Shigatoksiinit

Shigatoksiineiksi kutsutaan nykyään kaikkia niitä toksiineja, jotka ovat rakenteeltaan ja toiminnaltaan samankaltaisia kuin Shigella -suvun S. dysenteriae serotyyppi 1 -bakteerin tuottama shigatoksiini (Stx). Shigatoksiinia tuottavat Escherichia coli (STEC) -kannat, joista tunnetuin lienee E. coli O157:H7, ovat yksi merkittävimmistä ruokamyrkytysten aiheuttajista maailmalla. STEC-kantojen tuottamia shigatoksiineja kutsutaan myös nimillä verotoksiinit (VT) ja Shiga-like -toksiinit (SLT). STEC-kantojen tuottamat toksiinit jaetaan kahteen pääryhmään, Stx1- ja Stx2-toksiineihin. Stx2-ryhmässä toksiineita on useita alatyyppejä (variantteja), kuten Stx2, Stx2c, Stx2d, Stx2e ja Stx2f. Yleisesti on havaittu, että Stx2 on toksisempi kuin Stx1, vaikka yksiselitteistä syytä tähän ei ole pystytty antamaan.

Shigatoksiinien rakenne ja toimintamekanismi

Shigatoksiinit kuuluvat isompaan kasvien ja bakteerien tuottamaan toksiiniperheeseen, jotka sitoutuvat ensin solun pinnan reseptoreihin, kulkeutuvat endosytoosilla solun sisälle ja tuhoavat solun inhiboimalla proteiinisynteesiä. Tällaisia toksiineita ovat muun muassa risiini ja koleratoksiini. Shigatoksiinien rakenne on muotoa AB5, jossa on entsymaattinen A-osa ja solunpinnan reseptoriin sitoutuva, viidestä identtisestä B-yksiköstä koostuva B-osa. Holotoksiinin rakenteessa reseptoriin sitoutuva osa sijaitsee A-osan C-terminaalisessa päässä. Shigatoksiinit ovat noin 70 kDa:n suuruisia; A-osa on noin 32 kDa ja kukin B-yksikkö noin 7,7 kDa. A-osa jaetaan vielä A1 (27,5 kDa) - ja A2 (4,5 kDa) -osiin, joiden välillä on sisäinen kysteiinien välinen disulfidisidos. A1-osalla on N-glykosidaasi-aktiivisuus ja vapauduttuaan sytosoliin se inhiboi aminoasyyli-tRNA:n sitoutumista ribosomiin poistamalla entsymaattisesti yhden spesifisen adeniinin eukarioottisolujen ribosomin 60S-alayksikön 28S rRNA:sta. A1-osan irtoaminen A2-osasta vaatii sekä proteolyyttisen prosessoinnin että disulfidisidoksen pelkistyksen.

Shigella-bakteerien tuottama Stx ja STEC-kantojen tuottama Stx1 ovat rakenteeltaan hyvin samankaltaisia, ne eroavat vain yhden A-osan aminohapon suhteen, mutta esimerkiksi Stx1- ja Stx2-toksiinien A-osan aminohapposekvensseillä on vain 55 % homologia. Lisäksi Stx2 ja sen variantit poikkeavat Stx1-toksiinista ja toisistaan B yksiköiden aminohapposekvenssien osalta, mikä vaikuttaa toksiinien kykyyn sitoutua solukalvon reseptoreihin. Stx- ja Stx2-toksiinien rakenteita tutkimalla on havaittu, että toksiineissa on useita kohtia, jotka ovat erilaisia. Näiden osien erilaisuus vaikuttaa toksiinimolekyylien konformaatioon ja konformaatiomuutosten arvellaan puolestaan vaikuttavan toksiinien patogeenisyyteen joko aktiivisen kohdan helpommalla saavutettavuudella tai B-osan korkeammalla affiniteetilla reseptoriin.

Shigatoksiinien kulkeutuminen soluun ja solussa

Endosytoosi

Päästäkseen soluun shigatoksiinien on ensin sitouduttava solun pinnan Gb3- glykolipidireseptoriin (globotriaosylceramide), poikkeuksena Stx2e, joka sitoutuu mieluummin Gb4 (globotetraosylceramide) -glykolipidiin. shigatoksiinien B5-pentameeri-rakenteesta on löydetty kolme erillistä kohtaa, jotka voisivat sitoutua reseptorien hiilihydraattiosiin. Reseptoriin sitoutuminen saa aikaan pääasiassa klatriinivälitteisen endosytoosireitin aktivoitumisen, mutta mekanismia tähän ei tunneta. Toisaalta klatriinivälitteinen reitti ei vaikuttaisi olevan ainoa mahdollisuus, sillä reitin inhiboiminen ei täysin estä Shigatoksiinien endosytoosia soluun. On ehdotettu, että klatriinivälitteinen endosytoosi voisi aktivoitua seuraavilla tavoilla:

1. Stx-Gb3 -kompleksi vuorovaikuttaa jonkin proteiinin kanssa, joka otetaan soluun klatriinivälitteisellä endosytoosilla
2. toksiini aiheuttaa isäntäsolussa toksiini-spesifisen signalointireitin aktivoitumisen, mikä saa aikaan klatriinien järjestäytymisen
3. Gb3-molekyylien ristiinsitoutuminen keskenään ja mahdollisesti jopa muiden lipidikertymien kanssa saa aikaan klatriinivälitteisen endosytoosin.

On kuitenkin osoitettu, että kasvava Stx-pitoisuus stimuloi toksiinin endosytoosia ja että toksiinimolekyylin A-osa on tässä välttämätön. A-osat saattaisivat vuorovaikuttaa joko keskenään saaden aikaan toksiinimolekyyliklustereita solukalvolle tai muiden solukalvon proteiinien kanssa, mikä johtaisi toksiinien endosytoosiin.

Kulkeutuminen Golgin laitteeseen

Solun sisällä shigatoksiinit kuljetetaan endosomista Golgin laitteen kautta solulimakalvostoon (ER). Havaintoja on toksiinien kuljetuksesta myös lysosomeihin, missä ne hajotetaan. Solun pinnan reseptoreiden lipidiosan koostumuksen on ajateltu vaikuttavan siihen, mihin toksiinimolekyyliä kuljetetaan solun sisällä. Ei ole varmaa tietoa siitä, miten shigatoksiinit kulkeutuvat Golgin laitteeseen. Myöhäisten endosomien ja TGN:n (trans-Golgi network) välillä tunnetaan Rab9-välitteinen mekanismi, mutta tämän reitin inhiboiminen ei suoraan vaikuta shigatoksiinien kykyyn aiheuttaa solun kuolema. Siksi uskotaan, että shigatoksiinit saattavat kulkeutua Golgin laitteeseen ennemminkin varhaisista endosomeista. Useat tutkimukset ehdottavat erilaisia teorioita, jotka saattaisivat vaikuttaa toksiinien kuljetukseen endosomeista Golgin laitteeseen (kuten Rab11- ja Rab6a’-välitteiset mekanismit, v/t-SNARE -systeemi, reseptorimolekyylien lipidikoostumus ja solun kolesterolipitoisuus).

Kulkeutuminen solulimakalvostoon ja vapautuminen sytosoliin

Golgin laitteen eri osien sekä Golgin laitteen ja solulimakalvoston välillä tunnetaan hyvin COPI-välitteinen mekanismi. Kun proteiineissa on KDEL-sekvenssi, ne kuljetetaan Golgista solulimakalvostoon COPI-proteiinin päällystämissä vesikkeleissä. Jotkin proteiinitoksiinit, kuten Pseudomonas-bakteerin tuottama eksotoksiini A, kuljetetaan solulimakalvostoon COPI-välitteisellä mekanismilla. shigatoksiineilla ei kuitenkaan ole KDEL-sekvenssiä, joten kuljetuksen täytyy tapahtua muulla tavalla, mutta tutkimuksia tästä ei ole juurikaan tehty. Solulimakalvostoon päästyään toksiinimolekyylin aktiivisen osan on vapauduttava sytosoliin, jotta se voi inhiboida proteiinisynteesiä. Risiinin ja koleratoksiinin osalta on näyttöä siitä, että toksiinimolekyylit voivat vapautua sytosoliin Sec61-proteiinikompleksin avulla, mutta shigatoksiinin osalta tutkimuksia ei ole. Sec61-proteiinikompleksi siirtää normaalisti uusia syntetisoitavia proteiineja sytosolista solulimakalvostoon, mutta myös väärin laskostuneita proteiineja solulimakalvostosta sytosoliin, missä ne joutuvat proteasomin hajotettavaksi. Mekanismia shigatoksiinin aktiivisen osan vapautumiselle ei kuitenkaan tunneta ja näytön puuttuessa onkin esitetty lähinnä kysymyksiä, kuten

1. missä vaiheessa A1-osa irrotetaan proteolyyttisesti A2-osasta
2. missä vaiheessa disulfidisidos pelkistyy
3. vapautuuko sytosoliin vain A1-osa vai myös A2- tai jopa koko B-osa

Lähteet

• Fraser, M.E., Fujinaga, M., Cherney, M.M., Melton-Celsa, A.R., Twiddy E.M., O’Brien, A.D. ja James, M.N.G.: Structure of Shiga toxin type 2 (Stx2) from Escherichia coli O157:H7. J. Biol. Chem. 279 (2004) 27511-7.
• Sandvik, K.: Shiga toxins. Toxicon 39 (2001) 1629-35.
• Sandvik, K. ja van Deurs, B.: Transport of protein toxins into cells: pathways used by ricin, cholera toxin and Shiga toxin. FEBS Lett. 529 (2002) 49-53.
• Torgersen, M.L., Lauvrak, S.U. ja Sandvik, K.: The A-subunit of surface-bound Shiga toxin stimulates clathrin-dependent uptake of the toxin. FEBS Journal 272 (2005) 4103-13.