Mechanizm wnikania toksyny dyfteryjnej do komórki

Proces wnikania toksyny dyfteryjnej do komórki eukariotycznej stanowi jeden z najlepiej poznanych przykładów mechanizmu działania bakteryjnych toksyn typu A-B. Ten złożony proces molekularny obejmuje serię uporządkowanych zdarzeń, które umożliwiają dostarczenie enzymatycznie aktywnej domeny toksyny do cytoplazmy komórki docelowej¹.

Wiązanie toksyny z receptorem komórkowym

Pierwszym etapem intoksykacji jest rozpoznanie i wiązanie toksyny z jej specyficznym receptorem na powierzchni komórki. Receptor dla toksyny dyfteryjnej to heparynowiążący czynnik wzrostu podobny do naskórkowego czynnika wzrostu (HB-EGF), który jest obecny na powierzchni wielu komórek eukariotycznych, szczególnie komórek serca i nerwów².

Fragment B toksyny, składający się z domeny wiążącej receptor i domeny translokacyjnej, odpowiada za rozpoznanie i wiązanie z domeną podobną do EGF receptora HB-EGF. To wiązanie jest wysoce specyficzne i determinuje tropizm tkankowy toksyny. Dodatkowo, wiązanie receptora z białkami błony komórkowej CD-9 i HB-EGF wyzwala wchłanianie toksyny do komórki poprzez endocytozę mediowaną przez receptor²³.

Internalizacja przez endocytozę mediowaną przez receptor

Po związaniu z receptorem następuje klasteryzacja naładowanych receptorów w dołki płaszczowe wyściełane klatryną. Kompleks toksyna-receptor zostaje internalizowany do komórki poprzez endocytozę mediowaną przez receptor, tworząc pęcherzyki endocytyczne⁴. Ten proces jest podobny do normalnej internalizacji ligandów przez komórki, ale w przypadku toksyny dyfteryjnej prowadzi do śmiertelnych konsekwencji.

Wewnątrz endosomu toksyna jest rozszczepiania przez proteazę podobną do trypsyny na fragmenty DT-A i DT-B, które pozostają połączone wiązaniem dwusiarczkowym. Ten etap przygotowuje toksynę do kolejnych zmian konformacyjnych niezbędnych do jej translokacji³.

Zmiany konformacyjne wywołane zakwaszeniem

Kluczowym momentem w procesie intoksykacji jest zakwaszenie endosomu przez pęcherzykową (v)ATPazę, która obniża pH luminalny wczesnych pęcherzyków endosomowych. Zakwaszenie pęcherzyka luminalnego wyzwala dynamiczne rozwijanie domeny transmembranowej (T), co umożliwia jej wstawienie do błony pęcherzyka endosomowego, tworząc porę⁵.

Badania krystalograficzne pokazały, że przy kwaśnym pH ani domena katalityczna, ani domena wiążąca receptor nie zmieniają swojej struktury, podczas gdy domena T przechodzi zmianę konformacyjną prowadzącą do rozwinięcia helis TH2-3. Kwaśne środowisko endosomu powoduje, że fragment B tworzy pory w błonie endosomu, umożliwiając w ten sposób uwolnienie fragmentu A⁶⁷.

Translokacja domeny katalitycznej

Formowanie pory selektywnej dla kationów w błonie pęcherzyka endosomowego jest krokiem krytycznym, bez którego translokacja domeny katalitycznej nie może nastąpić. Choć mechanizm tego procesu wciąż jest przedmiotem debaty, powszechnie przyjmuje się, że domena katalityczna toksyny dyfteryjnej jest „nawlekana” przez porę w procesie ułatwionym przez kompleks cytozolowego czynnika translokacyjnego (CTF)⁵.

Zakwaszenie domeny translokacyjnej w rozwijającym się endosomie prowadzi do utworzenia kanału białkowego, który ułatwia przemieszczenie fragmentu A do cytoplazmy komórki gospodarza. Ten proces wymaga udziału specyficznych białek komórkowych, w tym białka szoku cieplnego Hsp90, które jest niezbędne dla translokacji lub ponownego fałdowania różnych toksyn bakteryjnych²⁸.

Aktywacja enzymatyczna w cytoplazmie

Po dostarczeniu do cytoplazmy domena katalityczna jest ponownie fałdowana w enzymatycznie aktywną konformację i katalizuje ADP-rybozylację czynnika elongacji 2 (EF-2) zależną od NAD+, tym samym hamując syntezę białek komórkowych⁸. Fragment A działa jako enzym katalizujący dodanie ADP-rybozy do czynnika elongacji-2 (EF-2), co inaktywuje EF-2 i prowadzi do zahamowania syntezy białek, a w konsekwencji do śmierci komórek gospodarza⁹.

Domena katalityczna inaktywuje EF-2 poprzez katalizowanie reakcji, która daje wolny nikotynamid oraz nieaktywny kompleks adenozynodifosforanu-rybozy-EF-2 (ADP-rybozylacja). Ponieważ obrót EF-2 jest bardzo wolny i w komórce znajduje się około jedna molekuła na rybosom, oszacowano, że jedna molekuła egzotoksyny może inaktywować całą zawartość EF-2 w komórce, całkowicie kończąc syntezę białek gospodarza¹⁰.

Czynniki komórkowe uczestniczące w procesie

Mechanizm dostarczania domeny katalitycznej toksyny dyfteryjnej do cytoplazmy komórki eukariotycznej jest ułatwiany przez białka komórki docelowej, wszystkie działające w systematyczny i uporządkowany sposób w procesie dostarczania. Proces wnikania jest ułatwiany przez specyficzne interakcje z szeregiem czynników komórkowych w uporządkowany, sekwencyjny sposób¹⁸.

Wymaganie dla toksyny dyfteryjnej przejścia przez kwaśny przedział w celu dostarczenia jej domeny katalitycznej do cytoplazmy zostało ustalone w szeregu wczesnych badań, w tym zdolności słabych zasad i amin (np. soli amonu, glutaminy, chlorochiny) oraz inhibitorów ATP do blokowania dostarczania domeny katalitycznej⁸.

Konsekwencje blokowania syntezy białek

Zakłócenie syntezy białek jest naturalną konsekwencją zahamowania syntezy białek spowodowanego przez toksynę dyfteryjną. Białka odgrywają role w niemal każdej funkcji komórki, więc zahamowanie ich syntezy zakłóca naturalną równowagę, prowadząc do ostatecznej śmierci komórki. Założono, że nagłe zatrzymanie syntezy białek jest odpowiedzialne za martwicze i neurotoksyczne skutki toksyny dyfteryjnej¹⁰¹¹.

Zablokowanie syntezy białek uderza w serce funkcjonalności komórkowej, ponieważ białka są niezbędne dla wszystkich procesów życiowych komórki. Gdy toksyna dyfteryjska zatrzymuje syntezę białek, prowadzi to do dysfunkcji komórkowej i ostatecznie śmierci komórki¹¹.