stringtranslate.com

Гемолизин

Гемолизины или гемолизины — это липиды и белки, которые вызывают лизис эритроцитов путем разрушения клеточной мембраны . Хотя литическая активность некоторых гемолизинов микробного происхождения в отношении эритроцитов может иметь большое значение для усвоения питательных веществ, многие гемолизины, вырабатываемые патогенами , не вызывают значительного разрушения эритроцитов во время инфекции. Однако гемолизины часто способны лизировать эритроциты in vitro .

Хотя большинство гемолизинов являются белковыми соединениями, некоторые из них являются липидными биосурфактантами . [1]

Характеристики

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

Гемолиз, вызванный стрептококком, виден на пластине

Гемолизины поражают не только эритроциты, но и другие клетки крови, такие как лейкоциты (белые кровяные клетки). Гемолизин Escherichia coli потенциально цитотоксичен для моноцитов, лимфоцитов и макрофагов , что приводит к их аутолизу и гибели.

Визуализация гемолиза (в Великобритании: haemolysis) эритроцитов в агаровых пластинках облегчает категоризацию стрептококков .

Механизм

Одним из способов, которым гемолизин лизирует эритроциты, является образование пор в фосфолипидных бислоях . [3] [4] Другие гемолизины лизируют эритроциты, гидролизуя фосфолипиды в бислое.

Образование пор

Многие гемолизины являются порообразующими токсинами (ПФТ), которые способны вызывать лизис эритроцитов , лейкоцитов и тромбоцитов путем образования пор на цитоплазматической мембране .

Гемолизин обычно секретируется бактериями водорастворимым способом. Эти мономеры диффундируют к клеткам-мишеням и прикрепляются к ним специфическими 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 рассмотреть бактерию Staphylococcus aureus как конкретный пример порообразующего производства гемолизина. Staphylococcus aureus является патогеном , вызывающим множество инфекционных заболеваний, таких как пневмония и сепсис . Он производит кольцевой комплекс, называемый стафилококковой альфа-гемолизиновой порой. В природе Staphylococcus aureus секретирует мономеры альфа-гемолизина, которые связываются с внешней мембраной восприимчивых клеток. После связывания мономеры олигомеризуются , образуя заполненный водой трансмембранный канал, который способствует неконтролируемому проникновению воды , ионов и небольших органических молекул . Быстрая разрядка жизненно важных молекул, таких как АТФ , рассеивание мембранного потенциала и ионных градиентов , а также необратимое осмотическое набухание, приводящее к разрыву клеточной стенки (лизису), могут вызвать гибель клетки-хозяина.

Эта пора состоит из семи субъединиц альфа-гемолизина, которые представляют собой основной цитотоксический агент, который высвобождается этим видом бактерий. Эти субъединицы прикрепляются к целевым клеткам описанным ранее способом и расширяют липидный бислой, образуя поровые структуры . Эти поры в клеточной мембране в конечном итоге приведут к гибели клетки, поскольку они позволяют обмениваться одновалентными ионами, что может вызвать фрагментацию ДНК.

Ферментативный

Некоторые гемолизины повреждают мембрану эритроцитов, расщепляя фосфолипиды в мембране.

Золотистый стафилококкгемолизины

α-гемолизин

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

Этот токсин, секретируемый Staphylococcus aureus , связывается с внешней мембраной с последующей олигомеризацией мономеров токсина с образованием заполненных водой каналов. [6] Они отвечают за осмотические явления, деполяризацию клеток и потерю жизненно важных молекул (ср. гр. АТФ), что приводит к гибели клеток. [7]

β-гемолизин

β-гемолизин (hlb; Q2FWP1 ) — это токсин фосфолипазы C , секретируемый S. aureus . При исследовании эритроцитов овец было обнаружено, что его токсический механизм заключается в гидролизе специфического мембранного липида, сфингомиелина , который составляет 50% клеточной мембраны. За этой деградацией последовало заметное повышение фосфорилхолина из-за высвобождения органического фосфора из сфингомиелина, что в конечном итоге привело к лизису клеток. [8]

γ-Гемолизин

γ-Гемолизины — это порообразующие токсины из того же семейства, что и α-Гемолизин. Они уникальны тем, что состоят из двух компонентов, и поэтому 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, вызванным олигомеризованным октамером, который организуется в кольцевую структуру. После формирования препоры образуется более стабильная, называемая β-бочкой. В этой заключительной части октамер связывается с фосфатидилхолином . [9]

Структура

Структура нескольких гемолизинов была решена с помощью рентгеновской кристаллографии в растворимой и порообразующей конформациях. Например, α-гемолизин Staphylococcus aureus образует гомогептамерную β-бочку в биологических мембранах. [10] Цитолизин Vibrio cholerae [11] также образует гептамерную пору, однако γ-гемолизин Staphylococcus aureus [12] образует пору, которая является октамерной .

Гептамер α-гемолизина из Staphylococcus aureus имеет грибовидную форму и достигает 100 Å в диаметре и 100 Å в высоту. Пронизывающий мембрану, доступный для растворителя канал проходит вдоль оси седьмого порядка и имеет диаметр от 14 Å до 46 Å. На внешней стороне 14-цепочечного антипараллельного β-ствола имеется гидрофобный пояс шириной приблизительно 30 Å, который обеспечивает поверхность, комплементарную неполярной части липидного бислоя. Интерфейсы состоят как из солевых связей, так и из водородных связей , а также из гидрофобных взаимодействий , и эти контакты обеспечивают молекулярную стабильность гептамера в растворах SDS даже при температуре до 65 °C. [13]

Роль во время инфекции

Считается, что гемолизины ответственны за многие события в клетках-хозяевах. Например, железо может быть ограничивающим фактором в росте различных патогенных бактерий. [14] Поскольку свободное железо может генерировать разрушительные свободные радикалы , свободное железо обычно поддерживается в низких концентрациях в организме. Эритроциты 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 способами.

Как упоминалось ранее, гемолизин является потенциальным фактором вирулентности, вырабатываемым микроорганизмами , который может представлять угрозу для здоровья человека. Несмотря на то, что гемолиз вызывает некоторые серьезные патологии , 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 угрожать жизни человека в большей степени.

Главным последствием гемолиза является гемолитическая анемия , состояние, которое включает разрушение эритроцитов и их последующее удаление из кровотока , раньше, чем ожидается в нормальной ситуации. Поскольку костный мозг не может производить эритроциты достаточно быстро, чтобы удовлетворить потребности организма, кислород не поступает в ткани организма должным образом. В результате могут появиться некоторые симптомы, такие как усталость , боль , аритмии , увеличенное сердце или даже сердечная недостаточность, среди прочих. [15]

В зависимости от типа гемолизина и микроорганизма, который его продуцирует, проявления симптомов и заболеваний могут различаться в разных случаях:

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

Гемолизины оказались повреждающим фактором для жизненно важных органов из-за активности Staphylococcus aureus . S.aureus является опасным патогеном, который может привести клетки к некротизирующим инфекциям, обычно распознаваемым по массивной воспалительной реакции, приводящей к повреждению тканей или даже разрушению тканей. Яркий пример этого: пневмония, вызванная S.aureus . [16] В этом случае было доказано, что альфа-гемолизин принимает участие в индуцировании некротического поражения легких с помощью инфламмасомы NLRP3 , которая отвечает за воспалительные процессы и пироптоз . Пневмония, вызванная S.aureus , является распространенным заболеванием в некоторых регионах, что является причиной многочисленных исследований в области иммунологии , направленных на разработку новых фармацевтических препаратов для легкого лечения или предотвращения этого вида пневмонии. В настоящее время считается , что апиегнин и бета -циклодекстрин облегчают пневмонию, вызванную S.aureus , тогда как антитела против альфа-гемолизина, как полагают, обеспечивают защиту. [17]

Дальнейшие исследования показывают, что основной фактор вирулентности S. aureus , порообразующий токсин α-гемолизин (Hla), является секретируемым фактором, ответственным за активацию альтернативного аутофагического пути . Было показано, что этот аутофагический ответ подавляется искусственным повышением внутриклеточных уровней цАМФ . [18] Этот процесс также опосредуется факторами обмена RAPGEF3 и RAP2B .

Другим интересным моментом является то, что предварительная обработка лейкоцитов дозами альфа-гемолизина, при которых выживало около 80% клеток, снижала 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 . [19]

Некоторые гемолизины, такие как листериолизин O , позволяют бактериям обходить иммунную систему, вырываясь из фагосом . Гемолизины также могут способствовать вырыванию бактерий из клеток-хозяев.

Регуляция экспрессии генов

Регуляция экспрессии генов гемолизинов (таких как стрептолизин S) является системой, которая подавляется в присутствии железа. [20] Это гарантирует, что гемолизин вырабатывается только при необходимости. Регулирование выработки гемолизина у S.aureus (экспрессия гемолизина) теперь возможно благодаря мутациям in vitro , связанным с серин / треониновой киназой и фосфатазой . [21]

Уход

Поскольку гемолизины вырабатываются патогенными организмами, основным лечением является прием антибиотиков, специфичных для возбудителя, вызвавшего инфекцию. Более того, некоторые гемолизины могут быть нейтрализованы действием антител к гемолизину , 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 случае крайней необходимости, переливание крови. В редких случаях селезенка должна быть удалена, поскольку она фильтрует кровь и удаляет мертвые или поврежденные клетки из кровотока, усугубляя нехватку эритроцитов. [22]

Приложения

Лекарство

Термостабильный прямой гемолизин (TDH; InterPro :  IPR005015 ), вырабатываемый Vibrio parahaemolyticus, в настоящее время изучается в области онкологии . Он регулирует пролиферацию клеток в клетках карциномы толстой кишки . TDH вызывает приток Ca2+ из внеклеточной среды, сопровождаемый фосфорилированием протеинкиназы C. Активированная протеинкиназа C ингибирует активность тирозинкиназы рецептора эпидермального фактора роста (EGFR), рациональной цели терапии против колоректального рака. [23]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Stipcevic T, Piljac T, Isseroff RR (ноябрь 2005 г.). «Ди-рамнолипид из Pseudomonas aeruginosa проявляет дифференциальные эффекты на культурах кератиноцитов и фибробластов человека». J. Dermatol. Sci . 40 (2): 141–3. doi :10.1016/j.jdermsci.2005.08.005. PMC  1592130. PMID  16199139 .
  2. ^ Vesper SJ, Vesper MJ (2004). Возможная роль грибковых гемолизинов в синдроме больного здания. Advances in Applied Microbiology. Vol. 55. pp. 191–213. doi :10.1016/S0065-2164(04)55007-4. ISBN 9780120026579. PMID  15350795. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  3. ^ Chalmeau J, Monina N, Shin J, Vieu C, Noireaux V (январь 2011 г.). «Формирование пор α-гемолизина в поддерживаемом фосфолипидном бислое с использованием бесклеточной экспрессии». Biochim. Biophys. Acta . 1808 (1): 271–8. doi : 10.1016/j.bbamem.2010.07.027 . PMID  20692229.
  4. ^ Bhakdi S, Mackman N, Menestrina G, Gray L, Hugo F, Seeger W, Holland IB (июнь 1988). «Гемолизин Escherichia coli». Eur. J. Epidemiol . 4 (2): 135–43. doi :10.1007/BF00144740. PMID  3042445. S2CID  8237698.
  5. ^ Thompson JR, Cronin B, Bayley H, Wallace MI (декабрь 2011 г.). «Быстрая сборка поры мультимерного мембранного белка». Biophys. J . 101 (11): 2679–83. Bibcode :2011BpJ...101.2679T. doi :10.1016/j.bpj.2011.09.054. PMC 3297801 . PMID  22261056. 
  6. ^ Красильников О.В.; Терновский В.И.; Ташмухамедов Б.А. Свойства каналов проводимости, индуцируемых в фосфолипидных бислойных мембранах альфа-стафилотоксином. //Биофизика (Москва), — 1981.—Т. 26, — № 2, —С. 271—276.
  7. ^ Макгилливрей DJ, Генрих Ф, Валинций Г, Игнатьев И, Вандера DJ, Лёше М, Касьянович Дж.Дж. «Мембранная ассоциация α-гемолизина: белки, функционально восстановленные в tBLM». Университет Карнеги-Меллон.
  8. ^ Махешваран СК, Линдорфер РК (ноябрь 1967 г.). «Стафилококковый бета-гемолизин. II. Активность фосфолипазы С очищенного бета-гемолизина». J. Bacteriol . 94 (5): 1313–9. doi :10.1128/JB.94.5.1313-1319.1967. PMC 276826. PMID  4964474 . 
  9. ^ Dalla Serra M, Coraiola M, Viero G, Comai M, Potrich C, Ferreras M, Baba-Moussa L, Colin DA, Menestrina G, Bhakdi S, Prévost G (2005). "Двухкомпонентные гамма-гемолизины Staphylococcus aureus, HlgA, HlgB и HlgC, могут образовывать смешанные поры, содержащие все компоненты". J Chem Inf Model . 45 (6): 1539–45. doi :10.1021/ci050175y. PMID  16309251.
  10. ^ Song L, Hobaugh MR, Shustak C, Cheley S, Bayley H, Gouaux JE (декабрь 1996 г.). «Структура стафилококкового альфа-гемолизина, гептамерной трансмембранной поры». Science . 274 (5294): 1859–66. Bibcode :1996Sci...274.1859S. doi :10.1126/science.274.5294.1859. PMID  8943190. S2CID  45663016.
  11. ^ PDB : 3o44 ​; De S, Olson R (май 2011). «Кристаллическая структура гептамера цитолизина Vibrio cholerae выявляет общие черты среди разрозненных порообразующих токсинов». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 108 (18): 7385–90. Bibcode :2011PNAS..108.7385D. doi : 10.1073/pnas.1017442108 . PMC 3088620 . PMID  21502531. 
  12. ^ PDB : 3b07 ; Ямасита К., Каваи Ю., Танака Ю., Хирано Н., Канеко Дж., Томита Н., Охта М., Камио Ю., Яо М., Танака I (октябрь 2011 г.). «Кристаллическая структура октамерной поры стафилококкового γ-гемолизина раскрывает механизм образования пор β-цилиндра за счет двух компонентов». Учеб. Натл. акад. наук. США . 108 (42): 17314–9. Бибкод : 2011PNAS..10817314Y. дои : 10.1073/pnas.1110402108 . ПМК 3198349 . ПМИД  21969538. 
  13. ^ Gouaux E (1998). «α-Гемолизин из Staphylococcus aureus: архетип β-ствольных, каналообразующих токсинов». J. Struct. Biol . 121 (2): 110–22. doi : 10.1006/jsbi.1998.3959 . PMID  9615434.
  14. ^ Шритаран М (июль 2006 г.). «Железо и бактериальная вирулентность». Indian J Med Microbiol . 24 (3): 163–4. doi : 10.1016/S0255-0857(21)02343-4 . PMID  16912433. Архивировано из оригинала 2018-09-30 . Получено 2007-06-17 .
  15. ^ "Что такое гемолитическая анемия? - NHLBI, NIH". Национальные институты здравоохранения США. 2011-04-01 . Получено 2012-11-24 .
  16. ^ Kebaier C, Chamberland RR, Allen IC, Gao X, Broglie PM, Hall JD, Jania C, Doerschuk CM, Tilley SL, Duncan JA (март 2012 г.). «α-гемолизин Staphylococcus aureus опосредует вирулентность в мышиной модели тяжелой пневмонии посредством активации инфламмасомы NLRP3». J. Infect. Dis . 205 (5): 807–17. doi :10.1093/infdis/jir846. PMC 3274379. PMID  22279123 . 
  17. ^ 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 ингибирования продукции альфа-гемолизина». FEMS Microbiol. Lett . 338 (2): 124–31. doi : 10.1111/1574-6968.12040 . PMID  23113475.
  18. ^ Mestre MB, Colombo MI (октябрь 2012 г.). «Staphylococcus aureus способствует аутофагии, снижая внутриклеточные уровни цАМФ». Аутофагия . 8 (12): 1865–7. doi :10.4161/auto.22161. PMC 3541307 . PMID  23047465. 
  19. ^ Cavalieri SJ, Snyder IS (сентябрь 1982 г.). «Влияние альфа-гемолизина Escherichia coli на функцию периферических лейкоцитов человека in vitro». Infect. Immun . 37 (3): 966–74. doi :10.1128/IAI.37.3.966-974.1982. PMC 347633. PMID  6752033 . 
  20. ^ Гриффитс BB, МакКлейн O (1988). «Роль железа в росте и продукции гемолизина (стрептолизина S) в Streptococcus pyogenes». J. Basic Microbiol . 28 (7): 427–36. doi :10.1002/jobm.3620280703. PMID  3065477. S2CID  23325588.
  21. ^ 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 серин/треониновой киназой и фосфатазой». PLOS ONE . 5 (6): e11071. Bibcode : 2010PLoSO...511071B. doi : 10.1371/journal.pone.0011071 . PMC 2884019. PMID  20552019 . 
  22. ^ Ragle BE, Bubeck Wardenburg J (июль 2009 г.). «Моноклональные антитела против альфа-гемолизина обеспечивают защиту от пневмонии Staphylococcus aureus». Infect. Immun . 77 (7): 2712–8. doi :10.1128/IAI.00115-09. PMC 2708543. PMID  19380475 . 
  23. ^ Karmakar P, Chakrabarti MK (июль 2012 г.). «Термостабильный прямой гемолизин уменьшает фосфорилирование тирозина рецептора эпидермального фактора роста через механизм, зависимый от протеинкиназы C». Biochim. Biophys. Acta . 1820 (7): 1073–80. doi :10.1016/j.bbagen.2012.04.011. PMID  22543197.

Внешние ссылки