Shiga-Toxine von Escherichia coli

Shigella dysenteriae Typ 1 verursacht bazilläre Dysenterie und produziert das klassische Shiga-Toxin (Stx). Einige pathogene E. coli, die bei Menschen oder Tieren Krankheiten hervorrufen, produzieren Toxine (derzeit als Stx1 und Stx2 bezeichnet), die eng mit Stx verwandt sind. Diese E. coli-Shiga-Toxine wurden früher als Shiga-ähnliche Toxine (SLT) oder Vero-Toxine (VT) bezeichnet. E. coli, die beim Menschen hämorrhagische Kolitis und hämolytisch-urämisches Syndrom verursachen (enterohämorrhagisches E. coli) produzieren typischerweise mäßige bis große Mengen an Stx1, Stx2 oder beides, und E. coli, die bei Schweinen Ödemerkrankungen verursachen, produzieren eine Variante von Stx2 namens Stx2e.

Die Klassifizierung von Shiga-Toxinen basiert auf ihrer Antigenität, Aminosäuresequenzen und biochemischen Eigenschaften. Stx1 und Stx sind antigenisch nicht unterscheidbar und unterscheiden sich durch eine einzige, konservative Aminosäuresubstitution. Stx2 und Stx2e kreuzreagieren nicht antigenisch mit Stx/Stx1, sondern zeigen partielle antigene Kreuzreaktivität miteinander. Die Aminosäuresequenzen von Stx2 und Stx2e sind untereinander homologer als mit Stx/Stx1. Zusätzliche Varianten von Stx2 mit den Bezeichnungen Stx2c und Stx2d wurden charakterisiert. Die biologische Aktivität von Stx2d, jedoch nicht die von Stx2, Stx2c und Stx2e, wird durch Inkubation des Toxins in Gegenwart von menschlichem Darmschleim aktiviert.

Die Operone, die Stx1 und Stx2 kodieren, befinden sich auf verschiedenen Phagen in EHEC, und einzelne EHEC-Stämme können nur Stx1, eine oder mehrere Varianten von Stx2 oder sowohl Stx1 als auch Stx2 produzieren. Die Operone für Stx in S. dysenteriae Typ 1 und für Stx2e in E. coli befinden sich auf dem bakteriellen Chromosom. Die Synthese von Stx durch S. dysenteriae Typ 1 und Stx1 durch E. coli wird durch hohe Eisenkonzentrationen im Wachstumsmedium gehemmt, und diese eisenabhängige Repression wird durch Fur vermittelt. Im Gegensatz dazu wird die Synthese von Stx2 und Stx2e durch E. coli nicht durch Eisen reguliert.

Die Prototyp-konvertierenden Phagen für Stx1, bezeichnet als H19A und H19B, wurden aus dem EHEC-Stamm H19 (O26:H11) isoliert, der aus einem infantilen Durchfall-Ausbruch in Großbritannien gewonnen wurde. Morphologisch haben diese Phagen einen unkontraktilen, flexiblen, langen Schwanz und einen sechseckigen Kopf. Die DNA-Hybridisierung ergab, dass Phage H19B teilweise homolog zu Coliphage lambda ist. In Phage H19B befinden sich die Gene, die für Stx1 kodieren, weit entfernt vom Phagen-Attachment-Locus. Der Prototyp-Umwandlungsphage für Stx2 mit der Bezeichnung 933W wurde aus dem EHEC-Stamm 933 (O157: H7) isoliert, der sowohl Stx1 als auch Stx2 produziert. Phage 933W unterscheidet sich morphologisch von den H19-Phagen und hat einen sehr kurzen, nicht kontraktilen Schwanz. Ein konvertierender Phage für Stx1 mit der Bezeichnung 933J, der ursprünglich vom EHEC-Stamm 933 berichtet wurde, ist nicht von Phage H19A zu unterscheiden, und nachfolgende Versuche, Phagen aus Stamm 933 in zwei Labors zu gewinnen, ergaben nur 933W-ähnliche Phagen. Hybridisierungsexperimente zeigten, dass der EHEC-Stamm 933 Sequenzen enthält, die homolog zu DNA aus Phage H19A sind, was die Möglichkeit erhöht, dass ein EHEC-Stamm 933 einen defekten konvertierenden Phagen für Stx1 enthält, der mit Phage H19A verwandt ist.

Stx und die Shiga-Toxine von E. coli sind alle oligomere Proteine mit einem A-Polypeptid und fünf identischen B-Polypeptiden. Die Exposition von Toxin gegenüber Trypsin und die Reduktion einer Intrachain-Disulfidbindung wandelt das A-Polypeptid in die Fragmente A1 und A2 um. Die B-Polypeptide binden an spezifische Glycosphingolipidrezeptoren in den Plasmamembranen empfindlicher Zellen. Der bevorzugte Rezeptor für Stx, Stx1 und Stx2 ist Globotriaosylceramid (Gb3), während der bevorzugte Rezeptor für Stx2e Globotetraosylceramid (Gb4) ist. Die Bindung von Toxin an diese spezifischen Glykolipide löst eine rezeptorvermittelte Endozytose, die Aufnahme über beschichtete Gruben und den retrograden Transport von Toxin zum Golgi und zum endoplasmatischen Retikulum aus. Das A1-Fragment wird durch einen Mechanismus, der nicht von der Ansäuerung der Endosomen abhängt, wahrscheinlich aus dem endoplasmatischen Retikulum in das Cytosol transloziert. Der letzte Schritt in der Intoxikation ist die Hemmung der Proteinsynthese, die durch Entfernung eines spezifischen Adeninrestes aus 28S rRNA in 60S ribosomalen Untereinheiten durch die hochspezifische RNA-N-Glycosidase-Aktivität von Fragment A001 verursacht wird. Die intrazelluläre Wirkung des A1-Fragments von Stx und der E. coli-Shiga-Toxine ist identisch mit der von Ricin, und die aktiven Stellen dieser Toxine haben homologe Strukturen. Die Röntgenkristallographie zeigte auch eine konservierte dreidimensionale Faltung zwischen den B-Polypeptiden von Stx / Stx1 und dem hitzelabilen Enterotoxin von E. coli trotz fehlender Homologie der Aminosäuresequenz.

Die Rolle von Shiga-Toxin in der Pathogenese der Dysenterie ist unklar. S. dysenteriae Typ 1 und andere Arten von Shigellen verursachen bazilläre Dysenterie, gekennzeichnet durch blutige, schleimige Diarrhoe und Dickdarmentzündung, obwohl die durch S. dysenteriae Typ 1 bei Menschen oder Affen verursachte Dysenterie typischerweise schwerwiegender ist als die durch S. dysenteriae Typ 1 Mutanten oder andere Shigellen, die wenig oder kein Shiga-Toxin produzieren. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Shiga-Toxin für die Pathogenese der Ruhr nicht essentiell ist, aber zur Schwere der Erkrankung beiträgt.Epidemiologische Evidenz identifiziert EHEC eindeutig als Ursache einer hämorrhagischen Kolitis, aber die Rolle von Stx1 und Stx2 bei der Pathogenese dieser Krankheit ist nicht klar definiert. In ähnlicher Weise ist das hämolytisch-urämische Syndrom eindeutig eine Folge von Infektionen, die durch E. coli verursacht werden und hohe Stx1-, Stx2- oder beides-Spiegel produzieren, aber ein Tiermodell, das die bei Menschen mit hämolytisch-urämischem Syndrom beobachtete Pathologie genau reproduziert, ist noch nicht verfügbar. Ein sich abzeichnender Konsens aus zahlreichen Studien über Bazillendysenterie, hämorrhagische Kolitis und hämolytisch-urämisches Syndrom ist jedoch, dass Schäden an Endothelzellen des Gefäßsystems im Dickdarm und in den Nieren, die durch Stx oder verwandte Toxine von E. coli verursacht werden, ein wichtiger Aspekt der Pathogenese dieser Krankheiten sind. Im Falle einer Ödemerkrankung ahmt die Injektion von gereinigtem Stx2e in Schweine die natürlich vorkommende Krankheit nach. Die Daten sind daher überzeugend, dass Stx2e eine direkte und dominante Rolle bei der Pathogenese von Ödemerkrankungen spielt.