at EHEC-stamme 933 indeholder sekvenser, der er homologe med DNA fra fag H19A, hvilket øger muligheden for, at en EHEC-stamme 933 kan indeholde en defekt konverteringsfag for Sth1 relateret til fag H19A. coli er alle oligomere proteiner med et a-polypeptid og fem identiske B-polypeptider. Eksponering af toksin for trypsin og reduktion af en intrachaindisulfidbinding omdanner a-polypeptidet til fragmenter A1 og A2. B-polypeptiderne binder til specifikke glycosphingolipidreceptorer i plasmamembranerne i modtagelige celler. Den foretrukne receptor for stk1 og Stk2 er globotriaosylceramid (Gb3), mens den foretrukne receptor for stk2e er globotetraosylceramid (Gb4). Binding af toksin til disse specifikke glycolipider udløser receptormedieret endocytose, optagelse via coatede gruber og retrograd transport af toksin til Golgi og endoplasmatisk retikulum. A1-fragmentet translokeres til cytosolen, sandsynligvis fra det endoplasmatiske retikulum, ved hjælp af en mekanisme, der ikke afhænger af forsuring af endosomer. Det sidste trin i forgiftning er inhibering af proteinsyntese, som er forårsaget af fjernelse af en specifik adeninrest fra 28S rRNA i 60s ribosomale underenheder ved den meget specifikke RNA N-glycosidaseaktivitet af fragment A001. Den intracellulære virkning af A1-fragmentet af stks og E. coli Shiga-toksinerne er identisk med ricins, og de aktive steder af disse toksiner har homologe strukturer. Røntgenkrystallografi demonstrerede også konserveret tredimensionel foldning mellem B-polypeptiderne af stks/stks 1 og det varmelabile enterotoksin af E. coli på trods af mangel på aminosyresekvenshomologi.

Shiga-toksins rolle i patogenesen af dysenteri er uklar. S. dysenteriae type 1 og andre arter af Shigella forårsager bacillær dysenteri, kendetegnet ved blodig, mucoid diarre og kolon betændelse, selvom dysenteri forårsaget af S. dysenteriae type 1 hos mennesker eller aber er typisk mere alvorlig end den, der er forårsaget af S. dysenteriae type 1 mutanter eller andre shigellae, der producerer lidt eller intet Shiga-toksin. Disse fund antyder, at Shiga-toksin ikke er afgørende for patogenesen af dysenteri, men at det bidrager til sygdommens sværhedsgrad.

epidemiologiske beviser identificerer EHEC som en årsag til hæmoragisk colitis, men rollerne for Stks1 og Stks2 i patogenesen af denne sygdom er ikke klart defineret. Tilsvarende er hæmolytisk uremisk syndrom klart en følge af infektioner forårsaget af E. coli, der producerer høje niveauer af Stks1, Stks2 eller begge dele, men en dyremodel, der præcist replikerer den patologi, der er observeret hos mennesker med hæmolytisk uremisk syndrom, er endnu ikke tilgængelig. En fremvoksende konsensus fra adskillige undersøgelser af bacillær dysenteri, hæmoragisk colitis og hæmolytisk uremisk syndrom er imidlertid, at skade på endotelceller i vaskulaturen i tyktarmen og i nyrerne forårsaget af stks eller beslægtede toksiner af E. coli er et vigtigt aspekt af patogenesen af disse sygdomme. I tilfælde af ødem sygdom efterligner injektion af renset Stks2e i svin den naturligt forekommende sygdom. Dataene er derfor overbevisende, at Stks2e har en direkte og dominerende rolle i patogenesen af ødemsygdom.