Shiga toksyny Escherichia coli

Shigella dysenteriae typu 1 powoduje czerwonkę pałeczkową i wytwarza klasyczną toksynę Shiga (Stx). Niektóre chorobotwórcze E. coli, które wywołują choroby u ludzi lub zwierząt, wytwarzają toksyny (obecnie oznaczone jako Stx1 i Stx2), które są blisko spokrewnione z Stx. Te toksyny E. coli Shiga były wcześniej nazywane toksynami podobnymi do Shiga (SLT) lub toksynami Vero (VT). E. coli, które powodują krwotoczne zapalenie okrężnicy i zespół hemolityczno-mocznicowy u ludzi (enterohemorrhagic E. coli) zwykle wytwarzają umiarkowane do dużych ilości Stx1, Stx2 lub obu, A E. coli, które powodują chorobę obrzękową u świń, wytwarzają wariant Stx2 zwany Stx2e.

Klasyfikacja toksyn Shiga opiera się na ich antygenowości, sekwencjach aminokwasów i właściwościach biochemicznych. Stx1 i Stx są antygenowo nie do odróżnienia i różnią się pojedynczym, konserwatywnym podstawieniem aminokwasów. Stx2 i Stx2e nie krzyżują się antygenowo z Stx / Stx1, ale wykazują częściową krzyżową aktywność antygenową ze sobą. Sekwencje aminokwasowe stx2 i Stx2e są ze sobą bardziej homologiczne niż z STX / Stx1. Scharakteryzowano dodatkowe warianty Stx2 oznaczone jako Stx2c i Stx2d. Aktywność biologiczna Stx2d, ale nie stx2, Stx2c i Stx2e, jest aktywowana przez inkubację toksyny w obecności ludzkiego śluzu jelitowego.

oprony kodujące Stx1 i Stx2 znajdują się na różnych fagach w EHEC, a poszczególne szczepy EHEC mogą produkować tylko Stx1, jeden lub więcej wariantów Stx2 lub zarówno stx1, jak i Stx2. OPERON dla Stx w S. dysenteriae typu 1 i dla Stx2e w E. coli znajdują się na chromosomie bakterii. Synteza Stx przez S. dysenteriae typu 1 i Stx1 przez E. coli jest hamowana przez wysokie stężenia żelaza w pożywce wzrostu, a ta zależna od żelaza represja jest pośredniczona przez futro. Natomiast synteza Stx2 i Stx2e przez E. coli nie jest regulowana przez żelazo.

prototypowy konwertujący fagi dla Stx1, oznaczony jako H19A i H19B, wyizolowano ze szczepu EHEC H19 (O26:H11), który uzyskano w wyniku infantylnej epidemii biegunki w Wielkiej Brytanii. Morfologicznie fagi te mają nieciągły, elastyczny, długi ogon i sześciokątną głowę. Hybrydyzacja DNA ujawniła, że FAG H19B jest częściowo homologiczny z lambda koliphage. U fagów H19B geny kodujące Stx1 znajdują się daleko od locus fagów. Prototyp konwertujący FAG dla Stx2, oznaczony jako 933W, wyizolowano ze szczepu EHEC 933 (O157:H7), który wytwarza zarówno Stx1, jak i Stx2. FAG 933W jest morfologicznie odmienny od fagów H19 i ma bardzo krótki, niekontraktywny ogon. Konwertujący FAG dla Stx1 oznaczony jako 933j, pierwotnie zgłoszony ze szczepu EHEC 933, jest nie do odróżnienia od faga H19A, a kolejne próby odzyskania fagów ze szczepu 933 w dwóch laboratoriach dały tylko fagi podobne do 933w. Eksperymenty hybrydyzacyjne wykazały, że szczep EHEC 933 zawiera sekwencje homologiczne z DNA z faga H19A, zwiększając możliwość, że szczep EHEC 933 może zawierać wadliwy konwertujący FAG dla Stx1 związany z fagem H19A.

Stx i toksyny Shiga E. coli są białkami oligomerycznymi z jednym polipeptydem A i pięcioma identycznymi polipeptydami B. Ekspozycja toksyny na trypsynę i redukcja wiązania dwusiarczkowego wewnątrznaczyniowego przekształca polipeptyd a w fragmenty A1 i A2. Polipeptydy B wiążą się ze specyficznymi receptorami glikosfingolipidowymi w błonach plazmatycznych komórek wrażliwych. Korzystnym receptorem dla Stx, Stx1 i Stx2 jest globotriaozyloceramid (Gb3), natomiast korzystnym receptorem dla stx2e jest globotetraozyloceramid (Gb4). Wiązanie toksyny z tymi specyficznymi glikolipidami wyzwala endocytozę mediowaną przez receptor, wychwyt przez powlekane pestki i wsteczny transport toksyny do retikulum Golgiego i endoplazmatycznego. Fragment A1 jest translokowany do cytosolu, prawdopodobnie z retikulum endoplazmatycznego, przez mechanizm, który nie zależy od zakwaszenia endosomów. Ostatnim etapem zatrucia jest zahamowanie syntezy białek, co jest spowodowane usunięciem specyficznej reszty adeninowej z 28S rRNA w podjednostkach rybosomalnych 60s przez wysoce specyficzną aktywność N-glikozydazy RNA fragmentu A001. Wewnątrzkomórkowe działanie fragmentu A1 Stx i toksyn Shiga E. coli jest identyczne z działaniem rycyny, a aktywne miejsca tych toksyn mają struktury homologiczne. Krystalografia rentgenowska wykazała również zachowanie trójwymiarowego fałdowania między polipeptydami B STX / Stx1 a termicznie labilną enterotoksyną E. coli pomimo braku homologii sekwencji aminokwasowej.

rola toksyny Shiga w patogenezie czerwonki jest niejasna. S. dyzenteriae typu 1 i inne gatunki Shigella powodują dyzenterię bakteryjną, charakteryzującą się krwawą, śluzowatą biegunką i zapaleniem okrężnicy, chociaż dyzenteria wywołana przez S. dyzenteriae typu 1 u ludzi lub małp jest zwykle cięższa niż spowodowana przez mutanty S. dyzenteriae typu 1 lub inne shigellae, które wytwarzają niewielką lub żadną toksynę Shiga. Wyniki te sugerują, że toksyna Shiga nie jest niezbędna do patogenezy czerwonki, ale przyczynia się do nasilenia choroby.

dowody epidemiologiczne jednoznacznie identyfikują EHEC jako przyczynę krwotocznego zapalenia jelita grubego, ale rola Stx1 i Stx2 w patogenezie tej choroby nie jest jasno określona. Podobnie, zespół hemolityczno-mocznicowy jest wyraźnie następstwem zakażeń wywołanych przez E. coli, które wytwarzają wysokie poziomy Stx1, Stx2 lub oba, ale model zwierzęcy, który dokładnie replikuje patologię obserwowaną u ludzi z zespołem hemolityczno-mocznicowym, nie jest jeszcze dostępny. Wyłaniający się konsensus z licznych badań dotyczących czerwonki prątkowej, krwotocznego zapalenia jelita grubego i zespołu hemolityczno-mocznicowego jest jednak taki, że uszkodzenie komórek śródbłonka naczyń w okrężnicy i nerkach spowodowane przez Stx lub powiązane toksyny E. coli jest ważnym aspektem patogenezy tych chorób. W przypadku choroby obrzękowej wstrzyknięcie oczyszczonego Stx2e świniom naśladuje naturalnie występującą chorobę. Dane są przekonujące, dlatego, że Stx2e ma bezpośrednią i dominującą rolę w patogenezie choroby obrzękowej.