Цитолизин относится к веществу , выделяемому микроорганизмами, растениями или животными, которое специфически токсично для отдельных клеток , [1] [2] во многих случаях вызывая их растворение посредством лизиса . Цитолизины, оказывающие специфическое действие на определенные клетки, получили соответствующие названия. Например, цитолизины, ответственные за разрушение эритроцитов и высвобождение гемоглобина , называются гемолизинами и так далее. [3] Цитолизины могут участвовать в иммунитете , а также в ядах .
Гемолизин также используется некоторыми бактериями, такими как Listeria monocytogenes , для разрушения фагосомной мембраны макрофагов и выхода в цитоплазму клетки.
Термин «цитолизин» или «цитолитический токсин» был впервые введен Аланом Бернхаймером для описания токсинов, повреждающих мембраны (MDT), которые оказывают цитолитическое действие на клетки. [4] Первый тип обнаруженного цитолитического токсина оказывает гемолитическое действие на эритроциты некоторых чувствительных видов, таких как человек. По этой причине « Гемолизин » впервые был использован для описания любых МДТ. В 1960-х годах было доказано, что некоторые МДТ разрушают клетки, отличные от эритроцитов , например, лейкоциты . Затем Бернхаймер ввел термин «цитолизин» вместо термина «гемолизин». Цитолизины могут разрушать мембраны, не вызывая лизиса клеток. [5] Таким образом, «мембраноповреждающие токсины» (MDT) описывают основные действия цитолизинов. Цитолизины составляют более 1/3 всех бактериальных белковых токсинов . Бактериальные белковые токсины могут быть очень ядовиты для человека. Например, ботулин для человека в 3х10 5 токсичнее змеиного яда и его токсическая доза составляет всего 0,8х10 -8 мг. [6] Широкий спектр грамположительных и грамотрицательных бактерий используют цитолизин в качестве основного оружия для создания заболеваний, таких как Enterococcus faecalis , [7] Staphylococcus и Clostridium perfringens .
Цитолизины были проведены разнообразные исследования. С 1970-х годов было открыто более 40 новых цитолизинов, сгруппированных в разные семейства. [8] На генетическом уровне были изучены и опубликованы генетические структуры около 70 белков цитолизина. [9] Также был изучен подробный процесс повреждения мембран . Россджон и др. представляют кристаллическую структуру перфринголизина О, тиол -активируемого цитолизина, который создает мембранные отверстия на эукариотических клетках. Построена детальная модель формирования мембранных каналов, раскрывающая механизм прикрепления мембраны. [10] Шатурский и др. изучили механизм внедрения в мембрану перфринголизина О (PFO), холестерин -зависимого порообразующего цитолизина, продуцируемого патогенными 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 проникающих через мембрану моделях токсинов RTX , семейства MDT, секретируемых многими грамотрицательными бактериями . Выявлен процесс внедрения и транспорта белка от RTX к целевой липидной мембране. [11]
Цитолизины, повреждающие мембраны, можно разделить на три типа в зависимости от механизма их повреждения:
Порообразующие цитолизины (ПФУ) составляют около 65% всех цитолизинов, повреждающих мембраны. [8] Первый цитолизин, образующий поры, был обнаружен Манфредом Майером в 1972 году при вставке C5 - C9 эритроцитов. [12] ПФУ могут производиться из самых разных источников, таких как бактерии, грибы и даже растения. [13] Патогенный процесс ПФУ обычно включает образование 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 порам и позволяют молекулам отбора пройти сквозь них. [14] Этот тип структуры показан у стафилококкового α-гемолизина. [15] Поры также могут образовываться путем слияния мембран. Под контролем Са 2+ мембранное слияние везикул образует заполненные водой поры из протеолипидов . [16] Порообразующие цитолизины, такие как перфорин, используются в цитотоксических Т-киллерах и NK-клетках для разрушения инфицированных клеток.
Более сложный процесс порообразования включает процесс олигомеризации нескольких мономеров ПФУ . Процесс порообразования состоит из трех основных этапов. Цитолизины сначала продуцируются некоторыми микроорганизмами. Иногда организму-продуценту необходимо создать пору на своей собственной мембране для высвобождения таких цитолизинов, как в случае колицинов , продуцируемых Escherichia coli . На этом этапе цитолизины высвобождаются в виде белковых мономеров в водорастворимом состоянии. [17] Обратите внимание, что цитолизины часто токсичны и для хозяев, производящих их. Например, колицины потребляют нуклеиновые кислоты клеток с помощью нескольких ферментов. [18] Чтобы предотвратить такую токсичность, клетки-хозяева производят белки иммунитета для связывания цитолизинов, прежде чем они нанесут какой-либо внутренний ущерб. [8]
На втором этапе цитолизины прикрепляются к мембранам клеток-мишеней, сопоставляя « рецепторы » на мембранах. Большинство рецепторов представляют собой белки, но они могут представлять собой и другие молекулы, например липиды или сахара. С помощью рецепторов мономеры цитолизина соединяются друг с другом и образуют кластеры олигомеров. На этом этапе цитолизины завершают переход из состояния водорастворимых мономеров в состояние олигомеров.
Наконец, образовавшиеся кластеры цитолизина проникают через мембраны клеток-мишеней и образуют мембранные поры. Размер этих пор варьирует от 1–2 нм ( α-токсин S. aureus , α- гемолизин E. coli , аэролизин Aeromonas ) до 25–30 нм ( стреплизин О , пневмолизин ).
В зависимости от того, как образуются поры, порообразующие цитолизины делятся на две категории. Те, которые образуют поры с α- спиралями, называются α-PFT (порообразующие токсины). Те, которые образуют поры со структурой β- бочонка , называются β-PFT. Некоторые из распространенных α-PFT и β-PFT перечислены в таблице ниже.
Летальное действие порообразующих цитолизинов осуществляется путем нарушения притока и оттока в отдельной клетке. Поры, которые позволяют ионам, таким как Na + , проходить через них, создают дисбаланс в клетке-мишени, который превышает ее способность уравновешивать ионы. Таким образом, атакованные клетки расширяются до лизиса. [19] Когда мембраны клеток-мишеней разрушаются, бактерии, продуцирующие цитолизины, могут потреблять внутриклеточные элементы клетки, такие как железо и цитокины. [8] Некоторые ферменты, которые разлагают критические структуры клеток-мишеней, могут беспрепятственно проникать в клетки.
Одним из специфических типов цитолизина является холестерин-зависимый цитолизин (CDC). CDC существуют у многих грамположительных бактерий. Процесс порообразования CDC требует присутствия холестерина на мембранах клеток-мишеней. Размер пор, создаваемых CDC, велик (25–30 нм) из-за олигомерного процесса цитолизинов. Обратите внимание, что холестерин не всегда необходим на этапе присоединения. Например, интермедилизину требуется только наличие белковых рецепторов для прикрепления к клеткам-мишеням, а холестерин необходим для образования пор. [20] Образование пор через CDC включает в себя дополнительный этап, чем этапы, проанализированные выше. Водорастворимые мономеры олигомеризуются с образованием промежуточного продукта, называемого «предпоровым» комплексом, а затем β-цилиндр проникает в мембрану. [20]