Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Лейкоцидин / гемолизиновый токсин
7ahl.png
Альфа-токсин Staphylococcus aureus из S. aureus ( PDB : 7AHL ).
Идентификаторы
СимволЛейкоцидин
PfamPF07968
Клан пфамCL0636
ИнтерПроIPR036435
Доступные белковые структуры:
Pfam  структуры / ECOD  
PDBRCSB PDB ; PDBe ; PDBj
PDBsumрезюме структуры

Гемолизинов или haemolysins являются липиды и белки , которые вызывают лизис из красных кровяных клеток , нарушая клеточную мембрану . Хотя литическая активность некоторых гемолизинов микробного происхождения в отношении красных кровяных телец может иметь большое значение для получения питательных веществ, многие гемолизины, продуцируемые патогенами , не вызывают значительного разрушения красных кровяных телец во время инфекции. Однако гемолизины часто способны лизировать эритроциты in vitro .

Хотя большинство гемолизинов представляют собой белковые соединения, некоторые являются липидными биосурфактантами . [1]

Свойства [ править ]

Многие бактерии производят гемолизин, который можно обнаружить в лаборатории. Сейчас считается, что многие клинически значимые грибы также производят гемолизин. [2] Гемолизины можно идентифицировать по их способности лизировать эритроциты in vitro .

Гемолиз стрептококком на пластине

Гемолизин влияет не только на эритроциты, но и на другие клетки крови, такие как лейкоциты (белые кровяные тельца). Гемолизин Escherichia coli потенциально цитотоксичен для моноцитов, лимфоцитов и макрофагов , что приводит к их автолизу и смерти.

Визуализация гемолиза (Великобритания: гемолиз) эритроцитов в чашках с агаром упрощает категоризацию Streptococcus .

Механизм [ править ]

Один из способов, которым гемолизин лизирует эритроциты, - это формирование пор в фосфолипидных бислоях . [3] [4] Другие гемолизины лизируют эритроциты путем гидролиза фосфолипидов в бислое.

Формирование пор [ править ]

Многие гемолизины представляют собой порообразующие токсины (PFT), которые способны вызывать лизис эритроцитов , лейкоцитов и тромбоцитов за счет образования пор на цитоплазматической мембране .

Гемолизин обычно секретируется бактериями водорастворимым способом. Эти мономеры диффундируют к клеткам-мишеням и прикрепляются к ним специальными приемниками . После этого они олигомеризуются, образуя кольцевые гептамерные комплексы. [5]

Гемолизины могут секретироваться многими различными видами бактерий, такими как Staphylococcus aureus , Escherichia coli или Vibrio parahemolyticus среди других патогенов. Мы можем взглянуть на бактерию Staphylococcus aureus как на конкретный пример образования порообразующего гемолизина. Золотистый стафилококк - патоген , вызывающий многие инфекционные заболевания, такие как пневмония и сепсис . Он производит кольцеобразный комплекс, называемый порой стафилококкового альфа-гемолизина. В природе Staphylococcus aureus секретирует мономеры альфа-гемолизина, которые связываются с внешней мембраной чувствительных клеток. При связывании мономерыолигомеризации с образованием заполненной водой трансмембранного канала , который облегчает неконтролируемое проникновение из воды , ионов , а также малые органические молекулы . Быстрый разряд жизненно важных молекул, таких как АТФ , диссипация мембранного потенциала и ионных градиентов , а также необратимое осмотическое набухание, приводящее к разрыву (лизису) клеточной стенки, могут вызвать гибель клетки-хозяина.

Эта пора состоит из семи субъединиц альфа-гемолизина, которые представляют собой основной цитотоксический агент, высвобождаемый этим типом бактерий. Эти субъединицы прикрепляются к клеткам-мишеням, как мы уже объясняли, и расширяют липидный бислой, образуя структуры пор. Эти поры в клеточной мембране в конечном итоге приводят к гибели клеток, поскольку они позволяют обмен одновалентными ионами, которые могут вызвать фрагментацию ДНК.

Ферментативный [ править ]

Некоторые гемолизины повреждают мембрану эритроцитов, расщепляя фосфолипиды в мембране.

Стафилококк гемолизины [ править ]

α-гемолизин [ править ]

Альфа (α) -гемолизин Staphylococcus aureus : макромолекулярная структура трансмембранной поры.

Этот токсин, секретируемый золотистым стафилококком , вызывает гибель клеток путем связывания с внешней мембраной с последующей олигомеризацией мономеров токсина с образованием каналов, заполненных водой. Они ответственны за осмотические явления, деполяризацию клеток и потерю жизненно важных молекул (например, АТФ), что приводит к его гибели. [6]

β-гемолизин [ править ]

β-гемолизин (hlb; Q2FWP1 ) представляет собой токсин фосфолипазы C, секретируемый S. aureus . При исследовании эритроцитов барана было обнаружено, что его токсический механизм заключается в гидролизе особого мембранного липида сфингомиелина , который составляет 50% мембраны клетки. Это разложение сопровождалось заметным повышением содержания фосфорилхолина из-за высвобождения органического фосфора из сфингомиелина и, в конечном итоге, вызвало лизис клеток. [7]

γ-гемолизин [ править ]

γ-Гемолизины представляют собой порообразующие токсины из того же семейства, что и α-Гемолизин. Они уникальны тем, что состоят из двух компонентов и, следовательно, называются двухкомпонентными токсинами ( InterPro :  IPR003963 ). По сравнению с бета-гемолизином, он имеет более высокое сродство к фосфохолинам с короткими насыщенными ацильными цепями, особенно если они имеют коническую форму, тогда как цилиндрические липиды (например, сфингомиелин) препятствуют его активности. Литический процесс, чаще всего наблюдаемый в лейкоцитах, вызван образованием пор, индуцированным олигомеризованным октамером, который организуется в кольцевую структуру. Как только формируется препор, образуется более стабильный, называемый β-цилиндром. В этой заключительной части октамер связывается с фосфатидилхолином . [8]

Структура [ править ]

Структура некоторых гемолизинов решена методом рентгеновской кристаллографии в растворимой и порообразующей конформациях. Например, α-гемолизин Staphylococcus aureus образует гомогептамерный β-ствол в биологических мембранах. [9] холерный вибрион Цитолизин [10] также образует heptameric поры, однако золотистый стафилококк гамма-гемолизин [11] образует поры , который октамерной .

Гептамер α-гемолизина из Staphylococcus aureus имеет грибовидную форму и имеет размеры до 100 Å в диаметре и 100 Å в высоту. Канал, охватывающий мембрану и доступный для растворителя, проходит вдоль оси седьмого порядка и имеет диаметр от 14 до 46 Å. На внешней стороне 14-нитевого антипараллельного β-цилиндра находится гидрофобный пояс шириной примерно 30 Å, который обеспечивает поверхность, комплементарную неполярной части липидного бислоя. Интерфейсы состоят как из солевых связей, так и из водородных связей , а также гидрофобных взаимодействий , и эти контакты обеспечивают молекулярную стабильность гептамера в растворах SDS даже при температуре до 65 ° C. [12]

Роль во время заражения [ править ]

Считается, что гемолизины ответственны за многие события в клетках-хозяевах. Например, железо может быть ограничивающим фактором роста различных патогенных бактерий. [13] Поскольку свободное железо может генерировать вредные свободные радикалы , свободное железо обычно сохраняется в организме в низких концентрациях. Красные кровяные тельца богаты железосодержащим гемом . Лизис этих клеток высвобождает гем в окружающую среду, позволяя бактериям поглощать свободное железо. Но гемолизин связан с бактериями не только этим, но и некоторыми другими.

Как упоминалось ранее, гемолизин является потенциальным фактором вирулентности, продуцируемым микроорганизмами , который может поставить под угрозу здоровье человека. Несмотря на наличие серьезных патологий , многие случаи гемолиза не предполагают опасности для здоровья. Но тот факт, что гемолизины (вырабатываемые патогенными микроорганизмами во время инфекций) сочетаются с другими факторами вирулентности, может в большей степени угрожать жизни человека.

Основным последствием гемолиза является гемолитическая анемия , состояние, которое включает разрушение эритроцитов и их более позднее удаление из кровотока , раньше, чем ожидалось в нормальной ситуации. Поскольку костный мозг не может производить эритроциты достаточно быстро, чтобы удовлетворить потребности организма, кислород не поступает в ткани организма должным образом. Как следствие, могут появиться некоторые симптомы, например, усталость , боль , аритмия , увеличенное сердце или даже сердечная недостаточность. [14]

В зависимости от типа гемолизина и микроорганизма, который его продуцирует, проявление симптомов и заболеваний может отличаться от одного случая к другому:

  • Альфа-гемолизин из уропатогенной кишечной палочки вызывает внекишечные инфекции и может вызывать цистит , пиелонефрит и сепсис . Альфа-гемолизин золотистого стафилококка может вызывать тяжелые заболевания, например пневмонию.
  • Аэролизин из Aeromonas sobria поражает кишечник, но также может вызывать сепсис и менингит .
  • Листериолизин из Listeria monocytogenes (факультативная внутриклеточная бактерия, которая процветает в клетках-хозяевах, в основном в макрофагах и моноцитах) вызывает деградацию мембран фагосом , но не представляет потенциальной опасности для плазматической мембраны клетки.

И аэролизин, и альфа-гемолизин синтезируются внеклеточными бактериями, которые инфицируют определенные поверхности тканей.

Доказано, что гемолизины являются повреждающим фактором для жизненно важных органов из-за активности золотистого стафилококка . S.aureus - опасный патоген, который может приводить клетки к некротическим инфекциям, обычно распознаваемым массивным воспалительным ответом, приводящим к повреждению или даже разрушению тканей. Яркий пример этого: пневмония , вызываемая S.aureus . [15] В этом случае было доказано, что альфа-гемолизин участвует в индукции некротического повреждения легких за счет использования инфламмасомы NLRP3 , которая отвечает за воспалительные процессы ипироптоз . Пневмония, вызываемая S.aureus, является распространенным заболеванием в некоторых регионах, что является причиной многих исследований в области иммунологии, направленных на разработку новых фармакологических препаратов для легкого лечения или предотвращения этого вида пневмонии. В настоящее время считается, что апигнин и бета- циклодекстрин облегчают пневмонию , вызванную S.aureus , в то время как антитела против альфа-гемлизина обеспечивают защиту. [16]

Дальнейшие данные показывают, что основной фактор вирулентности S. aureus , порообразующий токсин α-гемолизин (Hla), является секретируемым фактором, ответственным за активацию альтернативного аутофагического пути . Было продемонстрировано, что этот аутофагический ответ подавляется искусственным повышением внутриклеточных уровней цАМФ . [17] Этот процесс также опосредуется факторами обмена RAPGEF3 и RAP2B .

Другой интересный момент заключается в том, что предварительная обработка лейкоцитов дозами альфа-гемолизина, при которых выживает почти 80% клеток, снижает способность клеток фагоцитировать бактерии и частицы и подвергаться хемотаксису . Преждевременная активация лейкоцитов и ингибирование фагоцитоза и хемотаксиса альфа-гемолизином, если они происходят in vivo , значительно повысили бы выживаемость при атаке E. coli . [18]

Некоторые гемолизины, такие как листериолизин O , позволяют бактериям уклоняться от иммунной системы, убегая из фагосом . Гемолизины также могут опосредовать бегство бактерий из клеток-хозяев.

Регулирование экспрессии генов [ править ]

Регуляция экспрессии генов в гемолизинах (например, стрептолизин S) представляет собой систему , вытесненная в присутствии железа. [19] Это гарантирует, что гемолизин вырабатывается только при необходимости. Регулирование производства гемолизина в S.aureus (экспрессия гемолизина) теперь возможно из - in-vitro мутации , которые связаны с серин / треонин киназа и фосфатазы . [20]

Лечение [ править ]

Поскольку гемолизины вырабатываются патогенными организмами, основным лечением является прием антибиотиков, специфичных для патогена, вызвавшего инфекцию. Более того, некоторые гемолизины могут быть нейтрализованы действием антигемолизиновых антител , предотвращая более длительный и опасный эффект гемолиза в организме.

Когда клетки крови разрушаются слишком быстро, могут быть назначены дополнительные добавки фолиевой кислоты и железа или, в экстренных случаях, переливание крови. В редких случаях необходимо удалить селезенку , поскольку она фильтрует кровь и удаляет из кровотока мертвые или поврежденные клетки, что ухудшает недостаток эритроцитов. [21]

Приложения [ править ]

Медицина [ править ]

Термостабильный прямой гемолизин (TDH; InterPro :  IPR005015 ), производимый Vibrio parahaemolyticus, в настоящее время изучается в области онкологии . Он регулирует пролиферацию клеток в карциномы толстой кишки клеток. TDH индуцирует приток Ca2 + из внеклеточной среды, сопровождаемый фосфорилированием протеинкиназы C. Активированная протеинкиназа C ингибирует тирозинкиназную активность рецептора эпидермального фактора роста (EGFR), рациональной мишени противоколоректальной терапии рака. [22]

См. Также [ править ]

  • Гемолиз (микробиология)
  • Порообразующие токсины
  • Золотистый стафилококк

Ссылки [ править ]

  1. ^ Stipcevic T, T Piljac, Isseroff RR (ноябрь 2005). «Дирамнолипид из Pseudomonas aeruginosa по-разному влияет на культуры кератиноцитов и фибробластов человека» . J. Dermatol. Sci . 40 (2): 141–3. DOI : 10.1016 / j.jdermsci.2005.08.005 . PMC  1592130 . PMID  16199139 .
  2. ^ SJ Веспер, Vesper MJ (2004). Возможная роль грибковых гемолизинов в синдроме больного здания . Adv. Appl. Microbiol . Успехи прикладной микробиологии. 55 . С. 191–213. DOI : 10.1016 / S0065-2164 (04) 55007-4 . ISBN 9780120026579. PMID  15350795 .
  3. ^ Chalmeau Дж, Монина Н, Шин - J, Вьё С, Noireaux В (январь 2011). «Образование пор α-гемолизина в поддерживаемом бислое фосфолипидов с использованием бесклеточной экспрессии». Биохим. Биофиз. Acta . 1808 (1): 271–8. DOI : 10.1016 / j.bbamem.2010.07.027 . PMID 20692229 . 
  4. ^ Bhakdi S, Mackman N, Menestrina G, Серый L, Уго F, Сиджер Вт, Голландия ИБ (июнь 1988). «Гемолизин Escherichia coli». Евро. J. Epidemiol . 4 (2): 135–43. DOI : 10.1007 / BF00144740 . PMID 3042445 . S2CID 8237698 .  
  5. ^ Томпсон JR, Кронин B, Бэйли H, Уоллес MI (декабрь 2011). «Быстрая сборка поры мультимерного мембранного белка» . Биофиз. Дж . 101 (11): 2679–83. Bibcode : 2011BpJ ... 101.2679T . DOI : 10.1016 / j.bpj.2011.09.054 . PMC 3297801 . PMID 22261056 .  
  6. ^ McGillivray DJ, Heinrich F, G Valincius, Игнатьев I, Vanderah DJ, Lösche M, Kasianowicz JJ. «Мембранная ассоциация α-гемолизина: белки, функционально восстановленные в tBLM» . Университет Карнеги Меллон.
  7. ^ Maheswaran SK, Lindorfer РК (ноябрь 1967). "Стафилококковый бета-гемолизин. II. Фосфолипазная активность очищенного бета-гемолизина" . J. Bacteriol . 94 (5): 1313–9. DOI : 10.1128 / JB.94.5.1313-1319.1967 . PMC 276826 . PMID 4964474 .  
  8. ^ Далла Серра М, Корайола М, Виеро G, Комай М, Потрич С, Феррерас М, Баба-Мусса Л, Колин Д.А., Менестрина Г, Бхакди С, Превост Г (2005). «Двухкомпонентные гамма-гемолизины Staphylococcus aureus, HlgA, HlgB и HlgC могут образовывать смешанные поры, содержащие все компоненты». Модель J Chem Inf . 45 (6): 1539–45. DOI : 10.1021 / ci050175y . PMID 16309251 . 
  9. ^ Песня л, Хобо МР, Shustak С, Cheley S, Бэйли Н, Gouaux JE (декабрь 1996). «Структура стафилококкового альфа-гемолизина, гептамерной трансмембранной поры». Наука . 274 (5294): 1859–66. Bibcode : 1996Sci ... 274.1859S . DOI : 10.1126 / science.274.5294.1859 . PMID 8943190 . S2CID 45663016 .  
  10. ^ PDB : 3o44 ; Де С., Олсон Р. (май 2011 г.). «Кристаллическая структура гептамера цитолизина Vibrio cholerae обнаруживает общие черты среди разрозненных порообразующих токсинов» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 108 (18): 7385–90. Bibcode : 2011PNAS..108.7385D . DOI : 10.1073 / pnas.1017442108 . PMC 3088620 . PMID 21502531 .  
  11. ^ PDB : 3b07 ; Ямасита К., Кавай Й, Танака Й, Хирано Н., Канеко Дж., Томита Н., Охта М., Камио Ю., Яо М., Танака И. (октябрь 2011 г.). «Кристаллическая структура октамерной поры стафилококкового γ-гемолизина раскрывает двухкомпонентный механизм образования поры β-ствола» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 108 (42): 17314–9. Bibcode : 2011PNAS..10817314Y . DOI : 10.1073 / pnas.1110402108 . PMC 3198349 . PMID 21969538 .  
  12. ^ Gouaux E (1998). «α-Гемолизин из Staphylococcus aureus : архетип β-ствола, каналообразующих токсинов». J. Struct. Биол . 121 (2): 110–22. DOI : 10,1006 / jsbi.1998.3959 . PMID 9615434 . 
  13. ^ Sritharan M (июль 2006). «Железо и бактериальная вирулентность» . Индийский J Med Microbiol . 24 (3): 163–4. PMID 16912433 . 
  14. ^ «Что такое гемолитическая анемия? - NHLBI, NIH» . Национальные институты здоровья США. 2011-04-01 . Проверено 24 ноября 2012 .
  15. ^ Kebaier C, Chamberland RR, Allen IC, Гао X, Бройля PM, зал JD, Jania C, Doerschuk CM, Тилли SL, Duncan JA (март 2012). «Α-гемолизин Staphylococcus aureus опосредует вирулентность в мышиной модели тяжелой пневмонии через активацию инфламмасомы NLRP3» . J. Infect. Dis . 205 (5): 807–17. DOI : 10.1093 / infdis / jir846 . PMC 3274379 . PMID 22279123 .  
  16. ↑ Dong J, Qiu J, Wang J, Li H, Dai X, Zhang Y, Wang X, Tan W, Niu X, Deng X, Zhao S (октябрь 2012 г.). «Апигенин облегчает симптомы пневмонии, вызванной Staphylococcus aureus, путем подавления выработки альфа-гемолизина» . FEMS Microbiol. Lett . 338 (2): 124–31. DOI : 10.1111 / 1574-6968.12040 . PMID 23113475 . 
  17. Перейти ↑ Mestre MB, Colombo MI (октябрь 2012 г.). «Золотистый стафилококк способствует аутофагии за счет снижения внутриклеточного уровня цАМФ» . Аутофагия . 8 (12): 1865–7. DOI : 10,4161 / auto.22161 . PMC 3541307 . PMID 23047465 .  
  18. ^ Cavalieri SJ, Снайдер IS (сентябрь 1982 г.). «Влияние альфа-гемолизина Escherichia coli на функцию периферических лейкоцитов человека in vitro» . Заразить. Иммун . 37 (3): 966–74. DOI : 10.1128 / IAI.37.3.966-974.1982 . PMC 347633 . PMID 6752033 .  
  19. Перейти ↑ Griffiths BB, McClain O (1988). «Роль железа в росте и производстве гемолизина (Streptolysin S) в Streptococcus pyogenes». J. Basic Microbiol . 28 (7): 427–36. DOI : 10.1002 / jobm.3620280703 . PMID 3065477 . 
  20. ↑ Burnside K, Lembo A, de Los Reyes M, Iliuk A, Binhtran NT, Connelly JE, Lin WJ, Schmidt BZ, Richardson AR, Fang FC, Tao WA, Rajagopal L (2010). «Регулирование экспрессии гемолизина и вирулентности Staphylococcus aureus с помощью серин / треонинкиназы и фосфатазы» . PLOS ONE . 5 (6): e11071. Bibcode : 2010PLoSO ... 511071B . DOI : 10.1371 / journal.pone.0011071 . PMC 2884019 . PMID 20552019 .  
  21. ^ Ragle BE, Bubeck Wardenburg J (июль 2009 г.). «Моноклональные антитела против альфа-гемолизина обеспечивают защиту от пневмонии Staphylococcus aureus» . Заразить. Иммун . 77 (7): 2712–8. DOI : 10.1128 / IAI.00115-09 . PMC 2708543 . PMID 19380475 .  
  22. ^ Кармакар P, Чакрабарти MK (июль 2012). «Термостабильный прямой гемолизин снижает фосфорилирование тирозина рецептора эпидермального фактора роста посредством механизма, зависимого от протеинкиназы С». Биохим. Биофиз. Acta . 1820 (7): 1073–80. DOI : 10.1016 / j.bbagen.2012.04.011 . PMID 22543197 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Гемолизины в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)