Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Рисунок 1. Электронная микрофотография бактерии, вызывающей сибирскую язву, Bacillus anthracis .

Антракс токсин представляет собой три- белок экзотоксин , секретируемый вирулентными штаммами бактерии , Bacillus сибирской -The возбудителем сибирской язвы . Токсин был впервые обнаружен Гарри Смитом в 1954 году. [1] Токсин сибирской язвы состоит из связывающего клетки белка, известного как защитный антиген (PA), и двух компонентов фермента, называемых фактором отека (EF) и летальным фактором (LF). . Эти три белковых компонента действуют вместе, чтобы передать свои физиологические эффекты. Собранные комплексы, содержащие компоненты токсина, подвергаются эндоцитозу . В эндосоме, ферментные компоненты токсина перемещаются в цитоплазму клетки-мишени. Попадая в цитозоль, ферментные компоненты токсина нарушают различные функции иммунных клеток, а именно передачу сигналов и миграцию клеток. Токсин может даже вызывать лизис клеток, как это наблюдается для клеток макрофагов . Токсин сибирской язвы позволяет бактериям уклоняться от иммунной системы , размножаться и в конечном итоге убивать животное-хозяина. [2] Исследования токсина сибирской язвы также дают представление о создании макромолекулярных сборок , а также о транслокации белков , порообразовании, эндоцитозе и других биохимических процессах. процессы.

Факторы вирулентности Bacillus anthracis [ править ]

Сибирская язва - это заболевание, вызываемое Bacillus anthracis , спорообразующей грамположительной палочковидной бактерией (рис. 1). Летальность заболевания обусловлена двумя факторами вирулентности главным Бактерия по: (I) кислоту полиглутаминова капсулы, которая является анти - фагоцитарной , и (II) трехсторонний токсин белок, называемый токсином сибирской язвы. Токсин сибирской язвы представляет собой смесь трех белковых компонентов: (i) защитный антиген (PA), (ii) фактор отека (EF) и (iii) летальный фактор (LF).

Антракс токсин представляет собой A / B токсина [ править ]

Каждый отдельный белок токсина сибирской язвы нетоксичен. Симптомы токсичности не наблюдаются при индивидуальном введении этих белков лабораторным животным. Совместное введение PA и EF вызывает отек , а совместное введение PA и LF приводит к летальному исходу. Первая комбинация называется отечным токсином, а вторая комбинация - летальным токсином. Таким образом, проявление физиологических симптомов в любом случае требует ПА.

Требование PA, наблюдаемое в экспериментах на животных моделях, демонстрирует общую парадигму для бактериальных токсинов, называемую парадигмой A / B. Компонент A является ферментативно активным, а компонент B является компонентом связывания клеток. Токсин сибирской язвы имеет форму A 2 B , где два фермента , EF и LF, являются компонентами A, а PA - компонентом B. Таким образом, PA действует как троянский конь , который переносит EF и LF через плазматическую мембрану в цитозоль, где они могут затем катализировать реакции, нарушающие нормальную клеточную физиологию. [цитата необходима ]

Сборка и перемещение токсина сибирской язвы [ править ]

Схема действия выделяемых токсинов сибирской язвы

Для функционирования белковые компоненты токсина сибирской язвы должны собираться в комплексы голотоксина. Чтобы LF и EF функционировали внутри клетки-мишени, они должны локализоваться в клетке и проникать в ее цитоплазму. Посредством ряда шагов PA может перемещать EF и LF в клетку (рис. 2). Этот процесс начинается, когда форма PA 83 кДа, называемая PA83, связывается с рецептором токсина сибирской язвы . Есть два известных гомологичных рецептора, которые связываются с PA83, называемые маркером эндотелия опухоли -8 ( TEM8 ) и белком морфогенеза капилляров 2 ( CMG2 ). [3]Затем фрагмент 20 кДа (PA20) отщепляется от аминоконца PA83 мембранными эндопротеазами из семейства фуринов. Когда PA20 диссоциирует, оставшаяся часть PA, связанная с рецептором, называемая PA63, может собираться в гептамерный [4] или октамерный [5] кольцевой олигомер . Этот кольцеобразный олигомер часто называют пре-поровой (или преканальной) формой PA, поскольку позже на своем пути он станет порой (или каналом) транслоказы. Поверхность препорового олигомера, которая подверглась воздействию при высвобождении фрагмента PA20, затем может связываться с LF и EF. [6] Гептамерная и октамерная формы олигомера PA могут затем связываться с тремя или четырьмя молекулами EF и / или LF соответственно. [5] [7]Затем клетка эндоцитозирует эти собранные комплексы и переносит их в кислый отсек клетки. Низкий pH, встречающийся в эндосоме, заставляет пре-канал PA63 превращаться в катион-селективный канал. EF и LF управляются через канал градиентом pH, позволяя факторам фермента проникать в цитозоль . [8]

Ферментативная функция LF и EF [ править ]

Попав в цитозоль, EF и LF затем осуществляют свои соответствующие процессы, вызывающие повреждение. [9]

  • EF действует как Ca 2+ и кальмодулин- зависимая аденилатциклаза, которая значительно увеличивает уровень цАМФ в клетке. Это увеличение цАМФ нарушает гомеостаз воды , серьезно нарушает внутриклеточные сигнальные пути и ухудшает функцию макрофагов, позволяя бактериям еще больше уклоняться от иммунной системы.
  • LF также помогает бактериям уклоняться от иммунной системы, убивая макрофаги. Попадая в эти клетки, LF действует как Zn 2+ -зависимая эндопротеаза, которая отрезает N-конец митоген-активируемых протеинкиназ киназ (MAPKK) . Это ингибирует эти киназы, не позволяя им эффективно связываться с их субстратами, что приводит к изменению сигнальных путей и, в конечном итоге, к апоптозу .

Таким образом, синергетический эффект этих трех белков приводит к гибели клетки в результате каскада событий, которые позволяют белкам проникать в клетку и нарушать клеточную функцию.

Взаимосвязь между структурой и функцией внеклеточного токсина [ править ]

Механизм действия токсина сибирской язвы является результатом молекулярных структур трех токсиновых белков в сочетании с биомолекулами клетки-хозяина. Молекулярные взаимодействия становятся очевидными при выполнении детального анализа структур PA, EF, LF и клеточных рецепторов ( ANTXR1 и ANTXR2 ). Структуры молекул токсина (рис. 3–5), рецептора и комплексов молекул - все это позволило понять синергетические действия этих белков. Анализ сайтов связывания и конформационных изменений дополнил структурные исследования, выяснив функции каждого домена PA, LF и EF, как кратко изложено в таблице 1.

Первой была определена структура ПА (рис. 3). [10] Эта структура и структура ее клеточного рецептора проливают свет на специфичность распознавания и связывания. [11] Эта специфичность PA и рецептора CMG2 (подобная интегинам типа I) обусловлена ​​взаимодействиями через сайт адгезии, зависящий от ионов металлов (MIDAS), гидрофобную бороздку и выступ β-шпильки. Все они способствуют тесному взаимодействию, в котором большая часть поверхности белка на CMG2 (и TEM8) погребена. [12]

Ленточная диаграмма гептамера PA 63, образующего пре-поры.

Petosa et al. решила структуру гептамера PA63 при 4,5 Å (0,45 нм). [10] Структура, которую они решили, представляла собой немембранно-связанную пре-пору, конформацию гептамера до того, как комплекс расширит β-ствол через плазматическую мембрану, чтобы транспортировать LF и EF в цитозоль.

Фрагмент PA20 стерически препятствует гептамеризации и образованию пор, но когда он удаляется с верхней части мономера, пре-поры образуются быстро. Образование гептамера не вызывает серьезных изменений в конформации каждого отдельного мономера, но при объединении более 15400 Ų (154 нм 2 ) поверхности белка скрывается . Эта скрытая поверхность состоит в основном из полярных или заряженных боковых групп из доменов 1 и 2. [10]

PA также образует октамерную предканальную структуру. [5] Октамерная форма оказалась более термостабильной, чем гептамерная форма, и, следовательно, октамерный олигомер может сохраняться в плазме хозяина во время инфекции сибирской язвы. [5]

Предварительный канал октамера PA63 (3HVD)

Во время олигомеризации PA63 молекулы EF и / или LF быстро и одновременно связываются с преканалом PA. Это связывание происходит потому, что после удаления домена PA20 открывается большая гидрофобная поверхность на домене 1 PA63. Домен 1 обеспечивает большую поверхность, которая взаимодействует с N-концом EF и LF [13], которая почти полностью гомологична для первых ~ 36 остатков и аналогична по третичной структуре для первых ~ 250 остатков. [14] Исследования области связывания LF и EF показали, что большая площадь поверхности контактирует с доменом 1 двух соседних молекул PA63, когда они находятся в конформации гептамера. [15]Эта большая область связывания объясняет, почему предыдущие исследования могли связывать только до трех молекул гептамера PA63. Сокристаллическая структура октамера PA в комплексе с N-концевым LF показала, что связывающее взаимодействие фактически представляет собой два прерывистых сайта. [13] Один сайт, названный C-концевым подсайтом, напоминает классическую «горячую точку» с предсказанными солевыми мостами и электростатическими взаимодействиями. Другой сайт, называемый субсайтом альфа-зажима, представляет собой глубокую щель, которая неспецифически связывает N-концевую альфа-спираль и короткую бета-цепь LF, направляя N-конец субстрата к просвету преканала PA. Таким образом, альфа-зажим способствует транслокации белка, неспецифическому связыванию и последующему разворачиванию вторичной структуры по мере ее разворачивания из субстрата. [16] Сайт связывания LF / EF в настоящее время используется для доставки терапевтических средств посредством слитых белков.

После образования препоры и присоединения LF и / или EF гептамер мигрирует на липидный слой, где он быстро эндоцитозируется. Эндоцитоз возникает в результате ряда событий. Это начинается, когда CMG2 или TEM8 пальмитоилированы, что ингибирует ассоциацию рецептора с липидными рафтами. Это препятствует эндоцитозу рецептора до того, как РА83 будет расщеплен и до того, как LF или EF смогут связываться с гептамером. Реассоциация рецептора с микродоменами, богатыми холестерином и гликосфиголипидами ( липидные рафты) возникает, когда PA63 связывается с рецептором и гептамеризируется. Как только рецептор и PA возвращаются на липидный слой, E3-убиквитинлигаза Cb1 убиквитинирует цитоплазматический хвост рецептора, передавая сигнал рецептору и связанным с ним токсиновым белкам для эндоцитоза. Для возникновения этого эндоцитоза необходимы динамин и Eps15, что указывает на то, что токсин сибирской язвы проникает в клетку через клатрин- зависимый путь. [17]

Как уже обсуждалось, каждая молекула взаимодействует с несколькими другими, чтобы вызвать эндоцитоз токсина сибирской язвы. Оказавшись внутри, комплекс переносится в кислый отсек, где гептамер, все еще находящийся в конформации препоры, не охватывающей мембраны, подготавливается для транслокации EF и LF в цитозоль. [18]

Отношения структура-функция от везикулы до цитозоля [ править ]

Формирование пор [ править ]

На первый взгляд, первичная последовательность PA не похожа на последовательность трансмембранного белка. Гидрофобность сюжет отсутствует какая - либо модель , которые являются общими для возможных доменов трансмембранных. Структуры других мультимерных мембранных белков (таких как дифтерийный токсин ) дают ответ на вопрос, как PA может проникать через мембрану. Считается, что PA действует подобно этим мультимерным мембранным белкам, которые образуют β-бочки, состоящие из участков полярных и неполярных аминокислот каждого мономера. [10]

Греческий мотив.

Формированию поры β-цилиндра способствует снижение pH. Чтобы сформировать цилиндр, когда pH падает, домен 2 PA63 должен претерпеть наибольшее изменение конформации. Изучив структуру домена 2 (рис.7), можно увидеть, что этот домен содержит греческий ключмотив (золотая часть на рис. 7). Общая схема мотива с греческим ключом показана на рис. 8. К греческому ключу в домене 2 прикреплена большая неупорядоченная петля. Необходимость этой петли в порообразовании показана с помощью мутагенеза и протеолиза петли химотрипсином. Дополнительные электрофизиологические измерения замен цистеина помещают аминокислоты этой петли внутрь просвета поры, в которую вставлена ​​мембрана. Неупорядоченная петля в домене 2 также имеет паттерн чередования гидрофобных и гидрофильных аминокислот, который является паттерном, сохраняющимся в покрывающих мембрану частях поринов. Единственная проблема заключается в том, что петля недостаточно велика, чтобы охватить мембрану β-цилиндра. Встраивание в мембрану могло происходить только при дополнительных конформационных изменениях.Большое конформационное изменение происходит там, где разворачивается мотив греческого ключа, образуя β-шпильку, которая выступает вниз в мембрану и образует β-бочку с другими 6 мономерами комплекса (рисунки 9a и 9b). Конечная пора имеет диаметр 12 Å (1,2 нм), что соответствует теоретическому значению этой модели.[10]

Эта модель потребует больших конформационных изменений в домене 2 наряду с разрывом многих водородных связей, поскольку мотив греческого ключа отслаивается от центра домена. Petosa et al. предложил модель того, как это происходит. [10] Встраивание ключевых мотивов PA греческого происхождения в мембрану происходит при подкислении гептамера. На искусственных двойных слоях это происходит, когда pH снижается с 7,4 до 6,5, что позволяет предположить, что триггер для введения включает титрование гистидинов. Это действительно соответствует последовательности PA, поскольку домен 2 содержит некоторое количество гистидинов (показано звездочками на рисунке 9a). В неупорядоченной петле обнаружены три остатка гистидина, один из которых находится с гистидином с греческим ключом в кластере полярных аминокислот. Этот кластер (включая два гистидина, три аргинина и один глутамат) встроен в верхнюю часть ключевого греческого мотива, поэтому легко увидеть, что протонирование этих гистидинов разрушило бы кластер. Более того,другой гистидин расположен в основании ключевого греческого мотива вместе с рядом гидрофобных остатков (в зеленом сегменте на фигурах 7 и 9a). При pH 7,4 этот сегмент упорядочен, но при выращивании кристаллов при pH 6,0 он становится неупорядоченным. Этот переход от порядка к беспорядку является начальным этапом введения мембраны ПА.

PA эндоцитозируется как растворимый гептамер, прикрепленный к его рецепторам, с LF или EF, присоединенными к гептамеру в качестве груза. Первым шагом после эндоцитоза является закисление эндоцитотического пузырька. Подкисление играет две роли в продолжительности жизни токсина. Во-первых, это помогает ослабить плотный захват рецептора CMG2 или TEM8 на PA, облегчая формирование пор (разные рецепторы допускают введение при немного другом pH). [12] Во-вторых, снижение pH приводит к тому, что неупорядоченная петля и мотив «греческий ключ» в домене PA 2 складываются из препоры гептамера и внедряются через стенку кислой везикулы, что приводит к образованию пор (Рис. 7 –9).

Santelli et al. объяснили больше о процессе после того, как они определили кристаллическую структуру комплекса PA / CMG2. [12]Структура этого комплекса показывает связывание CMG2 как доменами 2, так и 4 PA. Это взаимодействие демонстрирует меньшую свободу раскрытия греческого ключа. Дальнейший анализ показывает, что семь из девяти гистидинов в PA находятся на интерфейсе домен 2 / домен 4. Протонирование этих гистидинов приводит к тому, что домены разделяются в достаточной степени, чтобы позволить греческому ключу выскочить и помочь сформировать β-шпильку, участвующую в вставке. Кроме того, когда PA связывается с CMG2, вставка больше не происходит при pH 6,5, как при вставке в искусственную мембрану. Вместо этого для введения в естественные клетки требуется pH 5,0. Было объяснено, что это различие является результатом наличия кармана рядом с мотивом MIDAS в CMG2. Этот карман содержит гистидин, похороненный на дне, где прикрепляется домен 2. Этот гистидин протонируется при более низком pH и увеличивает стабильность PA.Эта дополнительная стабильность не дает греческому ключу двигаться до тех пор, пока не будут выполнены более кислые условия. Все эти гистидины работают вместе, чтобы предотвратить преждевременное внедрение гептамера до возникновения эндоцитоза.

Santelli et al. (Fig. 10) также построили гипотетическую структуру встроенной в мембрану структуры PA / CMG2. Эта модель показывает, что β-бочка имеет длину около 70 Å (7 нм), 30 Å (3 нм) из которых охватывают мембрану, а зазор 40 Å (4 нм) фактически заполнен остальной внеклеточной частью рецептор CMG2 (~ 100 остатков). CMG2 обеспечивает дополнительную поддержку пор.

Транслокация белков [ править ]

Схема транслокации белков.

Несколько недавних исследований демонстрируют, как пора PA63 позволяет EF и LF проникать в цитоплазму, когда ее просвет настолько мал. Просвет поры PA63 составляет всего 15 Å (1,5 нм) в поперечнике, что намного меньше диаметра LF или EF. Транслокация происходит в результате серии событий, которые начинаются в эндосоме, когда она подкисляется. LF и EF чувствительны к pH, и при падении pH их структуры теряют стабильность. Ниже pH 6,0 (pH в эндосоме) и LF, и EF становятся неупорядоченными расплавленными глобулами.. Когда молекула находится в этой конформации, N-конец высвобождается и втягивается в пору за счет протонного градиента и положительного трансмембранного потенциала. Кольцо из семи фенилаланинов на эндосомной стороне рта поры (фенилаланиновый зажим) помогает разворачиванию LF или EF, взаимодействуя с гидрофобными остатками, обнаруженными в LF или EF. Затем протонный градиент начинает пронизывать белок через пору. Механизм шнуровки приводится в движение градиентом, но для храпового движения требуется фенилаланиновый зажим. Первые 250 остатков EF и LF имеют нерегулярную чередующуюся последовательность основных, кислотных и гидрофобных остатков.Взаимодействие между зажимом фенилаланина и состоянием протонирования вызывает эффект храповика, который приводит в движение белок, хотя до тех пор, пока в цитоплазму не пересечется достаточно, чтобы протащить остаток через поры, когда N-конец перегибается (Рис. 11).

Ссылки [ править ]

  1. ^ Смит H, Кеппи J (1954). «Наблюдения за экспериментальной формой сибирской язвы: демонстрация конкретного летального фактора, продуцируемого in vivo Bacillus anthracis». Природа . 173 (4410): 869–70. DOI : 10.1038 / 173869a0 . PMID  13165673 .
  2. ^ Мальдонадо-Арочо; и другие. (2009). «Токсин сибирской язвы». Микробные токсины: текущие исследования и будущие тенденции . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-44-8.
  3. ^ Штернбах, Г. (2003). «История сибирской язвы». Журнал неотложной медицины . 24 (4): 463–467. DOI : 10.1016 / S0736-4679 (03) 00079-9 . PMID 12745053 . 
  4. ^ Грин, BD; Battisti, L .; Koehler, TM; Торн, CB; Ivins, BE (1985). «Демонстрация капсульной плазмиды в Bacillus anthracis» . Инфекция и иммунитет . 49 (2): 291–297. PMC 262013 . PMID 3926644 .  
  5. ^ а б в г Кинцер, AF; Торен, KL; Стерлинг, HJ; Dong, KC; Feld, GK; Тан, II; Чжан, ТТ; Уильямс, ER; Бергер, JM; Кранц, Б.А. (2009). «Защитный антигенный компонент токсинов сибирской язвы образует функциональные октамерные комплексы» . Журнал молекулярной биологии . 392 (3): 614–629. DOI : 10.1016 / j.jmb.2009.07.037 . PMC 2742380 . PMID 19627991 .  
  6. ^ Абрами л, Reig Н, ван - дер - Goot FG (2005). «Токсин сибирской язвы: долгая и извилистая дорога, ведущая к смерти». Trends Microbiol . 13 (2): 72–78. DOI : 10.1016 / j.tim.2004.12.004 . PMID 15680766 . 
  7. ^ Гринберг Л.М., Абрамова Ф.А., Ямпольская О.В., Уокер Д.Х., Смит Дж. Х. (2001). «Количественная патология легочной формы сибирской язвы I: количественные микроскопические данные» . Мод Pathol . 14 (5): 482–495. DOI : 10.1038 / modpathol.3880337 . PMID 11353060 . 
  8. ^ Фридландр А.М., Бхатнагар R, Leppla SH, Джонсон L, Синг Y (1993). «Характеристика чувствительности макрофагов и устойчивости к летальному токсину сибирской язвы» . Заражение иммунной . 61 (1): 245–252. PMC 302711 . PMID 8380282 .  
  9. ^ Singh Y, Leppla SH, Бхатнагар R, Фридлендер AM (1989). «Интернализация и переработка летального токсина Bacillus anthracis токсин-чувствительными и резистентными клетками». J Biol Chem . 264 (19): 11099–11102. PMID 2500434 . 
  10. ^ a b c d e f Petosa, C .; Collier, RJ; Климпель, КР; Leppla, SH; Лиддингтон, Р.К. (1997). «Кристаллическая структура защитного антигена токсина сибирской язвы». Природа . 385 (6619): 833–838. DOI : 10.1038 / 385833a0 . PMID 9039918 . 
  11. ^ Лейси, DB; Вигелсворт, диджей; Скоби, HM; Янг, JA; Кольер, Р.Дж. Кристаллическая структура фактора фон Виллебранда Домен белка морфогенеза 2 капилляров человека: рецептор токсина сибирской язвы. Proc. Natl. Акад. Sci. USA 2004, 101, 6367–6372.
  12. ^ a b c Santelli, E .; Банкстон, Луизиана; Leppla, SH; Лиддингтон, Р. К. Кристаллическая структура комплекса между токсином сибирской язвы и его рецептором клетки-хозяина. Природа. 2004, 430, 905–908.
  13. ^ a b Фельд Г.К., Торен К.Л., Кинцер А.Ф., Стерлинг Х.Дж., Тан II, Гринберг С.Г., Уильямс Э.Р., Кранц Б.А. Структурная основа развертывания летального фактора сибирской язвы олигомерами защитных антигенов. Nat Struct Mol Biol. 2010, 17 (11): 1383-80.
  14. ^ Паннифер, AD; Wong, TY; Schwarzenbacher, R .; Ренатус, М .; Petosa, C .; Bienkowska, J .; Лейси, ДБ; Collier, RJ; Парк, С .; Leppla, SH; Hanna, P .; Лиддингтон Р.С. Кристаллическая структура летального фактора сибирской язвы. Природа. 2001, 414, 230–233.
  15. ^ Мельник, РА; Хьюитт, КМ; Лейси, ДБ; Lin, HC; Гесснер, CR; Li, S .; Вудс, ВЛ; Collier, RJ Structural Determinates for the Binding of Anthrax Lethal Factor to Oligomeric Protective Antigen. J. Biol. Chem. 2006, 281, 1630–1635.
  16. Перейти ↑ Feld GK, Brown MJ, Krantz BA. Увеличение транслокации белков с помощью токсина сибирской язвы. Prot Sci. 2012, 21 (5): 606-24.
  17. ^ Abrami, L .; Liu, S .; Cosson, P .; Leppla, SH; van der Goot, FG Токсин сибирской язвы запускает эндоцитоз своего рецептора через клатрин-зависимый процесс, опосредованный липидным рафтом. J. Cell Biol. 2003, 160, 321–328.
  18. ^ Mourez, M. Токсины сибирской язвы. Rev. Physiol. Biochem. Pharmacol. 2004, 152, 135–164.

Внешние ссылки [ править ]

  • «Молекула месяца» апрель 2012 г.
  • Обзор всей структурной информации, доступной в PDB для UniProt : P15917 (Летальный фактор) в PDBe-KB .