Virulensfaktor
Virulensfaktorer (helst kända som patogenicitetsfaktorer eller effektorer inom växtvetenskap) är cellulära strukturer, molekyler och regulatoriska system som gör det möjligt för mikrobiella patogener ( bakterier , virus , svampar och protozoer ) att uppnå följande:
- kolonisering av en nisch i värden (detta inkluderar rörelse mot och fästning till värdceller)
- immunoevasion, undvikande av värdens immunsvar
- immunsuppression , hämning av värdens immunsvar (detta inkluderar leukocidin -medierad celldöd)
- inträde i och utträde ur celler (om patogenen är en intracellulär sådan)
- få näring från värden
Specifika patogener har ett brett spektrum av virulensfaktorer. Vissa är kromosomalt kodade och inneboende i bakterierna (t.ex. kapslar och endotoxin ), medan andra erhålls från mobila genetiska element som plasmider och bakteriofager (t.ex. vissa exotoxiner). Virulensfaktorer som kodas på mobila genetiska element sprids genom horisontell genöverföring och kan omvandla ofarliga bakterier till farliga patogener. Bakterier som Escherichia coli O157:H7 får majoriteten av sin virulens från mobila genetiska element. Gramnegativa bakterier utsöndrar en mängd olika virulensfaktorer vid gränssnittet mellan värd och patogen , via membranvesikelhandel som bakteriella yttre membranvesiklar för invasion, näring och annan cell-cellkommunikation. Det har visat sig att många patogener har konvergerat på liknande virulensfaktorer för att slåss mot eukaryota värdförsvar. Dessa erhållna bakteriella virulensfaktorer har två olika vägar som används för att hjälpa dem att överleva och växa:
- Faktorerna används för att hjälpa och främja kolonisering av värden. Dessa faktorer inkluderar adhesiner , invasiner och antifagocytiska faktorer.
- Faktorerna, inklusive toxiner , hemolysiner och proteaser , skadar värden.
Anknytning, immunoevasion och immunsuppression
Bakterier producerar olika adhesiner inklusive lipoteichoic acid , trimera autotransporter adhesiner och en mängd andra ytproteiner för att fästa till värdvävnad.
Kapslar, gjorda av kolhydrater, utgör en del av den yttre strukturen hos många bakterieceller inklusive Neisseria meningitidis . Kapslar spelar en viktig roll i immunförsvaret, eftersom de hämmar fagocytos , samt skyddar bakterierna utanför värden.
En annan grupp av virulensfaktorer som bakterier besitter är immunglobulin (Ig) proteaser . Immunglobuliner är antikroppar som uttrycks och utsöndras av värdar som svar på en infektion. Dessa immunglobuliner spelar en viktig roll i förstörelsen av patogenen genom mekanismer som opsonisering . Vissa bakterier, såsom Streptococcus pyogenes , kan bryta ner värdens immunglobuliner med hjälp av proteaser.
Virus har också anmärkningsvärda virulensfaktorer. Experimentell forskning, till exempel, fokuserar ofta på att skapa miljöer som isolerar och identifierar rollen av " nischspecifika virulensgener ". Dessa är gener som utför specifika uppgifter inom specifika vävnader/platser vid specifika tidpunkter; summan av nischspecifika gener är virusets virulens . Gener som är karakteristiska för detta koncept är de som kontrollerar latensen hos vissa virus som herpes. Murint gammaherpesvirus 68 (γHV68) och humant herpesvirus är beroende av en undergrupp av gener som tillåter dem att upprätthålla en kronisk infektion genom att återaktiveras när specifika miljöförhållanden är uppfyllda. Även om de inte är väsentliga för lytiska faser av viruset, är dessa latensgener viktiga för att främja kronisk infektion och fortsatt replikation inom infekterade individer.
Destruktiva enzymer
Vissa bakterier, såsom Streptococcus pyogenes , Staphylococcus aureus och Pseudomonas aeruginosa , producerar en mängd olika enzymer som orsakar skada på värdvävnader. Enzymer inkluderar hyaluronidas , som bryter ner bindvävskomponenten hyaluronsyra ; en rad proteaser och lipaser ; DNaser , som bryter ner DNA, och hemolysiner som bryter ner en mängd olika värdceller, inklusive röda blodkroppar.
GTPaser
En stor grupp av virulensfaktorer är proteiner som kan kontrollera aktiveringsnivåerna av GTPaser . Det finns två sätt på vilka de agerar. En är genom att agera som en GEF eller GAP och fortsätta att se ut som ett normalt eukaryot cellulärt protein. Den andra modifierar själva GTPaset kovalent. Det första sättet är reversibelt; många bakterier som Salmonella har två proteiner för att slå på och av GTPaserna. Den andra processen är oåterkallelig och använder toxiner för att fullständigt ändra mål-GTPasen och stänga av eller åsidosätta genuttryck.
Ett exempel på en bakteriell virulensfaktor som fungerar som ett eukaryotiskt protein är Salmonella-proteinet SopE, det fungerar som en GEF, som slår på GTPaset för att skapa mer GTP. Det modifierar ingenting, men överdriver normal cellulär internaliseringsprocess, vilket gör det lättare för bakterierna att koloniseras i en värdcell.
YopT ( Yersinia yttre protein T) från Yersinia är ett exempel på modifiering av värden. Det modifierar den proteolytiska klyvningen av karboxylterminalen av RhoA och frisätter RhoA från membranet. Fellokaliseringen av RhoA gör att effektorer nedströms inte fungerar.
Toxiner
En huvudkategori av virulensfaktorer är bakteriella toxiner. Dessa är indelade i två grupper: endotoxiner och exotoxiner .
Endotoxiner
Endotoxin är en komponent ( lipopolysackarid (LPS) ) i cellväggen hos gramnegativa bakterier. Det är lipid A- delen av denna LPS som är giftig. Lipid A är ett endotoxin. Endotoxiner utlöser intensiv inflammation. De binder till receptorer på monocyter och orsakar frisättning av inflammatoriska mediatorer som inducerar degranulering . Som en del av detta immunsvar frisätts cytokiner; dessa kan orsaka feber och andra symtom som ses under sjukdomen. Om en hög mängd LPS är närvarande kan septisk chock (eller endotoxisk chock) uppstå som i allvarliga fall kan leda till döden. Som glykolipider (i motsats till peptider) är endotoxiner inte bundna av B- eller T-cellsreceptorer och framkallar inte ett adaptivt immunsvar.
Exotoxiner
Exotoxiner utsöndras aktivt av vissa bakterier och har ett brett spektrum av effekter inklusive hämning av vissa biokemiska vägar i värden. De två mest potenta kända exotoxinerna är stelkrampstoxinet ( tetanospasmin ) som utsöndras av Clostridium tetani och botulinumtoxinet som utsöndras av Clostridium botulinum . Exotoxiner produceras också av en rad andra bakterier inklusive Escherichia coli ; Vibrio cholerae (orsakande medel för kolera ); Clostridium perfringens (vanligt orsakande medel för matförgiftning samt gasgangrän ) och Clostridium difficile (orsakande medel för pseudomembranös kolit ). En potent virulensfaktor med tre proteiner producerad av Bacillus anthracis , kallad mjältbrandstoxin , spelar en nyckelroll i patogenesen av mjältbrand . Exotoxiner är extremt immunogena vilket innebär att de utlöser det humorala svaret (antikroppar riktar sig mot toxinet).
Exotoxiner produceras också av vissa svampar som en konkurrenskraftig resurs. Toxinerna, som kallas mykotoxiner , avskräcker andra organismer från att konsumera maten som koloniserats av svamparna. Precis som med bakteriella toxiner finns det ett brett utbud av svampgifter. En av de farligare mykotoxinerna är förmodligen aflatoxin som produceras av vissa arter av släktet Aspergillus (särskilt A. flavus ). Om det intas upprepade gånger kan detta toxin orsaka allvarliga leverskador.
Exempel
Exempel på virulensfaktorer för Staphylococcus aureus är hyaluronidas , proteas , koagulas , lipaser , deoxiribonukleaser och enterotoxiner . Exempel på Streptococcus pyogenes är M-protein , lipoteichoinsyra , hyaluronsyrakapsel , destruktiva enzymer (inklusive streptokinas , strepodornas och hyaluronidas ) och exotoxiner (inklusive streptolysin ). Exempel på Listeria monocytogenes inkluderar internalin A, internalin B, listeriolysin O och actA, som alla används för att hjälpa till att kolonisera värden. Exempel på Yersinia pestis är en förändrad form av lipopolysackarid, typ tre sekretionssystem och YopE och YopJ patogenicitet. Den cytolytiska peptiden Candidalysin produceras under hyfbildning av Candida albicans ; det är ett exempel på en virulensfaktor från en svamp. Andra virulensfaktorer inkluderar faktorer som krävs för biofilmbildning (t.ex. sortaser ) och integriner (t.ex. beta-1 och 3).
Hämning och kontroll
Strategier för att rikta in sig på virulensfaktorer och generna som kodar för dem har föreslagits. Små molekyler som undersöks för deras förmåga att hämma virulensfaktorer och virulensfaktoruttryck inkluderar alkaloider , flavonoider och peptider . Experimentella studier görs för att karakterisera specifika bakteriella patogener och för att identifiera deras specifika virulensfaktorer. Forskare försöker bättre förstå dessa virulensfaktorer genom identifiering och analys för att bättre förstå den smittsamma processen i hopp om att nya diagnostiska tekniker, specifika antimikrobiella föreningar och effektiva vacciner eller toxoider så småningom kan produceras för att behandla och förebygga infektion. Det finns tre generella experimentella sätt för virulensfaktorerna att identifieras: biokemiskt, immunologiskt och genetiskt. För det mesta är det genetiska tillvägagångssättet det mest omfattande sättet att identifiera de bakteriella virulensfaktorerna. Bakteriellt DNA kan förändras från patogent till icke-patogent, slumpmässiga mutationer kan introduceras till deras genom, specifika gener som kodar för membran eller sekretoriska produkter kan identifieras och muteras, och gener som reglerar virulensgener kan identifieras.
Experiment som involverar Yersinia pseudotuberculosis har använts för att ändra virulensfenotypen för icke-patogena bakterier till patogena. På grund av horisontell genöverföring är det möjligt att överföra en klon av DNA från Yersinia till en icke-patogen E. coli och få dem att uttrycka den patogena virulensfaktorn. Transposon , ett DNA-element som sätts in slumpmässigt, mutagenes av bakterie-DNA är också en mycket använd experimentell teknik som utförs av forskare. Dessa transposoner bär på en markör som kan identifieras i DNA:t. När det placeras slumpmässigt kan transposonet placeras bredvid en virulensfaktor eller placeras i mitten av en virulensfaktorgen, vilket stoppar uttrycket av virulensfaktorn. Genom att göra det kan forskare skapa ett bibliotek av generna med hjälp av dessa markörer och enkelt hitta de gener som orsakar virulensfaktorn.
