Bakteriella exotoxiner
SK-kurs i mikrobiell patogenes
12–16 mars, 2012
Ingvar Eliasson
Definition exotoxin
!!
Exotoxiner är proteiner
!!
!!
!!
Normalt: Utsöndras från levande bakterie
Alternativ: Injiceras direkt in i värdcell
Att skilja från endotoxin
!!
!!
!!
Lipopolysackarid
Cellväggskomponent hos G– bakterier
Lipid A toxisk komponent, frisätts när cellen dör
Patogenes toxineffekter
!!
Intag av preformerat toxin med födan
!!
!!
!!
Bakteriekolonisation i slemhinna
!!
!!
!!
Direkt toxineffekt, även utan bakterietillväxt
Lokala effekter eller upptag med systemeffekter
Toxin verkar lokalt
Ev. hematogen spridning med fjärrsymtom
Sårinfektion eller abscessbildning
!!
!!
Toxin verkar lokalt
Ev. hematogen spridning med fjärrsymtom
Typer av exotoxin
!!
Typ I. Superantigen (Bo Nilsson)
!!
Typ II. Membranskadande toxiner
!!
Typ III. A-B toxiner m fl.
!!
Intracellullärt verkande, interfererar med
värdcellens funktioner
Typ II Membranskadande
toxiner (hemolysiner)
!!
A. Porbildande (t. ex. !-toxin från S.aureus)
!!
!!
!!
!!
Receptor kolesterol
Sätter sig i cellmembranet
Bildar kanal
Influx av vatten -> cellen sväller och dör
Typ II Membranskadande
toxiner (hemolysiner)
!!
B. Fosfolipaser (ex. !-toxin från C.perfringens)
!!
!!
!!
!!
Enzymer
Spjälkar bort den laddade “huvuddelen” från
lipiddelen av fosfolipiderna i cellmembranen
Membrandestabilisering
Cellen lyserar
Exempel membranskadande
!!
Listeriolysin (Listeria monocytogenes)
!!
!!
!!
Porbildande
Fagosom -> cytosol
Överlevnadsstrategi intracellulärt
Exempel membranskadande
!!
!-toxin (Clostridium perfringens)
!!
!!
!!
Fosfolipas
Dödar fagocytära celler
Ger vävnadsskada (gasgangrän)
Typ III A-B toxiner
!!
A-delen är aktiv (enzym)
!!
B-delen binder till värdcellens yta
!!
!!
Glykoprotein, glykolipid, membranprotein
Fastställer värdcellsspecificitet:
!!
!!
Neurotoxiner, leukotoxiner, kardiotoxiner
Olika känslighet hos olika arter
Typ III A-B toxiner
B
B
B
S
S
A
B
B
B
A
Typ III A-B toxiner
Inbindning via B-delen
!! Translokation av A-delen in i cytoplasman
!!
!!
!!
Alt 1. Direkt
Alt 2. Efter pinocytos (pH-beroende?)
Spjälkning av disulfidbryggan
!! A-del fritt i cytosolen
!! ADP-ribosylering av något värdprotein
!!
Typ III A-B toxiner
1
B
2
S
S
B
S
S
A
3
B
S
S
A
A
4
B
A
Exempel på A-B toxiner
Adenylatcyklas toxin (Bordetella spp.):
!! Kromosomalt medierat
!! Aktiveras av intracellulärt calmodulin och
katalyserar konversion av ATP till cAMP
!! Inhiberar leukocytkemotaxi och aktivitet
!!
Exempel på A-B toxiner
!!
!!
!!
!!
!!
Botulinumtoxiner (7 antigent distinkta toxiner (AG) (Clostridium botulinum):
Fagmedierade neurotoxiner
Bland de mest potenta av alla biologiska toxiner
B-delen binder till neuroreceptorgangliosider på
kolinerga neuron
A-delen inhiberar irreversibelt frisättningen av
acetylkolin i perifera kolinerga synapser vilket leder
till slappa pareser och död
Exempel på A-B toxiner
Koleratoxin (A-5B) (Vibrio cholerae):
!! Kromosomalt medierade
!! B-delen (pentamer) binder till GM1
gangliosidreceptorer I tunntarmens epitel.
!! A-delen ADP-ribosylerar guanosintrifosfat
(GTP)-bindande protein, vilket leder till ökade
cAMP-nivåer med massiv förlust av vätska
och elektrolyter och samtidig blockering av
upptaget av natrium- och kloridjoner.
!!
Exempel på A-B toxiner
Shiga toxin (A-5B) (Shigella dysenteriae):
!! Kromosomalt medierat
!! Extremt potent
!! B-delen binder till Gb3 glykolipidreceptor
!! A-delen klyver bort 28S rRNA från 60S i
ribosomen vilket inhiberar proteinsyntesen
!!
Exempel på A-B toxiner
!!
!!
!!
!!
!!
!!
!!
Tetanus toxin (Clostridium tetani):
Plasmidmedierat neurotoxin
Extremt potent
B-delen binder till neuroreceptorgangliosider (GD1b)
A-delen (zinkendopeptidas) gör en retrograd
vandring över synapser till pre-synaptiska nervändar
där det ackumuleras i vesikler.
Blockerar irreversibelt frisättningen av inhibitoriska
transmittorer
Resulterar i kontinuerlig muskelstimulering och
spastiska pareser
Difteri: En virulensfaktors
historia, del 1
!!
400-talet f.k. Hippokrates
!!
!!
Beskrivning av sjukdomen
(Även tidiga syriska och
egyptiska skrifter beskriver
den kliniska sjukdomen)
Difteri: En virulensfaktors
historia, del 2
1883. Klebs beskriver bakterien
!! 1884. Loeffler odlar bakterien
!! Koch's postulat verifierar Corynebacterium
diphtheriae som etiologiskt agens
!!
Koch’s postulates are:
!!
!!
!!
!!
The microorganism must be found in abundance in
all organisms suffering from the disease.
The microorganism must be isolated from a
diseased organism and grown in pure culture
The cultured microorganism should cause disease
when introduced into a healthy organism.
The microorganism must be reisolated from the
inoculated, diseased experimental host and
identified as being identical to the original specific
causative agent.
Difteri: En virulensfaktors
historia, del 3
1884. Loeffler konkluderar att C. diphtheriae
bildar ett lösligt toxin (första beskrivningen av
bakteriellt exotoxin).
!! 1888. Roux och Yersin påvisar toxin i cellfri
supernatant. Injektion i försöksdjur ger
systemiska manifestationer
!!
Difteri: En virulensfaktors
historia, del 4
!!
1890. von Behring and Kitasato vaccinerar marsvin
med värmeinaktiverat toxin
!!
!!
!!
!!
!!
Serum från vaccinerade djur skyddar andra djur
Antitoxineran inleddes
Vaccinet ej användbart pga allvarliga lokalreaktioner
1909. Theobald Smith visar att Toxin-Anti-Toxin
complex, TAT är immunogent
1910. TAT används som vaccin på människa
Difteri: En virulensfaktors
historia, del 5
!!
1913. Schicks test för immunitetsprövning:
!!
!!
!!
!!
Intrakutan injektion av liten mängd toxin
Utvärdering efter 48 timmar
Positivt test (inflammation) = icke immun
Negativt test = immun
Difteri: En virulensfaktors
historia, del 6
1929. Ramon visar att formalinbehandlat
toxin är atoxiskt men antigent.
!! Difteri-toxoiden visade sig bli ett av de
säkraste och effektivaste vaccinerna hittills i
historien!
!!
Difteri: En virulensfaktors
historia, del 7
1951. Freeman upptäcker att patogena
(toxigenic) stammar av C. diphtheriae är
lysogena
!! Temperat beta-fag
!! Icke lysogena stammar
avirulenta
!! Senare har man visat att
toxingenen sitter i
bakteriofagens genom
!!
Difteri: En virulensfaktors
historia, del 8
1960-talet. Pappenheimer och medarbetare
beskriver verkningsmekanismen för
difteritoxinet.
!! Toxinet inhiberar proteinsyntesen
!! Blockerar överföring av aminosyror från tRNA
till peptidkedjan i ribosomen
!! Effekten blockeras av antitoxin
!!
Difteri: En virulensfaktors
historia, del 9
Difteritoxin blir klassisk modell för ADPribosylerande bakteriellt exotoxin:
(Modifierad histidin på elongation factor 2 är målmolekyl)
Difteri: En virulensfaktors
historia, del 9
Difteritoxin blir klassisk modell för ADPribosylerande bakteriellt exotoxin:
!! Membranreceptorn Är “heparin-binding
epidermal growth factor (HB-EGF) precursor”
!! Finns på cellytan hos många celltyper
!! Förekomst och variation av HB-EGFprekursor bestämmer både en arts känslighet
och ett organs känslighet för toxinet
Difteri: En virulensfaktors
historia, del 9
Difteritoxin blir klassisk modell för ADPribosylerande bakteriellt exotoxin:
NAD + EF-2
ADP-ribosyl-EF-2 + nikotinamid + H+
(Modifierad histidin på elongation factor 2 är målmolekyl)
Difteri: En virulensfaktors
historia, del 10
Dtx-genen på bakteriofag
!! Repressorgen kodar för järnberoende
repressor DtxR
!! Vid höga järnnivåer:
!!
!!
!!
Vid låga järnnivåer
!!
!!
Repressor i järnbunden form = aktiv
Icke järnbunden repressor binder inte till DNA
Toxinets roll: Att skaffa järn till bakterien!?
Difteri: En virulensfaktors
historia, del 11
!!
Modifiering av toxinet:
!!
!!
Ersätta/koppla B-del med monoklonala ak för
leverans av toxin till maligna celler
Ex: difteritoxin kopplat till IL3-R-antikropp avdödar
leukemiska stamceller men inte normala
hematopoetiska stamceller!
Difteri: Andra virulensfaktorer
hos C.diphteriae
Kolonisationsfaktorer
Stamvariation:
!! Gravis
!! Intermedius
!! Mitis
