Shiga toxinen van Escherichia coli

Shigella dysenteriae type 1 veroorzaakt bacillaire dysenterie en produceert het klassieke Shigatoxine (Stx). Sommige pathogene E. coli die ziekte veroorzaken bij mensen of dieren produceren toxines (momenteel aangeduid stx1 en Stx2) die nauw verwant zijn aan Stx. Deze E. coli Shiga toxines werden voorheen Shiga-achtige toxines (SLT) of Vero toxines (VT) genoemd. E. coli die hemorragische colitis en hemolytisch uremisch syndroom bij mensen veroorzaken (enterohemorragische E. coli) produceren meestal matige tot grote hoeveelheden Stx1, Stx2 of beide, en E. coli die oedeem veroorzaken bij varkens produceren een variant van Stx2 genaamd Stx2e.

classificatie van Shiga-toxinen is gebaseerd op hun antigeniciteit, aminozuursequenties en biochemische eigenschappen. Stx1 en Stx zijn antigenisch niet te onderscheiden en verschillen door een enkele, conservatieve aminozuursubstitutie. Stx2 en Stx2e crossreacteren niet antigeen met Stx/Stx1, maar vertonen gedeeltelijke antigene crossreactiviteit met elkaar. De aminozuursequenties van Stx2 en Stx2e zijn homoloog met elkaar dan met Stx / Stx1. Extra varianten van stx2 aangewezen Stx2c en Stx2d zijn gekarakteriseerd. De biologische activiteit van Stx2d, maar niet die van Stx2, Stx2c en Stx2e, wordt geactiveerd door het toxine te incuberen in de aanwezigheid van menselijk darmslijm.

De operonen die stx1 en Stx2 coderen bevinden zich op verschillende Fagen in EHEC, en individuele EHEC-stammen kunnen alleen Stx1 produceren, één of meer varianten van Stx2, of zowel Stx1 als Stx2. De operons voor Stx in S. dysenteriae type 1 en voor Stx2e in E. coli bevinden zich op het bacteriële chromosoom. De synthese van Stx door S. dysenteriae type 1 en Stx1 door E. coli wordt geremd door hoge concentraties ijzer in het groeimedium, en deze ijzerafhankelijke onderdrukking wordt gemedieerd door vacht. De synthese van Stx2 en Stx2e door E. coli wordt daarentegen niet gereguleerd door ijzer.

het prototype van de conversie van fagen voor Stx1, aangeduid als H19A en H19B, werd geïsoleerd uit EHEC-stam H19 (O26:H11), die werd verkregen door een uitbraak van infantiele diarree in Groot-Brittannië. Morfologisch hebben deze Fagen een niet-contractiele, flexibele, lange staart en een zeshoekige kop. De kruising van DNA onthulde dat phage H19B gedeeltelijk homologe met colifage lambda is. In faag H19B worden de genen die stx1 coderen gevestigd ver van de plaats van de faaghechting. Het prototype dat faag voor Stx2 omzet, 933W, werd geïsoleerd uit EHEC stam 933 (O157:H7), die zowel Stx1 als Stx2 produceert. Faag 933W is morfologisch verschillend van de H19 Fagen en heeft een zeer korte, niet-contractiele staart. Een converterende faag voor STX1 aangewezen 933J, oorspronkelijk gerapporteerd van EHEC stam 933, is niet te onderscheiden van faag H19A, en daaropvolgende pogingen om Fagen van Stam 933 te herstellen in twee laboratoria leverde slechts 933W-achtige Fagen op. Hybridisatie-experimenten toonden aan dat EHEC-stam 933 sequenties bevat die homoloog zijn met DNA van faag H19A, wat de mogelijkheid verhoogt dat een EHEC-stam 933 een defecte converterende faag voor Stx1 kan bevatten die gerelateerd is aan faag H19A.

Stx en de Shiga-toxinen van E. coli zijn alle oligomere proteã nen met één polypeptide A en vijf identieke polypeptiden B. Blootstelling van toxine aan trypsine en vermindering van een intrachaindisulfidebinding zet het A-polypeptide om in fragmenten A1 en A2. De B-polypeptiden binden aan specifieke glycosfingolipide-receptoren in de plasmamembranen van gevoelige cellen. De voorkeursreceptor voor Stx, Stx1 en Stx2 is globotriaosylceramide (Gb3), terwijl de voorkeursreceptor voor Stx2e globotetraosylceramide (Gb4) is. Binding van toxine aan deze specifieke glycolipiden leidt tot receptorgemedieerde endocytose, opname via gecoate putjes en retrograde transport van toxine naar het Golgi en endoplasmatisch reticulum. Het fragment A1 wordt aan cytosol, waarschijnlijk van het endoplasmic reticulum, door een mechanisme getransloceerd dat van verzuring van endosomes niet afhangt. De laatste stap in intoxicatie is remming van eiwitsynthese, die door verwijdering van een specifiek adenineresidu van 28S rRNA in 60s ribosomal subeenheden door de hoogst specifieke activiteit van RNA N-glycosidase van fragment A001 wordt veroorzaakt. De intracellulaire werking van het A1 fragment van Stx en de E. coli Shiga toxines is identiek aan die van ricine, en de actieve plaatsen van deze toxines hebben homologe structuren. Röntgenkristallografie toonde ook behouden driedimensionale vouwen tussen de B polypeptiden van Stx/Stx1 en de hitte-labiele enterotoxine van E. coli ondanks gebrek aan aminozuurvolgorde homologie.

de rol van Shigatoxine in de pathogenese van dysenterie is onduidelijk. S. dysenteriae type 1 en andere soorten Shigella veroorzaken bacillaire dysenterie, gekarakteriseerd door bloederige slijmdiarree en darmontsteking, hoewel dysenterie veroorzaakt door S. dysenteriae type 1 bij mensen of apen meestal ernstiger is dan die veroorzaakt door S. dysenteriae type 1 mutanten of andere shigellae die weinig of geen Shigatoxine produceren. Deze bevindingen suggereren dat Shigatoxine niet essentieel is voor de pathogenese van dysenterie, maar dat het bijdraagt aan de ernst van de ziekte.

epidemiologisch bewijs identificeert EHEC duidelijk als een oorzaak van hemorragische colitis, maar de rollen van Stx1 en Stx2 in de pathogenese van die ziekte zijn niet duidelijk gedefinieerd. Op dezelfde manier is het hemolytisch-uremisch syndroom duidelijk een gevolg van infecties veroorzaakt door E. coli die hoge niveaus van Stx1, Stx2 of beide produceren, maar een diermodel dat precies de pathologie repliceert waargenomen bij mensen met hemolytisch-uremisch syndroom is nog niet beschikbaar. Een opkomende consensus van talrijke studies over bacillaire dysenterie, hemorrhagic colitis, en hemolytic uremic syndroom, echter, is dat de schade aan endothelial cellen van de vasculature in de dikke darm en in de nieren veroorzaakt door Stx of verwante toxines van E. coli is een belangrijk aspect van de pathogenese van deze ziekten. In het geval van oedeem, injectie van gezuiverde Stx2e in varkens bootst de natuurlijk voorkomende ziekte. De gegevens zijn dwingend, daarom, dat Stx2e een directe en dominante rol in de pathogenese van oedeem ziekte heeft.