SK-kurs i mikrobiell patogenes 12–16 ... - Mikrobiologi.net · Tetanus toxin (Clostridium...

SK-kurs i mikrobiell patogenes 12–16 mars, 2012

Ingvar Eliasson

Bakteriella exotoxiner

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 !! Direkt toxineffekt, även utan bakterietillväxt !! Lokala effekter eller upptag med systemeffekter

!! Bakteriekolonisation i slemhinna !! 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 B

B

A S S

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

S S

B

A

S S

B

A

S S

B

A

B

A

1 2

3 4

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 (A-

G) (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 ADP-ribosylerande bakteriellt exotoxin:

(Modifierad histidin på elongation factor 2 är målmolekyl)

Difteri: En virulensfaktors historia, del 9

Difteritoxin blir klassisk modell för ADP-ribosylerande bakteriellt exotoxin:

!! Membranreceptorn Är “heparin-binding epidermal growth factor (HB-EGF) precursor”

!! Finns på cellytan hos många celltyper !! Förekomst och variation av HB-EGF-

prekursor bestämmer både en arts känslighet och ett organs känslighet för toxinet

Difteri: En virulensfaktors historia, del 9

Difteritoxin blir klassisk modell för ADP-ribosylerande 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:

!! Repressor i järnbunden form = aktiv !! Vid låga järnnivåer

!! 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