Koleratoxin

Koleratoxinmekanism

Koleratoxin (även känt som koleragen och ibland förkortat till CTX , Ctx eller CT ) är ett AB5 multimert proteinkomplex som utsöndras av bakterien Vibrio cholerae . CTX är ansvarig för den massiva, vattniga diarrén som är karakteristisk för kolerainfektion . Det är en medlem av den värmelabila enterotoxinfamiljen .

Historia

Koleratoxin upptäcktes 1959 av den indiske mikrobiologen Sambhu Nath De .

Strukturera

Koleratoxin B pentamer, Vibrio cholerae

Det kompletta toxinet är en hexamer som består av en enda kopia av A-subenheten (del A, enzymatisk, ), och fem kopior av B-subenheten (del B, receptorbindning, ), betecknad som AB ₅ . Subenhet B binder medan subenhet A aktiverar G-proteinet som aktiverar adenylatcyklas . Den tredimensionella strukturen av toxinet bestämdes med användning av röntgenkristallografi av Zhang et al. år 1995.

De fem B-subenheterna - var och en väger 11 kDa , bildar en femledad ring. A-subenheten som är 28 kDa har två viktiga segment. A1-delen av kedjan (CTA1) är en klotformig enzymnyttolast som ADP-ribosylerar G-proteiner , medan A2-kedjan (CTA2) bildar en förlängd alfahelix som sitter tätt i den centrala poren av B-subenhetsringen.

Denna struktur liknar i form, mekanism och sekvens det värmelabila enterotoxinet som utsöndras av vissa stammar av Escherichia coli- bakterien.

Patogenes

Koleratoxin verkar genom följande mekanism: För det första binder B-subenhetsringen av koleratoxinet till GM1 -gangliosider på ytan av målceller. Om en cell saknar GM1, binder toxinet med största sannolikhet till andra typer av glykaner , såsom Lewis Y och Lewis X , fästa till proteiner istället för lipider. När det väl är bundet, endocytoseras hela toxinkomplexet av cellen och reduktionen av en disulfidbrygga frisätter koleratoxin A1 (CTA1)-kedjan. Endosomen flyttas till Golgi-apparaten , där A1-proteinet känns igen av endoplasmatiskt retikulum (ER) chaperon , proteindisulfide- isomeras . A1-kedjan vecklas sedan ut och levereras till membranet, där Ero1 utlöser frisättningen av A1-proteinet genom oxidation av proteindisulfid-isomeraskomplex. När A1-proteinet rör sig från ER in i cytoplasman via Sec61 -kanalen, återveckas det och undviker deaktivering som ett resultat av ubiquitination .

CTA1 är sedan fri att binda till ett humant partnerprotein som kallas ARF6 (ADP-ribosyleringsfaktor 6); bindning till Arf6 driver en förändring i formen av CTA1 som exponerar dess aktiva plats och möjliggör dess katalytiska aktivitet. CTA1-fragmentet katalyserar ADP-ribosylering av Gs alfa subenhet (Ga _s ) proteiner med användning av NAD . ADP-ribosyleringen gör att Gas _- subenheten förlorar sin katalytiska aktivitet av GTP-hydrolys till GDP + Pi, _och bibehåller således Gas _i sitt aktiverade tillstånd. Ökad Gαs _- aktivering leder till ökad adenylatcyklasaktivitet , vilket ökar den intracellulära koncentrationen av 3',5'-cyklisk AMP (cAMP) till mer än 100 gånger över normalt och överaktiverar cytosolisk PKA . Dessa aktiva PKA fosforylerar sedan cystisk fibros transmembrane conductance regulator (CFTR) kloridkanalproteiner , vilket leder till ATP -medierat utflöde av kloridjoner och leder till utsöndring av H ₂ O , Na ⁺ , K ⁺ och HCO ₃^- i tarmen lumen . Dessutom minskar inträngningen av Na ⁺ och följaktligen inträngningen av vatten i enterocyter . De kombinerade effekterna resulterar i snabb vätskeförlust från tarmen, upp till 2 liter per timme, vilket leder till allvarlig uttorkning och andra faktorer som är förknippade med kolera, inklusive en avföring av risvatten .

Pertussis -toxinet (även ett AB ₅ -protein) som produceras av Bordetella pertussis verkar på liknande sätt med undantaget att det ADP-ribosylerar Gai _- subenheten , vilket gör den oförmögen att hämma cAMP-produktion.

Ursprung

Genen som kodar för koleratoxinet införs i V. cholerae genom horisontell genöverföring . Virulenta stammar av V. cholerae innehåller ett virus som kallas en CTXφ-bakteriofag .

Ansökningar

Eftersom B-subenheten verkar vara relativt icke-giftig, har forskare hittat ett antal tillämpningar för den inom cell- och molekylärbiologi. Det används rutinmässigt som ett neuronalt spårämne .

Behandling av odlade neurala stamceller från gnagare med koleratoxin inducerar förändringar i lokaliseringen av transkriptionsfaktorn Hes3 och ökar deras antal.

GM1-gangliosider finns i lipidflottar på cellytan. B-subenhetskomplex märkta med fluorescerande taggar eller därefter målinriktade med antikroppar kan användas för att identifiera flottar.

Vaccin

Det finns för närvarande två vacciner mot kolera: Dukoral och Shanchol. Båda vaccinerna använder hela dödade V. cholerae -celler, men Dukoral innehåller också rekombinant koleratoxin β (rCTB). Vissa studier tyder på att införandet av rCTB kan förbättra vaccinets effektivitet hos små barn (2-10) och öka skyddets varaktighet. Detta motverkas av kostnaderna för att skydda och lagra rCTB mot nedbrytning.

Vaccinadjuvans

En annan tillämpning av CTB-subenheten kan vara som ett vaccinadjuvans till andra vacciner. Det har visat sig att koppling av CTB och antigener förbättrar vaccinets respons. För närvarande har adjuvanspotentialen för CTB visats i stora djurmodeller så ytterligare forskning behövs. Detta kan göra det möjligt för CTB att användas som ett adjuvans för att vaccinera mot många typer av sjukdomar. Detta kan innefatta bakteriella och virusinfektioner, allergi och diabetes. Att notera, eftersom CTB har visat sig inducera humorala immunsvar i slemhinnan , är vacciner mot slemhinnevirus som HIV ett potentiellt mål.

Membranbiologi

Lipidflottar

Eftersom koleratoxin har visat sig företrädesvis binda till GM1-gangliosider, kan denna egenskap användas för membranstudier. Lipidflottar är svåra att studera eftersom de varierar i storlek och livslängd, samtidigt som de är en del av en extremt dynamisk komponent av celler. Genom att använda koleratoxin β som markör kan vi få en bättre förståelse för lipidflottars egenskaper och funktioner.

Endocytos

Endocytos är brett uppdelad i clathrin -beroende och clathrin-oberoende process, och koleratoxinet använder båda vägarna. Koleratoxin har visat sig komma in i celler via endocytos i flera vägar. Dessa vägar inkluderar caveoler , clathrin-belagda gropar, clathrin-oberoende bärare (CLICs) och GPI -Enriched Endocytic Compartments (GEECs) pathway, ARF6 -medierad endocytos och Fast Endophilin-Mediated Endocytosis (FEME). Hur koleratoxin utlöser dessa endocytosvägar är inte helt förstått, men det faktum att koleratoxin utlöser dessa vägar visar användningen av toxinet som en viktig markör för att undersöka dessa mekanismer.

Retrograd trafficking

En av de viktigaste aspekterna av koleratoxin är den retrograda trafikmekanismen som transporterar toxinet från cellmembranet tillbaka till trans-Golgi-nätverket och det endoplasmatiska retikulumet. Eftersom både koleratoxin och GM1-arter kan märkas med en fluorescerande etikett, kan mekanismen för retrograd trafik övervakas. Detta öppnar möjligheten att övervaka mekanismen i realtid. Detta kan öppna upp för nya upptäckter om hur intracellulär transport fungerar och hur protein- och lipidsortering fungerar i den endocytotiska vägen .

Se även

externa länkar

De, Sambhu Nath. Enterotoxicitet hos bakteriefritt kulturfiltrat av Vibrio cholerae . Natur. 30 maj 1959. 183:1533–4.
McDowall, Jennifer (sep 2005). "Koleratoxin" . Månadens protein (POTM). Protein Data Bank in Europe (PDBe). Arkiverad från originalet den 27 april 2019.
Goodsell, David (sep 2005). "Koleratoxin" . RCSB Protein Data Bank . Månadens molekyl (MOTM). Protein Data Bank (PDB). doi : 10.2210/rcsb_pdb/mom_2005_9 . Arkiverad från originalet den 25 oktober 2011.
Kolera+toxin vid US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
Översikt över all strukturell information tillgänglig i PDB för UniProt : P01555 (kolera enterotoxin subenhet A) vid PDBe-KB .
Översikt över all strukturell information tillgänglig i PDB för UniProt : P01556 (kolera enterotoxin subenhet B) vid PDBe-KB .