Shiga Tossine di Escherichia coli

Shigella dysenteriae tipo 1 provoca dissenteria bacillare e produce la classica tossina Shiga (Stx). Alcuni E. coli patogeni che producono malattie nell’uomo o negli animali producono tossine (attualmente designate Stx1 e Stx2) che sono strettamente correlate a Stx. Queste tossine di E. coli Shiga erano precedentemente chiamate tossine simili a Shiga (SLT) o tossine Vero (VT). E. coli che causano colite emorragica e sindrome emolitica uremica nell’uomo (enteroemorragica E. coli) in genere producono moderate a grandi quantità di Stx1, Stx2, o entrambi, e E. coli che causano la malattia edema nei suini producono una variante di Stx2 chiamato Stx2e.

Classificazione delle tossine Shiga si basa sulla loro antigenicità, sequenze di aminoacidi, e le proprietà biochimiche. Stx1 e Stx sono antigenicamente indistinguibili e differiscono da una singola sostituzione conservativa di aminoacidi. Stx2 e Stx2e non si incrociano antigenicamente con Stx / Stx1, ma presentano una parziale crossreattività antigenica l’una con l’altra. Le sequenze aminoacidiche di Stx2 e Stx2e sono più omologhe tra loro che con Stx / Stx1. Ulteriori varianti di Stx2 designati Stx2c e Stx2d sono stati caratterizzati. L’attività biologica di Stx2d, ma non quella di Stx2, Stx2c e Stx2e, viene attivata incubando la tossina in presenza di muco intestinale umano.

Gli operoni che codificano Stx1 e Stx2 si trovano su fagi diversi in EHEC, e singoli ceppi EHEC possono produrre solo Stx1, una o più varianti di Stx2, o sia Stx1 che Stx2. Gli operoni per Stx in S. dysenteriae tipo 1 e per Stx2e in E. coli si trovano sul cromosoma batterico. La sintesi di Stx da parte di S. dysenteriae di tipo 1 e Stx1 da parte di E. coli è inibita da alte concentrazioni di ferro nel mezzo di crescita e questa repressione dipendente dal ferro è mediata dalla pelliccia. Al contrario, la sintesi di Stx2 e Stx2e da parte di E. coli non è regolata dal ferro.

Il prototipo di fagi di conversione per Stx1, designato H19A e H19B, è stato isolato dal ceppo EHEC H19 (O26:H11), che è stato ottenuto da un’epidemia di diarrea infantile in Gran Bretagna. Morfologicamente questi fagi hanno una coda lunga, flessibile e non contrattile e una testa esagonale. L’ibridazione del DNA ha rivelato che il fago H19B è parzialmente omologo con coliphage lambda. Nel fago H19B i geni che codificano Stx1 si trovano lontano dal locus di attacco del fago. Il prototipo di fago di conversione per Stx2, designato 933W, è stato isolato dal ceppo EHEC 933 (O157:H7), che produce sia Stx1 che Stx2. Il fago 933W è morfologicamente distinto dai fagi H19 e ha una coda molto corta e non contrattile. Un fago di conversione per Stx1 designato 933J, originariamente riportato dal ceppo EHEC 933, è indistinguibile dal fago H19A, e successivi tentativi di recuperare fagi dal ceppo 933 in due laboratori hanno prodotto solo fagi simili a 933W. Esperimenti di ibridazione hanno dimostrato che il ceppo EHEC 933 contiene sequenze omologhe con il DNA del fago H19A, aumentando la possibilità che un ceppo EHEC 933 possa contenere un fago di conversione difettoso per Stx1 correlato al fago H19A.

Stx e le tossine Shiga di E. coli sono tutte proteine oligomeriche con un polipeptide A e cinque polipeptidi B identici. L’esposizione della tossina alla tripsina e la riduzione di un legame disolfuro intrachain converte il polipeptide A in frammenti A1 e A2. I polipeptidi B si legano a specifici recettori glicosfingolipidi nelle membrane plasmatiche delle cellule sensibili. Il recettore preferito per Stx, Stx1 e Stx2 è globotriaosilceramide (Gb3), mentre il recettore preferito per Stx2e è globotetraosilceramide (Gb4). Il legame della tossina a questi glicolipidi specifici innesca l’endocitosi mediata dal recettore, l’assorbimento tramite pozzi rivestiti e il trasporto retrogrado della tossina al Golgi e al reticolo endoplasmatico. Il frammento A1 viene traslocato nel citosol, probabilmente dal reticolo endoplasmatico, da un meccanismo che non dipende dall’acidificazione degli endosomi. La fase finale dell’intossicazione è l’inibizione della sintesi proteica, che è causata dalla rimozione di un residuo specifico di adenina da 28S rRNA in subunità ribosomiali 60S dall’attività altamente specifica dell’RNA N-glicosidasi del frammento A001. L’azione intracellulare del frammento A1 di Stx e delle tossine E. coli Shiga è identica a quella della ricina e i siti attivi di queste tossine hanno strutture omologhe. La cristallografia a raggi X ha anche dimostrato la piegatura tridimensionale conservata tra i polipeptidi B di Stx/Stx1 e l’enterotossina labile dal calore di E. coli nonostante la mancanza di omologia della sequenza aminoacidica.

Il ruolo della tossina Shiga nella patogenesi della dissenteria non è chiaro. S. dysenteriae tipo 1 e altre specie di Shigella causano dissenteria bacillare, caratterizzata da diarrea sanguinolenta, mucoide e infiammazione del colon, sebbene la dissenteria causata da S. dysenteriae tipo 1 negli esseri umani o nelle scimmie sia in genere più grave di quella causata da S. dysenteriae tipo 1 mutanti o altre shigelle che producono poca o nessuna tossina Shiga. Questi risultati suggeriscono che la tossina Shiga non è essenziale per la patogenesi della dissenteria, ma che contribuisce alla gravità della malattia.

L’evidenza epidemiologica identifica chiaramente EHEC come causa di colite emorragica, ma i ruoli di Stx1 e Stx2 nella patogenesi di quella malattia non sono chiaramente definiti. Allo stesso modo, la sindrome emolitica uremica è chiaramente una sequela di infezioni causate da E. coli che producono alti livelli di Stx1, Stx2 o entrambi, ma un modello animale che replica con precisione la patologia osservata nell’uomo con sindrome emolitica uremica non è ancora disponibile. Un consenso emergente da numerosi studi sulla dissenteria bacillare, colite emorragica e sindrome emolitica uremica, tuttavia, è che il danno alle cellule endoteliali del sistema vascolare nel colon e nei reni causato da Stx o tossine correlate di E. coli è un aspetto importante della patogenesi di queste malattie. Nel caso della malattia dell’edema, l’iniezione di Stx2e purificato nei maiali imita la malattia naturale. I dati sono convincenti, quindi, che Stx2e ha un ruolo diretto e dominante nella patogenesi della malattia dell’edema.