Toxines de Shiga d’Escherichia coli

Shigella dysenteriae de type 1 provoque une dysenterie bacillaire et produit la toxine Shiga classique (Stx). Certains E. coli pathogènes qui produisent des maladies chez l’homme ou l’animal produisent des toxines (actuellement désignées Stx1 et Stx2) qui sont étroitement liées à Stx. Ces toxines d’E. coli Shiga étaient auparavant appelées toxines de type Shiga (SLT) ou toxines Vero (VT). E. coli qui causent la colite hémorragique et le syndrome hémolytique et urémique chez l’homme (entérohémorragique E. coli) produisent généralement des quantités modérées à grandes de Stx1, Stx2, ou les deux, et E. coli qui causent la maladie de l’œdème chez les porcs produisent une variante de Stx2 appelée Stx2e.

La classification des toxines Shiga est basée sur leur antigénicité, leurs séquences d’acides aminés et leurs propriétés biochimiques. Stx1 et Stx sont antigéniquement indiscernables et diffèrent par une seule substitution conservatrice d’acides aminés. Stx2 et Stx2e ne réagissent pas antigéniquement avec Stx / Stx1, mais ils présentent une réticulation antigénique partielle l’un avec l’autre. Les séquences d’acides aminés de Stx2 et Stx2e sont plus homologues entre elles qu’avec Stx / Stx1. Des variantes supplémentaires de Stx2 désignées Stx2c et Stx2d ont été caractérisées. L’activité biologique de Stx2d, mais pas celle de Stx2, Stx2c et Stx2e, est activée par incubation de la toxine en présence de mucus intestinal humain.

Les opérons qui codent Stx1 et Stx2 sont situés sur différents phages dans EHEC, et les souches individuelles d’EHEC ne peuvent produire que Stx1, une ou plusieurs variantes de Stx2, ou à la fois Stx1 et Stx2. Les opérons pour Stx dans S. dysenteriae de type 1 et pour Stx2e dans E. coli sont situés sur le chromosome bactérien. La synthèse de Stx par S. dysenteriae de type 1 et de Stx1 par E. coli est inhibée par des concentrations élevées de fer dans le milieu de croissance, et cette répression dépendante du fer est médiée par la fourrure. En revanche, la synthèse de Stx2 et de Stx2e par E. coli n’est pas régulée par le fer.

Les prototypes de phages convertisseurs pour Stx1, désignés H19A et H19B, ont été isolés à partir de la souche H19 de l’EHEC (O26:H11), obtenue à partir d’une épidémie de diarrhée infantile en Grande-Bretagne. Morphologiquement, ces phages ont une longue queue non contractile, flexible et une tête hexagonale. L’hybridation de l’ADN a révélé que le phage H19B est partiellement homologue du coliphage lambda. Dans le phage H19B, les gènes codant pour Stx1 sont situés loin du locus de fixation du phage. Le prototype de phage de conversion pour Stx2, désigné 933W, a été isolé à partir de la souche EHEC 933 (O157: H7), qui produit à la fois Stx1 et Stx2. Le phage 933W est morphologiquement distinct des phages H19 et a une queue très courte et non contractile. Un phage de conversion pour Stx1 désigné 933J, initialement rapporté de la souche EHEC 933, est indiscernable du phage H19A, et les tentatives ultérieures de récupération des phages de la souche 933 dans deux laboratoires n’ont donné que des phages de type 933W. Des expériences d’hybridation ont démontré que la souche EHEC 933 contient des séquences homologues avec l’ADN du phage H19A, ce qui soulève la possibilité qu’une souche EHEC 933 puisse contenir un phage de conversion défectueux pour Stx1 lié au phage H19A.

Stx et les toxines Shiga de E. coli sont toutes des protéines oligomères avec un polypeptide A et cinq polypeptides B identiques. L’exposition de la toxine à la trypsine et la réduction d’une liaison disulfure intrachaïne convertissent le polypeptide A en fragments A1 et A2. Les polypeptides B se lient à des récepteurs glycosphingolipides spécifiques dans les membranes plasmiques des cellules sensibles. Le récepteur préféré pour Stx, Stx1 et Stx2 est le globotriaosylcéramide (Gb3), tandis que le récepteur préféré pour Stx2e est le globotétraosylcéramide (Gb4). La liaison de la toxine à ces glycolipides spécifiques déclenche une endocytose médiée par les récepteurs, une absorption par des fosses enrobées et un transport rétrograde de la toxine vers le Golgi et le réticulum endoplasmique. Le fragment A1 est transloqué vers le cytosol, probablement à partir du réticulum endoplasmique, par un mécanisme qui ne dépend pas de l’acidification des endosomes. La dernière étape de l’intoxication est l’inhibition de la synthèse des protéines, qui est causée par l’élimination d’un résidu d’adénine spécifique de l’ARNr 28S dans les sous-unités ribosomiques 60S par l’activité très spécifique de l’ARN N-glycosidase du fragment A001. L’action intracellulaire du fragment A1 des toxines Stx et E. coli Shiga est identique à celle de la ricine, et les sites actifs de ces toxines ont des structures homologues. La cristallographie aux rayons X a également démontré un repliement tridimensionnel conservé entre les polypeptides B de Stx/Stx1 et l’entérotoxine thermolabile d’E. coli malgré l’absence d’homologie de séquence d’acides aminés.

Le rôle de la toxine Shiga dans la pathogenèse de la dysenterie n’est pas clair. S. les dysenteries de type 1 et d’autres espèces de Shigella provoquent une dysenterie bacillaire, caractérisée par une diarrhée mucoïde sanglante et une inflammation du côlon, bien que la dysenterie causée par S. dysenteriae de type 1 chez l’homme ou le singe soit généralement plus grave que celle causée par les mutants de S. dysenteriae de type 1 ou d’autres shigelles qui produisent peu ou pas de toxine Shiga. Ces résultats suggèrent que la toxine Shiga n’est pas essentielle à la pathogenèse de la dysenterie, mais qu’elle contribue à la gravité de la maladie.

Les données épidémiologiques identifient clairement les ECEH comme une cause de colite hémorragique, mais les rôles de Stx1 et Stx2 dans la pathogenèse de cette maladie ne sont pas clairement définis. De même, le syndrome hémolytique et urémique est clairement une suite d’infections causées par E. coli qui produisent des taux élevés de Stx1, Stx2 ou les deux, mais un modèle animal reproduisant précisément la pathologie observée chez l’homme atteint du syndrome hémolytique et urémique n’est pas encore disponible. Un consensus émergent de nombreuses études sur la dysenterie bacillaire, la colite hémorragique et le syndrome hémolytique et urémique, cependant, est que les dommages aux cellules endothéliales du système vasculaire du côlon et des reins causés par Stx ou des toxines apparentées d’E. coli sont un aspect important de la pathogenèse de ces maladies. En cas d’œdème, l’injection de Stx2e purifié chez les porcs imite la maladie naturelle. Les données sont donc convaincantes que Stx2e a un rôle direct et dominant dans la pathogenèse de la maladie de l’œdème.