Porbildande toxin

α-hemolysin från S.aureus (​)

Porbildande proteiner ( PFT , även känd som porbildande toxiner ) produceras vanligtvis av bakterier och inkluderar ett antal proteinexotoxiner men kan också produceras av andra organismer som äppelsniglar som producerar perivitellin-2 eller daggmaskar , som producerar lysenin . De är ofta cytotoxiska (dvs. de dödar celler ), eftersom de skapar oreglerade porer i membranet hos målceller.

Typer

PFT:er kan delas in i två kategorier, beroende på alfa-helix- eller beta-barrel- arkitekturen för deras transmembrankanal som kan bestå av antingen

Andra kategorier:

Enligt TCDB finns det följande familjer av porbildande toxiner:

Beta-porbildande gifter

Leukocidinidentifierare
_
Symbol Leukocidin
Pfam PF07968
InterPro IPR001340
TCDB 1.C.3
OPM superfamilj 35
OPM-protein 7ahl
Tillgängliga proteinstrukturer:
Pfam   strukturer / ECOD  
PDB RCSB PDB ; PDBe ; PDBj
PDBsumma struktur sammanfattning

β-PFTs kallas så på grund av sina strukturella egenskaper: de består mestadels av β-strängbaserade domäner. De har divergerande sekvenser och klassificeras av Pfam i ett antal familjer inklusive leukocidiner, Etx-Mtx2, Toxin-10 och aegerolysin. Röntgenkristallografiska strukturer har avslöjat vissa gemensamma drag: a-hemolysin och Panton-Valentine leukocidin S är strukturellt besläktade. Likaså aerolysin och Clostridial Epsilon-toxin. och Mtx2 är länkade i Etx/Mtx2-familjen.

ß-PFT innehåller ett antal toxiner av kommersiellt intresse för bekämpning av skadeinsekter. Dessa toxiner är potenta men också mycket specifika för ett begränsat antal målinsekter, vilket gör dem till säkra biologiska kontrollmedel.

Insektsdödande medlemmar av Etx/Mtx2-familjen inkluderar Mtx2 och Mtx3 från Lysinibacillus sphaericus som kan kontrollera myggvektorer av mänskliga sjukdomar och även Cry15, Cry23, Cry33, Cry38, Cry45, Cry51 , Cry60, Cry64 och Cry74 som kontrollerar ett intervall av skadeinsekter som kan orsaka stora förluster för jordbruket.

Insekticida toxiner i Toxin-10-familjen visar en övergripande likhet med aerolysin- och Etx/Mtx2-toxinstrukturerna men skiljer sig i två anmärkningsvärda egenskaper. Medan alla dessa toxiner har en huvuddomän och en större, utökad beta-sheetsvansdomän, i Toxin_10-familjen, bildas huvudet uteslutande från den N-terminala regionen av den primära aminosyrasekvensen medan regioner från hela proteinsekvensen bidrar till huvuddomänen i Etx/Mtx2-toxiner. Dessutom visar huvuddomänerna av Toxin_10-proteinerna lektinliknande egenskaper hos kolhydratbindande domäner. De enda rapporterade naturliga målen för Toxin_10-proteiner är insekter. Med undantag för Cry36 och Cry78 verkar Toxin_10-toxinerna fungera som tvådelade binära toxiner. Partnerproteinerna i dessa kombinationer kan tillhöra olika strukturella grupper, beroende på det individuella toxinet: två Toxin_10-proteiner (BinA och BinB) verkar tillsammans i Bin myggdödande toxinet från Lysinibacillus sphaericus; Toxin_10 Cry49 är medberoende av familjemedlemmen Cry48 med 3-domän toxin för dess aktivitet mot Culex mygglarver; och proteinet Bacillus thuringiensis Toxin_10 Cry35 interagerar med aegerolysinfamiljen Cry34 för att döda Western Corn Rootworm . Detta toxinpar har inkluderats i insektsresistenta växter som SmartStax majs.

Verkningssätt

Strukturell jämförelse av porform α- Hemolysin (rosa/röd) och löslig form PVL (blekgrön/grön). Det postuleras att den gröna sektionen i PVL "vippar ut" till den "röda" konformationen som ses i α-Haemolysin. (​)

β-PFT är dimorfa proteiner som existerar som lösliga monomerer och sedan sätts samman för att bilda multimera sammansättningar som utgör poren. Figur 1 visar porformen av α- Hemolysin , den första kristallstrukturen av en β-PFT i dess porform. 7 α-Hemolysinmonomerer samlas för att skapa den svampformade poren. Svampens "hatt" sitter på cellens yta, och svampens "skaft" penetrerar cellmembranet och gör det genomsläppligt (se senare). "Stjälken" består av ett 14-strängat β-rör , med två strängar donerade från varje monomer.

En struktur av Vibrio cholerae cytolysin i porform är också heptamerisk; dock avslöjar Staphylococcus aureus gamma-hemolysin en oktomer por, följaktligen med en 16-strängad "stjälk".

Panton-Valentine leucocidin S-strukturen visar en mycket besläktad struktur, men i dess lösliga monomera tillstånd. Detta visar att strängarna som är involverade i att bilda "stjälken" har en helt annan konformation - visat i fig 2.

Strukturell jämförelse av porform α-Hemolysin (rosa/röd) och löslig form PVL (blekgrön/grön). Det postuleras att den gröna sektionen i PVL "vippar ut" till den "röda" konformationen som ses i α-Haemolysin. (PDB: 7AHL, 1T5R) β-PFT är dimorfa proteiner som existerar som lösliga monomerer och sedan sätts samman för att bilda multimera sammansättningar som utgör poren. Figur 1 visar porformen av α-Hemolysin, den första kristallstrukturen av en β-PFT i dess porform. 7 α-Hemolysinmonomerer samlas för att skapa den svampformade poren. Svampens "hatt" sitter på cellens yta, och svampens "skaft" penetrerar cellmembranet och gör det genomsläppligt (se senare). 'Stjälken' består av ett 14-strängat β-rör, med två strängar donerade från varje monomer. En struktur av Vibrio cholerae cytolysin PDB:3O44 i porform är också heptamerisk; dock avslöjar Staphylococcus aureus gamma-hemolysin (PDB:3B07) en oktomerisk por, följaktligen med en 16-strängad "stjälk". Panton-Valentine leucocidin S-strukturen (PDB: 1T5R) visar en mycket besläktad struktur, men i dess lösliga monomera tillstånd. Detta visar att strängarna som är involverade i att bilda "stjälken" har en helt annan konformation – visat i fig 2. Även om Bin-toxinet från Lysinibacillus sphaericus kan bilda porer i konstgjorda membran och myggceller i kultur, orsakar det också en serie av andra cellulära förändringar, inklusive upptaget av toxin i återvinningsendosomer och produktionen av stora, autofagiska vesiklar och den ultimata orsaken till celldöd kan vara apoptotisk. Liknande effekter på cellbiologi ses också med andra Toxin_10-aktiviteter, men rollerna för dessa händelser i toxicitet återstår att fastställa.

hopsättning

Övergången mellan löslig monomer och membranassocierad protomer till oligomer är inte trivial: Man tror att β-PFT:er följer lika liknande sammansättningsvägar som CDC:erna (se Kolesterolberoende cytolysiner senare), eftersom de först måste monteras på cellytan (på ett receptorförmedlat sätt i vissa fall ) i ett pre-poretillstånd. Efter detta sker den storskaliga konformationsförändringen i vilken den membranspännande sektionen formas och sätts in i membranet. Den del som kommer in i membranet, kallad huvudet, är vanligtvis apolär och hydrofob, vilket ger en energimässigt gynnsam insättning av det porbildande toxinet.

Specificitet

Vissa β-PFT som clostridium ε-toxin och Clostridium perfringens enterotoxin (CPE) binder till cellmembranet via specifika receptorer – möjligen vissa claudiner för CPE, möjligen GPI-ankare eller andra sockerarter för ε-toxin – dessa receptorer hjälper till att höja den lokala koncentrationen av toxinerna, vilket möjliggör oligomerisering och porbildning.

BinB Toxin_10-komponenten i Lysinibacillus sphaericus Bin-toxinet känner specifikt igen ett GPI-förankrat alfaglykosidas i mellantarmen hos Culex- och Anopheles -myggor men inte det relaterade proteinet som finns i Aedes-myggor, vilket ger specificitet till toxinet.

De cytoletala effekterna av poren

När poren bildas störs den snäva regleringen av vad som får och inte kan komma in/ut ur en cell. Joner och små molekyler, såsom aminosyror och nukleotider i cellen, rinner ut och vatten från den omgivande vävnaden kommer in. Förlusten av viktiga små molekyler till cellen kan störa proteinsyntesen och andra avgörande cellulära reaktioner. Förlusten av joner, särskilt kalcium , kan göra att cellsignalsvägar aktiveras eller deaktiveras falskt. Det okontrollerade inträdet av vatten i en cell kan få cellen att svälla upp okontrollerat: detta orsakar en process som kallas blebbing , där stora delar av cellmembranet förvrängs och ger vika under det ökande inre trycket. I slutändan kan detta få cellen att spricka. I synnerhet genomgår kärnfria erytrocyter under påverkan av alfa-stafylotoxin hemolys med förlust av ett stort proteinhemoglobin.

Binära toxiner

Huvudartiklar: Anthrax toxin och AB toxin

Det finns många olika typer av binära toxiner. Termen binärt toxin innebär helt enkelt ett tvådelat toxin där båda komponenterna är nödvändiga för toxisk aktivitet. Flera β-PFT bildar binära toxiner.

Som diskuterats ovan fungerar majoriteten av Toxin_10-familjens proteiner som en del av binära toxiner med partnerproteiner som kan tillhöra Toxin_10 eller andra strukturella familjer. Samspelet mellan de enskilda komponenterna har hittills inte studerats väl. Andra beta-arktoxiner av kommersiell betydelse är också binära. Dessa inkluderar Cry23/Cry37-toxinet från Bacillus thuringiensis. Dessa toxiner har en viss strukturell likhet med det binära toxinet Cry34/Cry35 men ingen av komponenterna visar en matchning med etablerade Pfam-familjer och egenskaperna hos det större Cry23-proteinet har mer gemensamt med Etx/Mtx2-familjen än Toxin_10-familjen som Cry35 tillhör.

Enzymatiska binära toxiner

Vissa binära toxiner är sammansatta av en enzymatisk komponent och en komponent som är involverad i membraninteraktioner och inträde av den enzymatiska komponenten i cellen. Den membraninteragerande komponenten kan ha strukturella domäner som är rika på beta-ark. Binära toxiner, såsom mjältbrandsdödliga och ödemtoxiner (Huvudartikel: Anthraxtoxin), C. perfringens iota- toxin och C. difficile cytoletala toxiner består av två komponenter (därav binära ):

  • en enzymatisk komponent - A
  • en membranförändrande komponent – ​​B

I dessa enzymatiska binära toxiner underlättar B- komponenten inträdet av den enzymatiska "nyttolasten" (A-subenheten) i målcellen genom att bilda homoligomera porer, som visas ovan för βPFT. A - komponenten går sedan in i cytosolen och hämmar normala cellfunktioner på något av följande sätt:

ADP-ribosylering

ADP-ribosylering är en vanlig enzymatisk metod som används av olika bakteriella toxiner från olika arter. Toxiner såsom C. perfringens iota-toxin och C. botulinum C2-toxin, fäster en ribosyl-ADP-del till ytargininrest 177 av G-aktin. Detta förhindrar att G-aktin samlas för att bilda F-aktin, och därmed bryts cytoskelettet ner, vilket resulterar i celldöd. Insekticida medlemmar av ADP-ribosyltransferasfamiljen av toxiner inkluderar Mtx1-toxinet från Lysinibacillus sphaericus och Vip1/Vip2-toxinet från Bacillus thuringiensis och några medlemmar av toxinkomplexet (Tc)-toxiner från gramnegativa bakterier såsom Photorhabdus och Xenorhabdus -arter. De beta-arkrika regionerna av Mtx1-proteinet är lektinliknande sekvenser som kan vara involverade i glykolipidinteraktioner.

Proteolys av mitogenaktiverade proteinkinaskinaser (MAPKK)

A - komponenten i mjältbrandstoxinets dödliga toxin är zink - metalloproteas , som visar specificitet för en konserverad familj av mitogenaktiverade proteinkinaser . Förlusten av dessa proteiner resulterar i en nedbrytning av cellsignalering, vilket i sin tur gör cellen okänslig för yttre stimuli – därför utlöses inget immunsvar .

Ökning av intracellulära nivåer av cAMP

Mjältbrand toxin ödem toxin utlöser ett kalciumjoninflöde in i målcellen. Detta höjer därefter intracellulära cAMP- nivåer. Detta kan djupt förändra alla slags immunsvar genom att hämma leukocytproliferation , fagocytos och proinflammatorisk cytokinfrisättning .

Kolesterolberoende cytolysiner

EM-rekonstruktion av en Pneumolysin-prepore
a) Strukturen för perfringolysin O och b) strukturen för PluMACPF. I båda proteinerna är de två små klustren av α-helixar som lindar upp och genomborrar membranet i rosa. (​)

CDCs , såsom pneumolysin, från S. pneumoniae , bildar porer så stora som 260Å (26 nm), innehållande mellan 30 och 44 monomerenheter. Elektronmikroskopistudier av pneumolysin visar att det sätts samman till stora multimera perifera membrankomplex innan det genomgår en konformationsförändring där en grupp α-helixar i varje monomer förändras till förlängda, amfipatiska β-hårnålar som spänner över membranet, på ett sätt som påminner om α -hemolysin, om än i mycket större skala (fig 3). CDC är homologa med MACPF -familjen av porbildande toxiner, och det föreslås att båda familjerna använder en gemensam mekanism (Fig 4). Eukaryota MACPF- proteiner fungerar i immunförsvaret och finns i proteiner som perforin och komplement C9 även om perivitellin-2 är en MACPF fäst till ett leveranslektin som har enterotoxiska och neurotoxiska egenskaper mot möss.

En familj av högkonserverade kolesterolberoende cytolysiner, nära besläktade med perfringolysin från Clostridium perfringens produceras av bakterier från hela ordningen Bacillales och inkluderar antrolysin, alveolysin och sphaericolysin. Sphaericolysin har visat sig uppvisa toxicitet för ett begränsat antal insekter som injicerats med det renade proteinet.

Biologisk funktion

Bakterier kan investera mycket tid och energi för att tillverka dessa toxiner: CPE kan stå för upp till 15 % av torrmassan av C. perfringens vid tidpunkten för sporbildning . [ citat behövs ] Syftet med toxiner tros vara ett av följande:

  • Försvar mot fagocytos , t.ex. av en makrofag .
  • Inuti en värd framkallar ett svar som är fördelaktigt för spridningen av bakterierna, till exempel vid kolera . eller i fallet med insekticida bakterier, döda insekten för att tillhandahålla en rik källa av näringsämnen i kadaveret för bakterietillväxt.
  • Mat: Efter att målcellen har spruckit och släppt sitt innehåll, kan bakterierna rensa upp resterna för näringsämnen eller, som ovan, kan bakterier kolonisera insektskadaver.
  • Miljö: Däggdjursimmunsvaret hjälper till att skapa den anaeroba miljö som anaeroba bakterier kräver. [ citat behövs ]

Se även

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Pore-forming_toxin&oldid=1134881107 "