Citolizin je supstanca koju izlučuju mikroorganizmi, biljke ili životinje, a koja je specifično toksična za pojedine ćelije,[1][2] izazivajući, u mnogim slučajevima, njihovo rastvaranje putem lize. Citolizini koji imaju specifično djelovanje na određene ćelije imenovani su u skladu s tim. Naprimjer, citolizini odgovorni za uništavanje crvenih krvnih zrnaca, čime se oslobađaju hemoglobini zovu se hemolizini, i tako dalje.[3] Citolizini mogu biti uključeni i u imunost kao i u otrovnost.
Termin "citolizin" ili "citolitski toksin" prvi je uveo Alan Bernheimer za opisivanje toksina koji oštećuju membranu (MDT) koji imaju citolitske efekte na ćelije.[4] Prvootkrivene vrste citolitskih toksina imaju hemolitske efekte na eritrocite određenih osjetljivih vrsta, poput čovjeka. Zato je termin "hemolizin" prvi put korišten za opisivanje bilo kojeg MDT-a. Šezdesetih godina prošlog stoljeća, dokazano je da su neki MDT destruktivni za ćelije koje nisu eritrociti, poput leukocita. Izraz "citolizin" zatim uvodi Bernheimer, kako bi zamijenio "hemolizin". Citolizini mogu uništiti membrane bez stvaranja ćelija za lizu.[5] Stoga, „toksini koji oštećuju membranu“ (MDT) opisuju esencijalno djelovanje citolizina. Citolizini sadrže više od 1/3 svih bakterijskihproteinskihtoksina. Bakterijski proteinski toksini mogu biti vrlo otrovni za ljude. Naprimjer, "botulin" je 3x105 toksičniji od zmijskog otrova za ljude i njegova toksična doza je samo 0,8x10−8 mg.[6] Veliki broj gram-pozitivnih i gram-negativnih bakterija koristi citolizin kao glavno oružje za izazivanje bolesti, poput Clostridium perfringens i vrsta roda Staphylococcus.
Provedeno je mnogo različitih studija na citolizinima. Od 1970-ih otkriveno je više od 40 novih oblika i grupirano u različite porodice.[7] Na genetičkom nivou, proučavane su i objavljene strukture oko 70 citolizinskih proteina.[8] Detaljni proces oštećenja membrane također je ispitan. Rossjohn i dr. predstavili su kristalnu strukturu perfringolizina O, citolizina kojeg aktivira tiol, a stvara membranske rupe na eukariotskim ćelijama. Izgrađen je detaljan model formiranja membrane kanala koji otkriva mehanizam membranske insercije.[9]
Shatursky i drugi proučavali su mehanizam za membransku inserciju perfringolizina O (PFO), o holesterolu ovisnom o porama, koji formira citolizin proizveden od patogenih oblika vrste Clostridium perfringens. Umjesto korištenja jedne amfipatija β-veze po polipeptidu, PFO monomer sadrži dvije amfipatske β-spone, a svaka obuhvata cijelu membranu. Larry i dr. usredotočili su se na membranske prodorne modele RTX toksina, porodice MDT-a koje izlučuju mnoge gram-negativnebakterije. Otkriven je postupak umetanja i transporta proteina iz RTX-a do lipidne membrane.[10]
Klasifikacija
Na osnovu njihovog mehanizma oštećenja, citolizini koji oštećuju membranu mogu se svrstati u tri grupe:
Citolizini koji napadaju eukariotske ćelije, dvoslojne membrane probijaju rastvarajući svoje fosfolipide. Reprezentativni citolizini uključuju C.perfringens α-toksin (fosfolipaza C), S. aureus β-toksin (shingomijelinaza C) i Vibrio damsela (fosfolipaza D). Farlane i dr. prepoznaju C. perfringens α-toksinski molekulski mehanizam 1941. godine, koji je označio pionirski rad na bilo kojem bakterijskom proteinu.
Citolizini koji formiraju pore s membrana ciljanih ćelija poznati su i kao toksini koji formiraju por (PFT) i čine najveći dio svih citolizina. Primjeri ove vrste uključuju perfringiolizin O iz Clostridium perfringens bakterije, hemolizin iz Escherichia coli i listeriolizin' iz Listeria monocitogena. Ciljevi ove vrste citolizina kreću se od općih ćelijskih membrana do specifičnijih mikroorganizama, poput holesterola i membrana fagocita.
Citolizini koji formiraju pore
Porin – struktura pora omogućuje prolazak molekula određene veličine
Pore nastale fuzijom membrana mogu se stvoriti samo od proteolipida.
Struktura pora
Citolizini koji stvaraju pore čine gotovo 65% svih citolizina koji oštećuju membranu. Citolizin koji formira pore prvi je otkrio Manfred Mayer 1972. godine (C5 - C9 insercije eritrocita).[11] PFC se mogu proizvesti iz različitih izvora, kao što su bakterije, gljive, pa čak i biljke.[12] Patogeni proces PFC obično uključuje formiranje kanala ili pora na membrani ciljnih ćelija. Pritom pore mogu imati mnogo struktura. Porinu slična struktura omogućava molekulama određenih veličina da prođu. Električna polja raspodijele se neravnomjerno po porama i selektiraju molekule koje mogu proći.[13] Ovaj tip strukture ispoljava stafdilikokni α-hemolizin.[14] Pora se također može formirati fuzijom membrane. Kontrolirano od Ca2+, fuzijom membrane vezikula formira pore napunjene vodom iz proteolipida.[15]
Proces formiranja pora
Citolizini koje izlučuju ćelije domaćina (bakterije kao primjer).
Citolizini formiraju klastere oligomera na membranama ciljanih ćelija.
Složeniji postupak formiranja pora uključuje oligomerizaciju procesa nekoliko PFC monomera. Postupak formiranja pora sadrži tri osnovna koraka. Citolizine u početku proizvode određeni mikroorganizmi. Ponekad organizam proizvođača mora stvoriti pore na svojoj membrani da se oslobodi takvih citolizina, poput slučaja kolicina koji proizvodi Escherichia coli. U ovom koraku se citolizini oslobađaju kao proteinski monomeri u stanju rastvorljivom u vodi.[16] Može se uočiti da su i citolizini često toksični za domaćine koji ih proizvode. Naprimjer, kolicini konzumiraju nukleinske kiseline ćelija koristeći nekoliko enzima.[17] To prevent such toxicity, host cells produce immunity proteins for binding cytolysins before they do any damage inward.[7]
U drugom koraku, citolizini se lijepe za ciljne membrane stapajući se na membranama sa receprorima ćelijske površine. Većina ovih receptora receptora su proteini, ali mogu biti i druge molekule, poput lipida ili šećera. Uz pomoć receptora, monomeri citolizina kombiniraju se međusobno i tvore nakupine oligomera. U ovoj fazi citolizini završavaju prijelaz iz stanja monomera topivih u vodi u stanje oligomera.
Konačno, formirani citolizinski klasteri prodiru u membrane ciljanih ćelija i formiraju membranske pore. Veličina ovih pora varira od 1-2 nm ( S. aureus &alfa;-toxin, E. coli &alfa;-hemolizin, Aeromonasaerolysin) do 25-30 nm (streplizin O, pneumolizin).
Ovisno o tome kako se formiraju pore, citolizini koji formiraju pore spadaju u dvije kategorije. Oni koji formiraju pore sa α - heliksima nazivaju se α-PFT (toksini koji stvaraju pore). Oni koji formiraju pore s β-barel strukturama su nazvane β-PFT. Neki od uobičajenih α-PFT i β-PFT navedeni su u donjoj tabeli
Uobičajeni citolizini koji formiraju pore
α-PFT
β-PFT
Kolicin iz Pseudomonas aeruginosa egztotoksin A, Actinia equina ekvinatoksin II
Smrtonosni efekti citolizina koji formiraju pore nastaju uzrokujući poremećaj priliva i odliva u jednoj ćeliji. Pore koje omogućuju ionima poput Na+ da prođu kroz stvorenu neravnotežu u ciljnoj ćeliji koja prelazi njegov kapacitet za uravnoteženje iona. Napadane ćelije se stoga šire i liziraju.[18] Kad se membrane ćelija unište, bakterije koje stvaraju citolizine mogu konzumirati unutarćelijske elemente ćelije, poput gvožđa i citokina. Neki enzimi koji razgrađuju kritične strukture ciljnih ćelija mogu ući u ćelije, bez prepreka.
Citolizin ovisan o holesterolu
Jedna specifična vrsta citolizina je citolizin ovisan o holesterolu (CDC). CDC postoje u mnogim gram-pozitivnim bakterijama. Proces formiranja pora CDC-a zahtijeva prisustvo holesterola na membranama ciljanih ćelija. Veličina pora koju stvara CDC je velika (25-30 nm), usljed oligomernog procesa citolizina; holesterol nije uvijek potreban u fazi lijepljenja. Naprimjer, intermedilizin zahtijeva samo prisustvo receptora proteina kada se vežu na ciljne ćelije a holesterol je potreban za formiranje pora.[19] Stvaranje pora kroz CDC uključuje dodatni korak od gore opisanih. Vodotopivi monomeri oligomeriziraju se da formiraju intermedijarni proizvod nazvan kompleks "prije pora" i tada β-bačvasti citolizin prodire u membranu.
^ abAlouf, J. E. "Pore-forming bacterial protein toxins: an overview." Pore-forming toxins. Springer Berlin Heidelberg, 2001. 1-14.
^Kaper J, Hacker J (2000) Pathogenicity islands and other mobile virulence elements. ASM, Washington D.C.
^Rossjohn, Jamie, et al. "Structure of a cholesterol-binding, thiol-activated cytolysin and a model of its membrane form." Cell 89.5 (1997): 685-692.
^Lally, Edward T., et al. "The interaction between RTX toxins and target cells." Trends in Microbiology 7.9 (1999): 356-361.
^Mayer, Manfred M. "Mechanism of cytolysis by complement." Proceedings of the National Academy of Sciences 69.10 (1972): 2954-2958.
^Gilbert, R. J. C. "Pore-forming toxins." Cellular and Molecular Life Sciences 59.5 (2002): 832-844.
^Branden and Tooze, Introduction to Protein Structure, second edition
^Song L. Z., Hobaugh M. R., Shustak C., Cheley S., Bayley H. and Gouaux J. E. (1996) Structure of staphylococcal alpha-hemolysin, a heptamertic transmembrane pore. Science 274:1859–1866
^Peters, Christopher, et al. "Trans-complex formation by proteolipid channels in the terminal phase of membrane fusion." Nature 409.6820 (2001): 581-588.
^Lazdunski CJ, Baty 0, Geli V, Cavard 0, Morlon J, Lloubes R, Howard SP, Knibiehler M, Chartier M,Varenne S, et al. (1988) The membrane channel-forming colicin A:synthesis, secretion, structure, action and immunity. Biochim Biophys Acta 947:445-464
^James R, Kleanthous C, Moore GR (1996) The biology of E-colicins - paradigms and paradoxes. Microbiology UK 142:1569-1580
^Skals, Marianne, and Helle A. Praetorius. "Mechanisms of cytolysin‐induced cell damage–a role for auto‐and paracrine signalling." Acta Physiologica 209.2 (2013): 95-113.
^Heuck, Alejandro P., Paul C. Moe, and Benjamin B. Johnson. "The cholesterol-dependent cytolysin family of gram-positive bacterial toxins." Cholesterol Binding and Cholesterol Transport Proteins:. Springer Netherlands, 2010. 551-577.
