Цитолизин относится к веществу, выделяемому микроорганизмами, растениями или животными, которое является специфически токсичным для отдельных клеток , [1] [2] во многих случаях вызывая их растворение посредством лизиса . Цитолизины, которые оказывают специфическое действие на определенные клетки, называются соответственно. Например, цитолизины, ответственные за разрушение эритроцитов , тем самым высвобождая гемоглобины , называются гемолизинами и так далее. [3] Цитолизины могут быть вовлечены в иммунитет , а также в яды .
Гемолизин также используется некоторыми бактериями, такими как Listeria monocytogenes , для разрушения фагосомальной мембраны макрофагов и выхода в цитоплазму клетки.
Термин «Цитолизин» или «цитолитический токсин» был впервые введен Аланом Бернгеймером для описания мембрано-повреждающих токсинов (МПТ), которые оказывают цитолитическое действие на клетки. [4] Первый тип цитолитических токсинов, обнаруженных, оказывает гемолитическое действие на эритроциты определенных чувствительных видов, таких как человек. По этой причине « Гемолизин » был впервые использован для описания любых МПТ. В 1960-х годах было доказано, что определенные МПТ оказывают разрушительное действие на клетки, отличные от эритроцитов , такие как лейкоциты . Термин «Цитолизин» затем был введен Бернгеймером для замены «Гемолизина». Цитолизины могут разрушать мембраны, не вызывая лизиса клеток. [5] Таким образом, «мембрано-повреждающие токсины» (МПТ) описывают основные действия цитолизинов. Цитолизины составляют более 1/3 всех бактериальных белковых токсинов . Бактериальные белковые токсины могут быть очень ядовитыми для человека. Например, ботулинический яд на 3x10 5 более токсичен для человека, чем змеиный яд , а его токсическая доза составляет всего 0,8x10 −8 мг. [6] Большое количество грамположительных и грамотрицательных бактерий используют цитолизин в качестве своего основного оружия для создания болезней, таких как Enterococcus faecalis , [7] Staphylococcus и Clostridium perfringens .
Был проведен широкий спектр исследований цитолизинов. С 1970-х годов было обнаружено и сгруппировано в различные семейства более 40 новых цитолизинов. [8] На генетическом уровне были изучены и опубликованы генетические структуры около 70 белков цитолизина. [9] Также был рассмотрен подробный процесс повреждения мембраны . Россджон и др. представили кристаллическую структуру перфринголизина О, тиол -активируемого цитолизина, который создает мембранные отверстия в эукариотических клетках. Построена подробная модель образования мембранных каналов, которая раскрывает механизм вставки в мембрану. [10] Шатурский и др. изучили механизм вставки в мембрану перфринголизина О (PFO), холестерин -зависимого порообразующего цитолизина, вырабатываемого патогенным Clostridium perfringens . Вместо использования одной амфипатической β-шпильки на полипептид, мономер PFO содержит две амфипатические β-шпильки, каждая из которых охватывает всю мембрану. Ларри и др. сосредоточились на моделях проникновения в мембрану токсинов RTX , семейства MDT, секретируемых многими грамотрицательными бактериями . Был выявлен процесс вставки и транспортировки белка из RTX в целевую липидную мембрану. [11]
Цитолизины, повреждающие мембраны, можно разделить на три типа в зависимости от механизма их повреждения:
Порообразующие цитолизины (ПФЦ) составляют около 65% всех цитолизинов, повреждающих мембраны. [8] Первый порообразующий цитолизин был обнаружен Манфредом Майером в 1972 году при вставке C5 - C9 эритроцитов. [12] ПФЦ могут вырабатываться самыми разными источниками, такими как бактерии, грибы и даже растения. [13] Патогенный процесс ПФЦ обычно включает формирование каналов или пор на мембранах клеток-мишеней. Обратите внимание, что поры могут иметь множество структур. Пориноподобная структура позволяет проходить молекулам определенных размеров. Электрические поля неравномерно распределяются по поре и позволяют отбирать молекулы, которые могут пройти. [14] Этот тип структуры показан в стафилококковом α-гемолизине. [15] Пора также может быть образована путем слияния мембран. Под контролем Ca 2+ мембранное слияние везикул образует заполненные водой поры из протеолипидов . [16] Порообразующие цитолизины, такие как перфорин, используются в цитотоксических клетках-киллерах T и NK для уничтожения инфицированных клеток.
Более сложный процесс образования пор включает процесс олигомеризации нескольких мономеров PFC . Процесс образования пор включает три основных этапа. Сначала цитолизины производятся определенными микроорганизмами. Иногда организму-производителю необходимо создать пору на своей собственной мембране, чтобы высвободить такие цитолизины, как в случае колицинов, вырабатываемых Escherichia coli . На этом этапе цитолизины высвобождаются в виде мономеров белка в водорастворимом состоянии. [17] Обратите внимание, что цитолизины часто токсичны и для своих хозяев-производителей. Например, колицины потребляют нуклеиновые кислоты клеток, используя несколько ферментов. [18] Чтобы предотвратить такую токсичность, клетки-хозяева вырабатывают белки иммунитета для связывания цитолизинов до того, как они нанесут какой-либо ущерб изнутри. [8]
На втором этапе цитолизины прикрепляются к мембранам клеток-мишеней, сопоставляя « рецепторы » на мембранах. Большинство рецепторов являются белками, но это могут быть и другие молекулы, такие как липиды или сахара. С помощью рецепторов мономеры цитолизина объединяются друг с другом и образуют кластеры олигомеров. На этом этапе цитолизины завершают переход из состояния водорастворимых мономеров в состояние олигомеров.
В конечном итоге, образовавшиеся кластеры цитолизина проникают в мембраны клеток-мишеней и образуют мембранные поры. Размер этих пор варьируется от 1–2 нм ( α-токсин S. aureus , α- гемолизин E. coli , аэролизин Aeromonas ) до 25–30 нм ( стреплизин O , пневмолизин ).
В зависимости от того, как формируются поры, порообразующие цитолизины делятся на две категории. Те, которые формируют поры с α- спиралями , называются α-PFT (токсины, формирующие поры). Те, которые формируют поры с β- ствольными структурами, называются β-PFT. Некоторые из распространенных α-PFT и β-PFT перечислены в таблице ниже.
Летальные эффекты порообразующих цитолизинов осуществляются путем нарушения притока и оттока в одной клетке. Поры, которые позволяют ионам, таким как Na +, проходить через них, создают дисбаланс в целевой клетке, который превышает ее способность к ионному балансу. Поэтому атакованные клетки расширяются до лизиса. [19] Когда мембраны целевой клетки разрушаются, бактерии, которые продуцируют цитолизины, могут потреблять внутриклеточные элементы клетки, такие как железо и цитокины. [8] Некоторые ферменты, которые разлагают критические структуры целевой клетки, могут проникать в клетки без препятствий.
Одним из специфических типов цитолизина является холестеринзависимый цитолизин (CDC). CDC существуют во многих грамположительных бактериях. Процесс формирования пор CDC требует присутствия холестерина на мембранах целевых клеток. Размер пор, создаваемых CDC, большой (25–30 нм) из-за олигомерного процесса цитолизинов. Обратите внимание, что холестерин не всегда необходим во время фазы прилипания. Например, интермедилизин требует только присутствия белковых рецепторов при прикреплении к целевым клеткам, а холестерин требуется при формировании пор. [20] Образование пор через CDC включает дополнительный этап, помимо этапов, проанализированных выше. Водорастворимые мономеры олигомеризуются, образуя промежуточный продукт, называемый комплексом «препоры», а затем β-ствол проникает в мембрану. [20]