Cytolysin

Cytolysin bezeichnet eine von Mikroorganismen, Pflanzen oder Tieren ausgeschiedene Substanz ^, die spezifisch für einzelne Zellen toxisch ist ^{[ 1} , ^{2 ] und} in vielen Fällen deren Auflösung durch Lyse bewirkt . Cytolysine mit spezifischer Wirkung auf bestimmte Zellen werden entsprechend benannt. Beispielsweise werden die Cytolysine, die für die Zerstörung roter Blutkörperchen und die damit verbundene Freisetzung von Hämoglobin verantwortlich sind, als Hämolysine bezeichnet usw. ^{[ 3 ]} Cytolysine können sowohl an Immunprozessen als auch an der Bildung von Giften beteiligt sein .

Hämolysin wird auch von bestimmten Bakterien, wie z. B. Listeria monocytogenes , verwendet, um die Phagosomenmembran von Makrophagen zu zerstören und in das Zytoplasma der Zelle zu gelangen.

Der Begriff „Zytolysin“ oder „zytolytisches Toxin“ wurde erstmals von Alan Bernheimer eingeführt , um membranschädigende Toxine ( MDTs ) zu beschreiben, die zytolytische Wirkungen auf Zellen haben. ^{[ 4 ]} Die ersten entdeckten zytolytischen Toxine wirkten hämolytisch auf Erythrozyten bestimmter empfindlicher Spezies, wie z. B. des Menschen. Aus diesem Grund wurde zunächst der Begriff „ Hämolysin “ für alle MDTs verwendet. In den 1960er Jahren wurde nachgewiesen, dass bestimmte MDTs auch andere Zellen als Erythrozyten , wie z. B. Leukozyten, schädigen . Daraufhin führte Bernheimer den Begriff „Zytolysin“ anstelle von „Hämolysin“ ein. Zytolysine können Membranen zerstören, ohne eine Lyse der Zellen auszulösen. ^{[ 5 ]} Daher beschreibt der Begriff „membranschädigende Toxine“ (MDTs) die wesentlichen Wirkungen von Zytolysinen. Zytolysine machen mehr als ein Drittel aller bakteriellen Proteintoxine aus . Bakterielle Proteintoxine können für den Menschen hochgiftig sein. Beispielsweise ist Botulinumtoxin 3 × 10⁵ ^- mal giftiger als Schlangengift für den Menschen, und seine toxische Dosis beträgt nur 0,8 × 10⁻⁸ ^mg  . ^{[ 6 ]} Zahlreiche grampositive und gramnegative Bakterien , wie beispielsweise Enterococcus faecalis ^{[ 7 ]} , Staphylococcus und Clostridium perfringens , nutzen Cytolysin als primäre Waffe zur Krankheitsentstehung .

Es wurden vielfältige Studien zu Cytolysinen durchgeführt. Seit den 1970er Jahren wurden mehr als 40 neue Cytolysine entdeckt und verschiedenen Familien zugeordnet. ^{[ 8 ]} Auf genetischer Ebene wurden die genetischen Strukturen von etwa 70 Cytolysin-Proteinen untersucht und publiziert. ^{[ 9 ]} Auch der detaillierte Prozess der Membranschädigung wurde erforscht. Rossjohn et al. präsentieren die Kristallstruktur von Perfringolysin O, einem Thiol -aktivierten Cytolysin, das Membranporen in eukaryotischen Zellen erzeugt. Es wurde ein detailliertes Modell der Membrankanalbildung entwickelt, das den Membraninsertionsmechanismus aufzeigt. ^{[ 10 ]} Shatursky et al. untersuchten den Membraninsertionsmechanismus von Perfringolysin O (PFO), einem Cholesterin -abhängigen , porenbildenden Cytolysin, das vom pathogenen Bakterium Clostridium perfringens produziert wird . Anstelle einer einzelnen amphipathischen β-Haarnadelstruktur pro Polypeptid enthält das PFO- Monomer zwei amphipathische β-Haarnadelstrukturen, die jeweils die gesamte Membran durchspannen. Larry et al. konzentrierten sich auf die membranpenetrierenden Modelle von RTX -Toxinen, einer Familie von MDT, die von vielen gramnegativen Bakterien sezerniert werden . Der Insertions- und Transportprozess des Proteins von RTX zur Ziellipidmembran wurde aufgeklärt. ^{[ 11 ]}

Die membranschädigenden Cytolysine lassen sich anhand ihres Schädigungsmechanismus in drei Typen einteilen:

• Cytolysine greifen die Doppelschichtmembranen eukaryotischer Zellen an , indem sie deren Phospholipide auflösen. Zu den bekanntesten Cytolysinen zählen das α-Toxin (Phospholipase C) von Clostridium perfringens , das β-Toxin (Sphingomyelinase C) von Staphylococcus aureus und die Phospholipase D von Vibrio damsela . Farlane et al. klärten 1941 den molekularen Wirkmechanismus des α-Toxins von C. perfringens auf und leisteten damit Pionierarbeit auf dem Gebiet der bakteriellen Proteintoxine.
• Cytolysine greifen die hydrophoben Bereiche von Membranen an und wirken wie „ Detergenzien “. Beispiele hierfür sind die 26 Aminosäuren umfassenden δ-Toxine von Streptococcus aureus , S. haemolyticus und S. lugdunensis , das Toxin von Bacillus subtilis und das Cytolysin von Pseudomonas aeruginosa .
• Cytolysine bilden Poren in den Membranen von Zielzellen. Diese Cytolysine werden auch als porenbildende Toxine (PFTs) bezeichnet und stellen den größten Anteil aller Cytolysine dar. Beispiele hierfür sind Perfringiolysin O aus dem Bakterium Clostridium perfringens , Hämolysin aus Escherichia coli und Listeriolysin aus Listeria monocytogenes . Die Zielstrukturen dieser Cytolysine reichen von allgemeinen Zellmembranen bis hin zu spezifischeren Mikroorganismen wie Cholesterin und Phagozytenmembranen. ^{[ 6 ]}

Porinstruktur – die Porenstruktur ermöglicht es Molekülen bestimmter Größen, hindurchzutreten.

Durch Membranfusion gebildete Poren könnten ausschließlich aus Proteolipiden bestehen .

Darstellung der Porenstruktur

Porenbildende Cytolysine (PFCs) machen fast 65 % aller membranschädigenden Cytolysine aus. ^{[ 8 ]} Das erste porenbildende Cytolysin wurde 1972 von Manfred Mayer bei der C5 - C9 -Insertion in Erythrozyten entdeckt. ^{[ 12 ]} PFCs können von einer Vielzahl von Organismen produziert werden, darunter Bakterien, Pilze und sogar Pflanzen. ^{[ 13 ]} Der pathogene Prozess der PFCs beinhaltet in der Regel die Bildung von Kanälen oder Poren in den Membranen der Zielzellen. Diese Poren können verschiedene Strukturen aufweisen. Eine porinartige Struktur ermöglicht den Durchtritt von Molekülen bestimmter Größe. Elektrische Felder verteilen sich ungleichmäßig über die Pore und bestimmen so, welche Moleküle passieren können. ^{[ 14 ]} Diese Struktur findet sich beispielsweise im Staphylokokken -α-Hämolysin. ^{[ 15 ]} Poren können auch durch Membranfusionen entstehen. Die durch Ca²⁺ gesteuerte Membranfusion von Vesikeln führt zur Bildung wassergefüllter Poren aus Proteolipiden . ^{[ 16 ]} Porenbildende Cytolysine wie Perforin werden in zytotoxischen Killer-T-Zellen und NK-Zellen zur Zerstörung infizierter Zellen eingesetzt ^.

Von Wirtszellen ausgeschiedene Cytolysine (am Beispiel von Bakterien)

Cytolysine bilden Oligomercluster auf den Membranen der Zielzellen.

Cytolysine erzeugen Kanäle (Poren) auf den Membranen der Zielzellen.

Porenbildungsprozess

Ein komplexerer Prozess der Porenbildung beinhaltet die Oligomerisierung mehrerer PFC- Monomere . Die Porenbildung umfasst drei grundlegende Schritte. Zunächst werden die Cytolysine von bestimmten Mikroorganismen produziert. Manchmal muss der produzierende Organismus eine Pore in seiner eigenen Membran bilden, um diese Cytolysine freizusetzen, wie beispielsweise im Fall der von Escherichia coli produzierten Colicine . In diesem Schritt werden die Cytolysine als wasserlösliche Proteinmonomere freigesetzt. ^{[ 17 ]} Es ist zu beachten, dass Cytolysine oft auch für ihre produzierenden Wirte toxisch sind. Colicine beispielsweise verbrauchen Nukleinsäuren von Zellen mithilfe verschiedener Enzyme. ^{[ 18 ]} Um diese Toxizität zu verhindern, produzieren Wirtszellen Immunitätsproteine, die Cytolysine binden, bevor diese Schaden anrichten können. ^{[ 8 ]}

Im zweiten Schritt binden Cytolysine an die Membranen der Zielzellen, indem sie an die dort befindlichen Rezeptoren andocken . Die meisten Rezeptoren sind Proteine, es können aber auch andere Moleküle wie Lipide oder Zucker sein. Mithilfe der Rezeptoren verbinden sich Cytolysin-Monomere zu Oligomeren. In dieser Phase vollziehen die Cytolysine den Übergang vom wasserlöslichen Monomer- zum Oligomerzustand.

Schließlich dringen die gebildeten Cytolysin-Cluster in die Membranen der Zielzellen ein und bilden Membranporen. Die Größe dieser Poren variiert von 1–2 nm ( S. aureus α-Toxin , E. coli α- Hämolysin , Aeromonas Aerolysin ) bis 25–30 nm ( Streplysin O , Pneumolysin ).

Je nach Art der Porenbildung lassen sich porenbildende Cytolysine in zwei Kategorien einteilen. Diejenigen, die Poren mit α- Helices bilden , werden als α-PFTs (porenbildende Toxine) bezeichnet. Diejenigen, die Poren mit β-Fassstrukturen bilden, heißen β-PFTs. Einige der häufigsten α-PFTs und β-PFTs sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Die letale Wirkung porenbildender Cytolysine beruht auf der Störung des Ionenflusses in einzelnen Zellen. Poren, die den Durchtritt von Ionen wie Na ⁺ ermöglichen , erzeugen ein Ungleichgewicht in der Zielzelle, das deren Ionenbilanzierungskapazität übersteigt. Die angegriffenen Zellen dehnen sich daraufhin aus und lysieren. ^{[ 19 ]} Nach der Zerstörung der Zielzellmembranen können die Cytolysin-produzierenden Bakterien intrazelluläre Bestandteile wie Eisen und Cytokine verbrauchen. ^{[ 8 ]} Einige Enzyme, die wichtige Strukturen der Zielzellen abbauen, können ungehindert in die Zellen eindringen.

Ein spezifischer Cytolysin-Typ ist das Cholesterin-abhängige Cytolysin (CDC). CDCs kommen in vielen grampositiven Bakterien vor. Die Porenbildung durch CDCs erfordert Cholesterin auf der Zielzellmembran. Die von CDC erzeugten Poren sind aufgrund der Oligomerisierung der Cytolysine groß (25–30 nm). Cholesterin ist jedoch nicht immer während der Adhäsionsphase notwendig. Intermedilysin beispielsweise benötigt lediglich Proteinrezeptoren für die Anheftung an Zielzellen, Cholesterin ist aber für die Porenbildung erforderlich. ^{[ 20 ]} Die Porenbildung durch CDCs umfasst einen zusätzlichen Schritt. Die wasserlöslichen Monomere oligomerisieren zu einem Zwischenprodukt, dem sogenannten „Prä-Poren“-Komplex, und anschließend dringt ein β-Fass in die Membran ein. ^{[ 20 ]}

• Hämolyse (Mikrobiologie)
• Thiol-aktiviertes Cytolysin
• Zytotoxisches Protein der Seeanemone