Михаил Супотницкий - Микроорганизмы, токсины и эпидемии

Порообразующие токсины. К ним относят бактериальные токсины, функционирующие посредством вставки в плазматическую мембрану хозяина и формирующие в ней трансмембранные поры, приводящие клетку к лизису. Такие токсины еще называют RTX-семейством из-за наличия в их молекулах большого количества повторов [Finlay В., Falkow S., 1997]. Механизм их действия хорошо прослеживается на примере альфа-токсина S.aureus, рассматриваемого как прототип олигомеризующегося пороформирующегося цитотоксина [Smitt C.K et al., 1999]. Альфа-токсин синтезируется как прекурсорная молекула из 319 аминокислот, содержащая N-терминальную последовательность из 26 аминокислот. Секретируемый бактерией «зрелый» токсин (протомер), является гидрофильной молекулой с массой 33 кд, утратившей цистеиновые остатки [Bhakdi S., Tranum-Jensen J., 1991]. Протомер «узнает» клетку-мишень по высокоаффинным рецепторам или не специфически сорбируется в участках плазматической мембраны, содержащих фосфатидилхолин или холестерин. На мембране семь протомерных токсинов собираются в пору, формируя грибоподобный гептамер (232 кд), включающий три различных домена [Song L. et al., 1996]. Шляпка и ободочная область гептамера альфа-токсина располагаются на поверхности плазматической мембраны, в то время как ножка служит трансмембранным каналом. Образовавшаяся пора позволяет маленьким молекулам и ионам двухстороннее движение, что, в конечном итоге, приводит клетку к вздутию и гибели от осмотического шока [Smitt С. et al., 1999].

Альфа-токсин является цитолитическим в отношении различных типов клеток. У человека он способен лизировать моноциты, клетки, но точная его роль в стафилококковом заболевании людей, неизвестна [Bhakdi S. et al., 1996].

К другим членам RTX-семейства относят гемолизин E.coli (HlyA), аденилатциклазу В. pertussis, лейкотоксин Pasterella haemolitica. Это семейство токсинов является также частью консервативного механизма секреции I типа, который отвечает за их транспорт из бактериальной клетки [Finlay В., Falkow S., 1997]. Образование поры включает целый каскад вторичных реакций, приводящих к другим патологическим последствиям. Среди них активация эндонуклеаз, высвобождение цитокинов и медиаторов вое паления, синтез эйкозаноидов [Bhakdi S. et al., 1996].

Токсины, ингибирующие синтез белка . Субстратами для этих токсинов служат факторы элонгации и рибосомальная РНК [Езепчук Ю.В., 1985]. Дифтерийный токсин и экзотоксин А псевдомонад являются дифтамид специфическими АДФ-рибозилтрансферазами, которые рибозилируют фактор элонгации 2 и, таким образом, инактивируя его, подавляют синтез белка в клетках. Шига-токсин (Stx-токсин), так же называемый веротоксином, продуцируется S. disenteriae первого серотипа и недавно появившимися Stx-продуцирующими штаммами E. coli (STEC) [Вертиев Ю.И., 1996]. Рассмотрим на его примере механизм действия таких токсинов.

Stx-токсины имеют типичную АВ структуру. Энзиматически активная А-субъединица (35 кд) нековалентно связана с В-субъединицей (7,5 кд). Голотоксин содержит 5 В-субъединиц. В-субъединичный пентамер связывает голотоксин с эукариотической клеткой через специфические гликолипидные рецепторы. После интернализации, полипептид А расщепляется на энзиматическую часть (А1) и фрагмент А2, остающиеся связанными через дисульфидный мостик. А2-фрагмент связывает A1 с В-пентамером [Smitt С. et al., 1999]. A1 проявляет N-гликозидазную активность и расщепляет N-гликозидную связь у аденина в положении 4324 на 28S рибосомальной РНК. В результате происходит отщепление 400 нуклеотидов с 3-конца рРНК, что служит препятствием для присоединения аминоацил-тРНК, синтез белка прекращается и клетка гибнет [Вертиев Ю.И., 1996].

Токсины, генерирующие образование вторичных мессенджеров (посредников). Бактериальные токсины могут влиять на функцию; отдельных белков эукариотической клетки, не приводя ее к гибели. Для этого они активируют так называемых вторичных посредников, которые способны в большой степени усиливать и искажать клеточную реакцию на внеклеточные сигналы [Smitt С. et al., 1999]. Рассмотрим механизм действия таких токсинов на примере цитотоксического некротического фактора (CNF).

CNF первого и второго типов (CNF1/2) относятся к группе бактериальных, токсинов, модифицирующих Rho — субсемейство маленьких ГТФ-связывающих белков, участвующих в модификации регуляторов актина цитоскелета [Aktories К., 1997]. Ген CNF1 у E. coli закодирован на хромосоме и располагается на «острове патогенности» [Blum G. et al., 1995]. Токсин синтезируется как гидрфильный полипептид (115 кд). Он остается цитоплазматическим из-за отсутствия сигнальной последовательности и имеет связывающий (N-терминальная половина CNF1) и ферментативный (С-терминальная половина CNF1) домены [Lemichez E. et al., 1997]. Видимо в клетки хозяина он попадает с помощью секреторного механизма III типа. Недавно было показано, что CNF1 деаминирует глутаминовый остаток Rho в положении 64. Такая модификация приводит к преобладанию активности Rho, неспособного гидролизовать связанный с ним ГТФ. Эукариотические клетки, подвергнутые воздействию CNF1, приобретают характерный вид. У них наблюдается «рифление» мембраны, формируется локальное сжатие актиновых нитей. Репликация ДНК при отсутствии клеточного деления, приводит к образованию многоядерных клеток. Внутрикожное введение CNF1 вызывает длительное воспаление и образование некротического очага [Smitt С. et al., 1999].

Установлена критическая роль небольших ГТФ-связывающих белков не только в регуляции цитоскелета (семейство белков Rho), но и в везикулярном транспорте (семейство Rab), и в регуляции роста и дифференциации клеток (семейство Ras). Поэтому не исключено, что существуют пока еще неизвестные нам токсины, способные воздействовать на основные клеточные процессы через эти белки [Finlay В., Falkow S., 1997].

Протеолитические токсины . Ботулинический и столбнячный (оба цинк-металлоэндопротеазы), в опытах на животных обнаруживают наименьшую из известных LD 50. Удивительно, насколько различную клиническую картину дают поражения этими токсинами, имеющими столь значительное сходство в структуре, энзиматической активности и мишенях среди клеток нервной системы, но при различающиеся путями проникновения в макроорганизм. Например, ботулинический токсин проникает в организм энтерально и вызывает вялые параличи периферических нервов. Столбнячный же токсин, образуясь на поверхностях ран, колонизированных C. tetani, приводит к спастическим параличам через поражение ЦНС [Finlay В., Falkow S., 1997].

Эти самые токсичные токсины имеют и наиболее сложную молекулу. Оба синтезируются в виде неактивных полипептидов массой 150 Кд и высвобождаются из лизировавшихся клеток. Затем они активируются посредством протеолитического расщепления открытой петли в структуре своей молекулы. Каждая активная молекула нейротоксина включает тяжелую (100 кд) и легкую (50 кд) цепи, связанные посредством межцепочечной дисульфидной связи. Тяжелые цепи обоих токсинов содержат два домена — регион, необходимый для транслокации токсина (N-терминальная последовательность) и регион, необходимый для связывания с клеткой (С-терминальная последовательность). Легкие цепи обоих токсинов содержат цинк-связывающий мотив, необходимый для цинк-зависимой протеазы, активирующей молекулу [Schiavo G., Montecucco С, 1997].