Toksyna tyfusowa – mechanizm działania i znaczenie kliniczne

Toksyna tyfusowa stanowi krytyczny czynnik wirulencji Salmonella Typhi, będący przyczyną duru brzusznego u ludzi¹. Ta unikalna toksyna typu AB5 posiada dwie aktywne podjednostki enzymatyczne („A”) połączone z jedną pentameryczną podjednostką „B”, która kieruje te aktywności na określone komórki i tkanki¹. Toksyna tyfusowa ma dość unikalną biologię, ponieważ jest wyrażana tylko wtedy, gdy S. Typhi znajduje się w komórkach ssaków, a następnie jest eksportowana do środowiska zewnątrzkomórkowego przez specyficzny proces transportu pęcherzykowego¹.

Struktura i składniki toksyny tyfusowej

Toksyna tyfusowa jest atypową toksyną typu AB składającą się z dwóch enzymatycznie aktywnych podjednostek (A) – CdtB i PltA – oraz podjednostki wiążącej (B) PltB². CdtB wywołuje zatrzymanie cyklu komórkowego G2/M poprzez uszkodzenie DNA komórek gospodarza i wywołanie odpowiedzi na uszkodzenie DNA poprzez swoją aktywność podobną do DNazy I². Podjednostka CdtB jest homologiem aktywnej podjednostki toksyny powodującej rozszerzenie cytolityczne (CDT), podczas gdy pltA jest homologiem aktywnej podjednostki toksyny krztuścowej³.

Badania wykazały, że bakteryjna podjednostka B rozpoznaje i przyczepia się do cukrów, znanych jako trisacharydy, na błonach komórek odpornościowych⁴⁵. Trzecia podjednostka „B” rozpoznaje i wiąże się z określonymi cukrami docelowymi na powierzchni komórek odpornościowych gospodarza, co inicjuje proces, w którym toksyna wchodzi do komórki⁶. Toksyna tyfusowa jest unikalnie przystosowana do ludzi, rozpoznając glikoproteiny powierzchniowe sialoglikanów zakończone kwasem acetyloneuraminowym, które są preferencyjnie wyrażane przez komórki ludzkie⁷.

Mechanizm działania na poziomie komórkowym

Po dostaniu się do komórki odpornościowej, znanej również jako biała krwinka, dwie podjednostki enzymatyczne pracują nad wyłączeniem wrodzonej odpowiedzi immunologicznej komórki, która jest natychmiastową i ogólną odpowiedzią organizmu, gdy zostanie wykryty patogen⁴. Wyłączenie wrodzonej odpowiedzi immunologicznej ogranicza rozwój adaptacyjnej odpowiedzi immunologicznej organizmu, gdzie komórki mają pamięć wcześniejszej infekcji i rozpoczynają atak, jeśli patogen powróci⁴.

Najnowsze badania ujawniły, że toksyna tyfusowa przejmuje mechanizmy naprawy DNA i przyspiesza starzenie się komórek, co skutkuje większą podatnością na infekcję⁸. Patogen uwalnia toksynę tyfusową, która atakuje komórkowe DNA⁸. Używając mikroskopów fluorescencyjnych do badania, jak toksyna uszkadza DNA, naukowcy odkryli, że toksyna przejmuje maszyny naprawy DNA i przyspiesza starzenie się komórkowe⁸.

Transport wewnątrzkomórkowy toksyny

Wszystkie toksyny AB5, których mechanizmy transportu zostały scharakteryzowane do tej pory, są internalizowane przez endocytozę zapośredniczoną przez receptor i następnie dostarczane przez transport wsteczny najpierw do aparatu Golgiego, a następnie do siateczki śródplazmatycznej, gdzie holotoksyny są rozmontowywane, a podjednostki enzymatyczne są translokowane do cytosolu⁹. Zgodnie z jej znaną interakcją z glikoproteinami powierzchniowymi, toksyna tyfusowa była początkowo obserwowana związana z powierzchniową błoną plazmatyczną⁹.

Wyniki wskazują, że podobnie do innych toksyn AB5, toksyna tyfusowa jest transportowana do siateczki śródplazmatycznej przez ruch wsteczny, gdzie holotoksyna jest rozmontowywana przed translokacją jej podjednostek enzymatycznych do cytosolu komórki⁹. Badania genomiczne przeprowadzone na całym świecie zidentyfikowały składniki komórkowe, które są wymagane do transportu toksyny tyfusowej w komórkach, w tym komponenty wykorzystywane również do transportu innych toksyn bakteryjnych¹⁰.

Unikalny system sekrecji toksyny

Toksyna tyfusowa wykazuje niezwykłą biologię, ponieważ jest produkowana tylko przez bakterie zlokalizowane wewnątrzkomórkowo, a po jej syntezie i złożeniu jest uwalniana do wakuoli zawierającej Salmonella¹¹. Wcześniejsze badania zidentyfikowały gen ttsA, który jest niezbędny do sekrecji toksyny tyfusowej z komórek bakteryjnych¹. Odkryto, że TtsA pośredniczy w translokacji TT przez peptydoglikan wyłącznie na biegunach bakteryjnych, a funkcja TtsA wymaga aktywności enzymu edytującego peptydoglikan YcbB¹².

System sekrecji białek, który został opisany, zapewnia patogenowi mechanizm uwalniania pre-zsyntetyzowanych cząsteczek toksyny po otrzymaniu sygnałów środowiskowych (np. peptydy przeciwdrobnoustrojowe, sole żółciowe), których obecność może definiować bardzo specyficzne środowisko, w którym toksyna musi wywierać swoją funkcję¹². Analiza genomowa wskazuje, że ten nowatorski mechanizm sekrecji jest obecny u innych bakterii, ponieważ homologi TtsA można znaleźć zakodowane w bezpośrednim sąsiedztwie toksyn lub dużych enzymów zewnątrzkomórkowych w kilku genomach bakteryjnych¹².

Znaczenie kliniczne i terapeutyczne

Badania wykazały, że systemowe podanie oczyszczonej toksyny tyfusowej może odtworzyć wiele objawów duru brzusznego u myszy¹³. To bardzo ekscytujące odkrycie, ponieważ nie tylko łączy toksynę tyfusową z patogenezą duru brzusznego, ale także zapewnia konkretne podstawy do opracowania nowych strategii zapobiegawczych, a także potencjalnie ratujących życie strategii terapeutycznych¹³.

Wyniki otwierają drzwi do opracowania małych cząsteczek, które blokują trisacharydy o wysokim powinowactwie i hamują wiązanie toksyny z komórką docelową i wchodzenie do niej⁶¹⁴. Niedawne odkrycie w laboratorium sieci regulacji genów, która kontroluje ekspresję toksyny tyfusowej w komórkach, pozwoliło na identyfikację warunków wzrostu in vitro, które umożliwiają ekspresję toksyny tyfusowej¹. Toksyna tyfusowa odgrywa kluczową rolę w patogenezie duru brzusznego – nie jest niezbędnym czynnikiem wywołującym infekcję, ale moduluje odpowiedź immunologiczną gospodarza¹⁵.

Wpływ na barierę krew-mózg

Najnowsze badania ujawniły, że toksyna tyfusowa powoduje encefalopatię przez zakłócenie bariery krew-mózg¹⁶. Zidentyfikowano komórki śródbłonka jako główny cel toksyny i wykazano, że kortykosteroidy mogą łagodzić wynikające z tego zakłócenie bariery krew-mózg¹⁶. To badanie wykazało, że toksyna tyfusowa specyficznie wiąże glikany zakończone Neu5Ac, które są dominujące u ludzi, ale nie u większości innych ssaków¹⁶, co wyjaśnia, dlaczego dur brzuszny jest chorobą ograniczoną do ludzi.