Shiga toxiner av Escherichia coli

Shigella dysenteriae typ 1 orsakar bacillär dysenteri och producerar det klassiska Shiga-toxinet (Stx). Vissa patogena E. coli som producerar sjukdom hos människor eller djur producerar toxiner (för närvarande betecknade Stx1 och Stx2) som är nära besläktade med Stx. Dessa E. coli Shiga-toxiner kallades tidigare Shiga-liknande toxiner (SLT) eller Vero-toxiner (VT). E. coli som orsakar hemorragisk kolit och hemolytiskt uremiskt syndrom hos människor (enterohemorragisk E. coli) producerar vanligtvis måttliga till stora mängder Stx1, Stx2 eller båda, och E. coli som orsakar ödemsjukdom hos grisar producerar en variant av Stx2 som kallas Stx2e.

klassificering av Shiga-toxiner baseras på deras antigenicitet, aminosyrasekvenser och biokemiska egenskaper. Stx1 och Stx är antigeniskt oskiljbara och skiljer sig åt med en enda konservativ aminosyrasubstitution. Stx2 och Stx2e korsreagerar inte antigeniskt med Stx / Stx1, men de uppvisar partiell antigen korsreaktivitet med varandra. Aminosyrasekvenserna av Stx2 och Stx2e är mer homologa med varandra än med Stx/Stx1. Ytterligare varianter av Stx2 betecknade Stx2c och Stx2d har karakteriserats. Den biologiska aktiviteten hos Stx2d, men inte den för Stx2, Stx2c och Stx2e, aktiveras genom att inkubera toxinet i närvaro av humant tarmslem.

operonerna som kodar Stx1 och Stx2 finns på olika Fager i EHEC, och enskilda EHEC-stammar kan endast producera Stx1, en eller flera varianter av Stx2, eller både Stx1 och Stx2. Operonerna för Stx i S. dysenteriae typ 1 och för Stx2e i E. coli finns på bakteriekromosomen. Syntesen av Stx av S. dysenteriae typ 1 och Stx1 av E. coli hämmas av höga koncentrationer av järn i tillväxtmediet, och denna järnberoende förtryck medieras av päls. Däremot regleras syntesen av Stx2 och Stx2e av E. coli inte av järn.

prototypen som omvandlar fager för Stx1, betecknad H19A och H19B, isolerades från EHEC-stam H19 (O26:H11), som erhölls från ett infantilt diarreutbrott i Storbritannien. Morfologiskt har dessa fager en icke-kontraktil, flexibel, lång svans och ett sexkantigt huvud. DNA-hybridisering avslöjade att FAG H19B är delvis homolog med kolifag lambda. I FAG H19B ligger generna som kodar för Stx1 långt från fagfästplatsen. Prototypkonverteringsfagen för Stx2, betecknad 933W, isolerades från EHEC-stam 933 (O157:H7), som producerar både Stx1 och Stx2. FAG 933W skiljer sig morfologiskt från H19-fagerna och har en mycket kort, icke-kontraktil svans. En konverterande FAG för Stx1 betecknad 933J, ursprungligen rapporterad från EHEC stam 933, är oskiljbar från FAG H19A, och efterföljande försök att återvinna fager från stam 933 i två laboratorier gav endast 933W-liknande fager. Hybridiseringsexperiment visade att EHEC-stam 933 innehåller sekvenser som är homologa med DNA från FAG H19A, vilket ökar möjligheten att en EHEC-stam 933 kan innehålla en defekt omvandlande FAG för Stx1 relaterad till FAG H19A.

Stx och Shiga-toxinerna från E. coli är alla oligomera proteiner med en a-polypeptid och fem identiska B-polypeptider. Exponering av toxin för trypsin och reduktion av en intrakaindisulfidbindning omvandlar a-polypeptiden till fragment A1 och A2. B-polypeptiderna binder till specifika glykosfingolipidreceptorer i plasmamembranen hos mottagliga celler. Den föredragna receptorn för Stx, Stx1 och Stx2 är globotriaosylceramid (Gb3), medan den föredragna receptorn för Stx2e är globotetraosylceramid (Gb4). Bindning av toxin till dessa specifika glykolipider utlöser receptormedierad endocytos, upptag via belagda gropar och retrograd transport av toxin till Golgi och endoplasmatisk retikulum. A1-fragmentet translokeras till cytosolen, troligen från endoplasmatisk retikulum, genom en mekanism som inte beror på försurning av endosomer. Det sista steget i berusning är hämning av proteinsyntes, vilket orsakas av avlägsnande av en specifik adeninrest från 28S rRNA i 60s ribosomala subenheter genom den mycket specifika RNA N-glykosidasaktiviteten hos fragment A001. Den intracellulära verkan av A1-fragmentet av Stx och E. coli Shiga-toxinerna är identisk med ricin, och de aktiva platserna för dessa toxiner har homologa strukturer. Röntgenkristallografi visade också konserverad tredimensionell vikning mellan B-polypeptiderna av Stx / Stx1 och det värmelabila enterotoxin av E. coli trots brist på aminosyrasekvenshomologi.

Shiga-toxins roll i patogenesen av dysenteri är oklart. S. dysenteriae typ 1 och andra arter av Shigella orsakar bacillär dysenteri, kännetecknad av blodig, mucoid diarre och koloninflammation, även om dysenteri orsakad av S. dysenteriae typ 1 hos människor eller apor är vanligtvis allvarligare än den som orsakas av S. dysenteriae typ 1 mutanter eller andra shigellae som producerar lite eller inget Shiga-toxin. Dessa fynd tyder på att Shiga-toxin inte är nödvändigt för patogenesen av dysenteri men att det bidrar till sjukdomens svårighetsgrad.epidemiologiska bevis identifierar tydligt EHEC som en orsak till hemorragisk kolit, men rollerna för Stx1 och Stx2 i patogenesen av den sjukdomen är inte tydligt definierade. På liknande sätt är hemolytiskt uremiskt syndrom tydligt en följd av infektioner orsakade av E. coli som producerar höga nivåer av Stx1, Stx2 eller båda, men en djurmodell som exakt replikerar patologin som observerats hos människor med hemolytiskt uremiskt syndrom är ännu inte tillgänglig. En framväxande konsensus från många studier om bacillär dysenteri, hemorragisk kolit och hemolytiskt uremiskt syndrom är emellertid att skador på endotelceller i vaskulaturen i tjocktarmen och i njurarna orsakade av Stx eller relaterade toxiner av E. coli är en viktig aspekt av patogenesen av dessa sjukdomar. Vid ödemsjukdom efterliknar injektion av renat Stx2e i grisar den naturligt förekommande sjukdomen. Uppgifterna är därför övertygande att Stx2e har en direkt och dominerande roll i patogenesen av ödemsjukdom.