Холерный токсин

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Холерный токсин — бактериальная аденилатциклаза, вырабатываемая холерным вибрионом. Вибрион (вирулентный штамм Vibrio cholerae[1] [2] секретирует ХТ после попадания бактерии в организм человека. Действие ХТ считается причиной интенсивного обезвоживания после начала активной фазы холерной инфекции.

Структура[править | править вики-текст]

Холерный токсин представляет собою олигомерный белок, состоящий из шести субъединиц. Одна из этих субъединиц относится к типу A. Эта субъединица обладает каталитической активностью. Остальные пять субъединиц относятся к типу B. Они нужны для связывания холерного токсина с белком-рецептором человеческой клетки. Пространственная структура холерного токсина была получена Жангом и соавт. (Zhang et al.) в 1995.[3] B субъединицы холерного токсина – представляют собой белки малого размера. Молекулярный вес B субъединицы составляет 12 кДа. В молекуле холерного токсина B субъединицы образуют кольцо. В A субъединице выделяют два домена, соединенных дисульфидной связью: A1 (CTA1) - это фермент, который присоединяет АДФ-рибозу к G-белкам, A2 (CTA2) имеет вид альфа-спирали, которая находится внутри пятичленного кольца, образованного B субъединицами.[4] Структура холерного токсина, каталитический механизм и сиквенс схожи с колийным токсином.

Принцип действия[править | править вики-текст]

Физиологическая роль аденилатциклазы у бактерий, дрожжей, грибов и высших эукариот примерно одна и та же. Но в отличие от аденилатциклазы человека, активность бактериальной аденилатциклазы не регулируется эукариотической клеткой, поэтому при заражении холерным вибрионом, когда белок встраивается в мембрану клеток инфицированного человека, холерный токсин, безусловно, вносит существенный вклад в инфекционный процесс. Таким образом, вред от холерного токсина - это бесконтрольная наработка циклического АМФ в условиях непрерывной эскалации бактериальной инфекции.

Патогенез[править | править вики-текст]

После связывания с клеткой кишечного эпителия (энтероцитом) посредством рецептор-зависимого эндоцитоза, субъединица A диссоциирует из комплекса и её дисульфидная связь окисляется. Получившийся фрагмент сохраняет способность присоединять АДФ-рибозу к Gαs субъединицам G-белков. Этот процесс приводит к образованию цАМФ и никак не контролируется клеткой-хозяином. В свою очередь цАМФ открывает каналы для входа в клетку хлорид-ионов (CFTR белок). Увеличение концентрации хлорид-ионов внутри клетки приводит к секреции клеткой воды, ионов натрия и калия, а также гидрокарбонат-иона в просвет тонкой кишки. Нарушение водно-солевого баланса приводит к диареи, в результате которой организм теряет до 2 литров воды в час. Происходит обезвоживание, а стул больного приобретает характерную консистенцию "рисового отвара".[5] из-за отделившихся от стенки кишечника энтероцитов. Примечательно, что коклюшный токсин (также пятисубъединичный белок AB5), который вырабатывает Bordetella pertussis действует на человеческий организм похожим образом за исключением того, что коклюшный токсин присоединяет АДФ-рибозу к Gαi субъединице, удерживая её в неактивном состоянии. Неактивность Gαi предотвращает ингибирование человеческой аденилат циклазы и увеличивает синтез цАМФ в клетке.[6]

Молекулярный механизм[править | править вики-текст]

После секреции, субъединица B холерного токсина связывается с ганглиозидом GM1, расположенном на наружной клеточной мембране энтероцита. После связывания холерный токсин (весь комплекс целиком) поступает вовнутрь клетки посредством эндоцитоза. На этом этапе кольцо разрушается и за счет восстановления дисульфидных связей освобождается домен CTA1 прежде находившийся в составе субъединицы A. Эндосома попадает в аппарат Гольджи, где CTA1 взаимодействуют с шапероном эндоплазматического ретикулума, белковой дисульфидизомеразой, расплетается и транспортируется шапероном в район клеточной мембраны через канал Sec61. В мембране, CTA1 взаимодействует с оксидоредуктазой Ero1, CTA1 освобождается из комплекса с шапероном за счет окисления и сворачивается таким образом, чтобы избежать убикинилирования ферментами клетки и последующего разрушения. После этого CTA1 связывается с АДФ-рибозил трансферазой человека (Arf6). Это связывание вызывает очередную конформационную перестройку у CTA1: белок изменяет свою конформацию таким образом, чтобы его активный центр мог, совместно с Arf6 катализировать. ферментативную реакцию [8]. Таким образом, комплекс CTA1 и Arf6 расщепляет НАД, и переносит образовавшуюся АДФ-рибозу на G-белок, регуляторную субединицу эндогенной аденилат циклазы. Это приводит к тому, что Gαs сохраняет способность связывать ГТФ, но теряет способность его гидролизовать, то есть остается в активированном состоянии. В результате в клетке накапливается цАМФ. В целом, его концентрация может возрасти более чем в 100 раз. Возросший цАМФ нарушает электролитный баланс и вызывает диарею.

Происхождение[править | править вики-текст]

Ген, который кодирует холерный токсин, мог появиться у V. cholerae за счет так называемого горизонтального трансфера. Вирулентные штаммы холерного вибриона заражены бактериофагом CTXf или CTXφ;.[7]

Применение[править | править вики-текст]

Несмотря на свое грозное название холерный токсин имеет довольно мирное применение. В области исследования стволовых клеток холерный токсин широко используется в качестве добавки в культуральные среды. Это необходимо, чтобы предотвратить дифференцировку клеток и поддерживать в клеточной культуре определенный уровень пролиферации. Концентрация холерного токсина в культуральных средах составляет 0.1 nM. Субъединица B, которая сама по себе, не является цитотоксичной, используется в качестве трейсера.[8]. Суть метода состоит в том, что к субъединице B пришивается химическим путем флуоресцентная метка или антитело (молекула иммуноглобулина G). Связываясь с клеткой, несущий специфичный ганглиозид, модифицированная субъединица B метит клетку.

Безопасность[править | править вики-текст]

Патогенность холерного токсина как такового в виде раствора, аэрозоля и т. п. представляется сомнительной. Белок как таковой не нарабатывается in vivo в отсутствие вибриона, его действие на клетки существенно ограничено во времени, к тому же, как все другие белки он подвержен деградации в пищеварительном тракте.

Коммерческая упаковка[править | править вики-текст]

На рынке биопрепаратов холерный токсин продается небольшими партиями, например Sigma-Aldrich, фасовками по 10 мг, что сводит к минимуму риск при его умышленном или нецелевом использовании вне стен научной лаборатории.


Ссылки на ресурсы в сети[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  1. Ryan KJ; Ray CG (editors) (2004). Sherris Medical Microbiology (4th ed.). McGraw Hill. p. 375. ISBN 0-8385-8529-9.
  2. Faruque SM; Nair GB (editors). (2008). Vibrio cholerae: Genomics and Molecular Biology. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-33-2.
  3. Zhang R, Scott D, Westbrook M, Nance S, Spangler B, Shipley G, Westbrook E (1995). "The three-dimensional crystal structure of cholera toxin". J Mol Biol 251 (4): 563–73. DOI:10.1006/jmbi.1995.0456. PMID 7658473.
  4. De Haan L, Hirst TR (2004). "Cholera toxin: a paradigm for multi-functional engagement of cellular mechanisms (Review)". Mol. Membr. Biol. 21 (2): 77–92. DOI:10.1080/09687680410001663267. PMID 15204437.
  5. Joaquín Sánchez, Jan Holmgren (February 2011). [icmr.nic.in/ijmr/2011/february/0204.pdf "Cholera toxin – A foe & a friend"]. Indian Journal of Medical Research 133: p. 158.
  6. Boron, W. F., & Boulpaep, E. L. (2009). Medical physiology: a cellular and molecular approach (2nd ed.). Philadelphia, PA: Saunders/Elsevier.
  7. Davis B, Waldor M (2003). "Filamentous phages linked to virulence of Vibrio cholerae". Curr Opin Microbiol 6 (1): 35–42. DOI:10.1016/S1369-5274 (02)00005-X. PMID 12615217.
  8. O'Neal C, Jobling M, Holmes R, Hol W (2005). "Structural basis for the activation of cholera toxin by human ARF6-GTP". Science 309 (5737): 1093–6. DOI:10.1126/science.1113398. PMID 16099990.
  9. Pierre-Hervé Luppi. "The Discovery of Cholera-Toxin as a Powerful Neuroanatomical Tool". Retrieved 2011-03-23.