Факторы вирулентности (предпочтительно известные как факторы патогенности или эффекторы в ботанике ) представляют собой клеточные структуры, молекулы и регуляторные системы, которые позволяют микробным патогенам ( бактериям , вирусам , грибам и простейшим ) достигать следующего: [1] [2]
Конкретные патогены обладают широким спектром факторов вирулентности. Некоторые из них кодируются хромосомами и присущи бактериям (например, капсулы и эндотоксин ), тогда как другие получены из мобильных генетических элементов, таких как плазмиды и бактериофаги (например, некоторые экзотоксины). Факторы вирулентности, закодированные в мобильных генетических элементах, распространяются посредством горизонтального переноса генов и могут превращать безвредные бактерии в опасные патогены. Бактерии, такие как Escherichia coli O157:H7, получают большую часть своей вирулентности от мобильных генетических элементов. Грамотрицательные бактерии секретируют различные факторы вирулентности на границе хозяин-патоген посредством перемещения мембранных везикул в качестве бактериальных везикул внешней мембраны для вторжения, питания и других межклеточных коммуникаций. Было обнаружено, что многие патогены сошлись на схожих факторах вирулентности для борьбы с защитой эукариотического хозяина. Эти полученные бактериальные факторы вирулентности имеют два различных пути, которые помогают им выживать и расти:
Бактерии вырабатывают различные адгезины , включая липотейхоевую кислоту , тримерные аутотранспортные адгезины и широкий спектр других поверхностных белков для прикрепления к тканям хозяина.
Капсулы, состоящие из углеводов, являются частью внешней структуры многих бактериальных клеток, включая Neisseria meningitidis . Капсулы играют важную роль в уклонении от иммунного ответа, поскольку они подавляют фагоцитоз , а также защищают бактерии вне хозяина.
Другая группа факторов вирулентности, которыми обладают бактерии, — это иммуноглобулиновые (Ig) протеазы . Иммуноглобулины — это антитела, экспрессируемые и секретируемые хозяевами в ответ на инфекцию. Эти иммуноглобулины играют важную роль в уничтожении патогена посредством таких механизмов, как опсонизация . Некоторые бактерии, такие как Streptococcus pyogenes , способны расщеплять иммуноглобулины хозяина с помощью протеаз.
Вирусы также имеют заметные факторы вирулентности. Экспериментальные исследования, например, часто фокусируются на создании сред, которые изолируют и идентифицируют роль « генов вирулентности, специфичных для ниши ». Это гены, которые выполняют определенные задачи в определенных тканях/местах в определенное время; общая сумма генов, специфичных для ниши, является вирулентностью вируса . Гены, характерные для этой концепции, — это те, которые контролируют латентность у некоторых вирусов, таких как герпес. Мышиный гамма-герпесвирус 68 (γHV68) и вирусы герпеса человека зависят от подмножества генов, которые позволяют им поддерживать хроническую инфекцию, реактивируясь при выполнении определенных условий окружающей среды. Несмотря на то, что они не являются необходимыми для литических фаз вируса, эти гены латентности важны для содействия хронической инфекции и продолжения репликации у инфицированных людей. [6]
Некоторые бактерии, такие как Streptococcus pyogenes , Staphylococcus aureus и Pseudomonas aeruginosa , вырабатывают ряд ферментов, которые повреждают ткани хозяина. Ферменты включают гиалуронидазу , которая расщепляет компонент соединительной ткани гиалуроновую кислоту ; ряд протеаз и липаз ; ДНКазы , которые расщепляют ДНК, и гемолизины , которые расщепляют различные клетки хозяина, включая эритроциты.
Основная группа факторов вирулентности — это белки, которые могут контролировать уровни активации ГТФаз . Существует два способа их действия. Один из них — действовать как ГЭФ или ГАП и продолжать выглядеть как обычный эукариотический клеточный белок. Другой — ковалентно модифицировать саму ГТФазу. Первый способ обратим; у многих бактерий, таких как сальмонелла, есть два белка для включения и выключения ГТФаз. Другой процесс необратим, он использует токсины для полного изменения целевой ГТФазы и отключения или переопределения экспрессии гена.
Одним из примеров бактериального фактора вирулентности, действующего как эукариотический белок, является белок сальмонеллы SopE, он действует как GEF, включая ГТФазу для создания большего количества ГТФ. Он ничего не изменяет, но перегружает нормальный процесс клеточной интернализации, облегчая колонизацию бактерий внутри клетки-хозяина.
YopT ( Yersinia external protein T) из Yersinia является примером модификации хозяина. Он изменяет протеолитическое расщепление карбоксильного конца RhoA, высвобождая RhoA из мембраны. Неправильная локализация RhoA приводит к тому, что нижестоящие эффекторы не работают.
Основная категория факторов вирулентности — бактериальные токсины. Они делятся на две группы: эндотоксины и экзотоксины . [4]
Эндотоксин является компонентом ( липополисахаридом (ЛПС) ) клеточной стенки грамотрицательных бактерий. Токсичен липид А, входящий в состав ЛПС. [4] Липид А является эндотоксином. Эндотоксины вызывают интенсивное воспаление. Они связываются с рецепторами на моноцитах, вызывая высвобождение воспалительных медиаторов, которые вызывают дегрануляцию . В рамках этого иммунного ответа высвобождаются цитокины; они могут вызывать лихорадку и другие симптомы, наблюдаемые во время болезни. Если присутствует большое количество ЛПС, может возникнуть септический шок (или эндотоксический шок), который в тяжелых случаях может привести к смерти. Как гликолипиды (в отличие от пептидов), эндотоксины не связываются с рецепторами В- или Т-клеток и не вызывают адаптивный иммунный ответ.
Некоторые бактерии выделяют экзотоксины, которые обладают широким спектром действия, включая ингибирование определенных биохимических путей в организме хозяина. Два самых мощных известных экзотоксина [4] — это столбнячный токсин ( тетаноспазмин ), выделяемый Clostridium tetani , и ботулинический токсин, выделяемый Clostridium botulinum . Экзотоксины также вырабатываются рядом других бактерий, включая Escherichia coli ; Vibrio cholerae (возбудитель холеры ); Clostridium perfringens (распространенный возбудитель пищевых отравлений , а также газовой гангрены ) и Clostridioides difficile (возбудитель псевдомембранозного колита ). Мощный трехбелковый фактор вирулентности, вырабатываемый Bacillus anthracis , называемый сибиреязвенным токсином , играет ключевую роль в патогенезе сибирской язвы . Экзотоксины чрезвычайно иммуногенны и вызывают гуморальный ответ (антитела воздействуют на токсин).
Экзотоксины также вырабатываются некоторыми грибами в качестве конкурентного ресурса. Токсины, называемые микотоксинами , удерживают другие организмы от потребления пищи, которую колонизируют грибы. Как и в случае с бактериальными токсинами, существует широкий спектр грибковых токсинов. Вероятно, одним из наиболее опасных микотоксинов является афлатоксин, вырабатываемый некоторыми видами рода Aspergillus (в частности, A. flavus ). При многократном употреблении этот токсин может вызвать серьезное повреждение печени.
Примерами факторов вирулентности для Staphylococcus aureus являются гиалуронидаза , протеаза , коагулаза , липазы , дезоксирибонуклеазы и энтеротоксины . Примерами для Streptococcus pyogenes являются белок M , липотейхоевая кислота , капсула гиалуроновой кислоты , деструктивные ферменты (включая стрептокиназу , стрептодорназу и гиалуронидазу ) и экзотоксины (включая стрептолизин ). Примерами для Listeria monocytogenes являются интерналин A, интерналин B, листериолизин O и actA, все из которых используются для помощи в колонизации хозяина. Примерами для Yersinia pestis являются измененная форма липополисахарида, система секреции третьего типа и патогенность YopE и YopJ. Цитолитический пептид Кандидализин вырабатывается во время формирования гиф Candida albicans ; это пример фактора вирулентности грибка. Другие факторы вирулентности включают факторы, необходимые для формирования биопленки (например, сортазы ) и интегрины (например, бета-1 и 3). [7]
Были предложены стратегии воздействия на факторы вирулентности и гены, кодирующие их. [8] Малые молекулы, исследуемые на предмет их способности ингибировать факторы вирулентности и экспрессию факторов вирулентности, включают алкалоиды , [9] флавоноиды , [10] и пептиды . [11] Экспериментальные исследования проводятся для характеристики конкретных бактериальных патогенов и определения их конкретных факторов вирулентности. Ученые пытаются лучше понять эти факторы вирулентности с помощью идентификации и анализа, чтобы лучше понять инфекционный процесс в надежде, что в конечном итоге могут быть созданы новые диагностические методы, конкретные антимикробные соединения и эффективные вакцины или анатоксины для лечения и профилактики инфекции. Существует три общих экспериментальных способа определения факторов вирулентности: биохимический, иммунологический и генетический. По большей части генетический подход является наиболее обширным способом определения факторов вирулентности бактерий. Бактериальную ДНК можно изменить с патогенной на непатогенную, в ее геном можно вносить случайные мутации, можно идентифицировать и мутировать специфические гены, кодирующие мембранные или секреторные продукты, а также можно идентифицировать гены, регулирующие гены вирулентности.
Эксперименты с участием Yersinia pseudotuberculosis использовались для изменения фенотипа вирулентности непатогенных бактерий на патогенные. Благодаря горизонтальному переносу генов можно перенести клон ДНК от Yersinia к непатогенной E. coli и заставить их экспрессировать патогенный фактор вирулентности. Транспозон , элемент ДНК, вставленный случайным образом, мутагенез ДНК бактерий также является широко используемой экспериментальной техникой, применяемой учеными. Эти транспозоны несут маркер, который можно идентифицировать в ДНК. При случайном размещении транспозон может быть помещен рядом с фактором вирулентности или помещен в середину гена фактора вирулентности, что останавливает экспрессию фактора вирулентности. Поступая таким образом, ученые могут создать библиотеку генов с использованием этих маркеров и легко найти гены, которые вызывают фактор вирулентности.
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)