Tossine batteriche

5/16/2018 Tossine batteriche - slidepdf.com

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Tossine batteriche

Da oggi parliamo di tossine batteriche. E’ un argomento molto vasto, credo che mi ci vorranno vari

post per esaurirlo, ma credo che sia uno degli argomenti più affascinanti. I batteri infatti possonoessere dannosi in molti modi, a volte basta la colonizzazione di un qualche tessuto, a volte invadono

le cellule, a volte scatenano reazioni immunitarie molto forti, tali da danneggiare l’ospite, ma esistono

alcune molecole che vengono prodotte dai batteri che sono dei veri e propri veleni, che di per sé,

senza la presenza del patogeno, sono in grado di fare danni e che spesso sono il solo o il principale

bersaglio delle terapie messe in atto per la cura di una qualche malattia.

Esistono due tipi di tossine: l’endotossina e le esotossine. La distinzione tra la prima e le altre è che

l’endotossina è una componente dei batteri, precisamente è una parte della parete dei Gram negativi:

l’ LPS o lipopolisaccaride; le esotossine sono invece prodotti proteici e svolgono la loro azione tossica

quando vengono eliminati all’esterno della cellula, spesso coinvolgendo vari enzimi cellulari.

Endotossina

Come abbiamo già visto parlando di colorazione di Gram, l’LPS è formato da una parte chiamata

antigene O, un core polisaccaridico e un lipide A. E’ proprio quest’ultimo ad essere la vera e propria

tossina, anche se probabilmente la regione polisaccaridica ha un ruolo importante sia per la sua

solubilità, sia per la struttura stessa della tossina. La sua natura chimica, inoltre, le dona proprietà

termostatiche e difficilmente è immunogena.

L’azione di questa tossina è molto complessa. Per cominciare possiamo dire che viene riconosciuta

dal CD14 dei macrofagi e successivamente dal Toll like receptor o TLR: LPS lega particolari proteine

chiamate LPS binding proteins o LBP , il complesso formato si lega al CD14, a questo punto l’intero

complesso lega il TLR che si occupa della trasduzione del segnale all’interno del macrofago. Ilsegnale inviato alla cellula è quello di produrre Tumor Necrosis Factor (TNF ) e Interleuchina – 1 ( IL-

1). Queste due citochine sono in grado di stimolare l’aumento della febbre, diminuire il metabolismo

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del ferro, agire sulle cellule endoteliali per aumentare la permeabilità vasale e vasodilatazione ,

causando quindi una diminuzione della pressione con conseguente shock emodinamico.

Allo stesso tempo l’LPS è in grado di aumentare l’effetto sulla circolazione in molti modi:

amplificando l’azione del TNF e di IL-1 andando ad agire sui linfociti T (che produrranno interferon

– γ che stimolerà ulteriormente i macrofagi); attivando il complemento, che è in grado di danneggiarei vasi, aumentando lo shock; può stimolare la coagulazione tramite le piastrine, causando coaguli nei

vasi (una condizione chiamata CID, o coagulazione intravasale disseminata). Infine agendo sul

fegato stimola ancor di più l’infiammazione e causa ipoglicemia.

Perché questa reazione violenta nei confronti di questa tossina? Il caso descritto è quello più grave, in

cui ci si trova al cospetto di una setticemia da G-, in molti casi questo sitema funziona come un

finissimo allarme per l’invasione di patogeni e molto spesso riesce a spegnere i focolai d’infezione

molto prima che possa far danni. Alcuni studi infatti hanno fatto notare come cavie prive di TLR

(quindi incapaci di rispondere all’LPS) fossero estremamente sensibili alle infezioni da G-,

addirittura in dosi di uno o due batteri per inoculo, che normalmente un organismo sano riesce a

gestire senza problemi.

Esotossine batteriche

Esistono molteplici tipi di esotossine, tutte di natura proteica. In generale hanno ottime proprietà

antigeniche, sono termolabili (ad eccezione dell’enterotossine staffilococciche) e vengono distrutte

dai succhi gastrici (tranne per le enterotossine staffilococciche e per la tossina botulinica). Le azioni

di queste proteine sono varie, esistono infatti principalmente due tipi di interazioni con le cellule

ospiti: a livello di membrana e a livello di citosol. Le prime possono, ad esempio, alterare i legami

intercellulari, danneggiare la membrana o interferire con il signaling cellulare, le altre invece

interferiscono con meccanismi di regolazione enzimatica andando a modificare il metabolismo

cellulare.

Bersaglio: membrana cellulare

Le esotossine che hanno come bersaglio la struttura superficiale delle cellule sono di due tipi: tossina

esfoliativa e le tossine emolitiche



La tossina esfoliativa è prodotta dallo Staphylococcus aureus (in alto un modello), è monomerica e

ne esistono due tipi, chiamati A e B. E’ la causa della cosiddetta sindrome della cute

(pseudo)ustionata da stafilococco ( staphylococcal scalded skin syndrome o SSSS ), conosciuta anche

come malattia di Ritter o malattia di Lyell . E’ una patologia tipica degli infanti ed è dovuta alla

diffusione tramite il sangue della tossina (indipendente, quindi, dalla reale posizione dei batteri

nell’organismo). L’azione dannosa, risultante esattamente come ampie ustioni sulla pelle, è datadall’interazione con le proteine della matrice intercellulare a livello dello strato granuloso

dell’epidermide: la stabilità dello strato è compromessa e la pelle si danneggia al minimo insulto

meccanico.

Le tossine emolitiche, dette anche emolisine o

citolisine sono proteine capaci di uccidere le cellule bersaglio agendo sulla membrana plasmatica.

Esistono diversi tipi di emolisine: alcune, comuni a molti G+ e rappresentata come esempio dalla

emolisina α dello S. aureus, polimerizzano formando eptameri e, a livello di membrana, formano dei

pori, causando quindi uno scompenso della regolazione degli scambi della cellula con l’esterno e

mandando la cellula in apoptosi. Un sottogruppo abbastanza importante di queste tossine è quello

caratterizzato dalla presenza di un gruppo ‾SH, rapidamente inattivate dalla presenza di ossigeno e

per questo denominate emolisine O (o ossigeno-labili).

Un secondo gruppo di tossine emolitiche è quello chiamato RTX (repeats in toxin), il cui nome derivada una sequenza ricca in glicina ripetuta al C-terminale, che risulta importante per legare il calcio. Gli

esempi principali sono dati dalla tossina di Escherichia coli, da quella di Proteus vulgaris e dalla

leucocidina di Pasteurella haemolytica.

Poi c’è la tossina δ di S. aureus che ha un comportamento particolare: sembra funzioni da detergente.

Ha infatti una struttura comprendente zone idrofobiche e idrofiliche, andando così ad interferire con la

struttura fosfolipidica della membrana, oltre a formare dei canali che alternano lo scambio ionico.

Mentre tutte queste proteine possono avere un ventaglio pur ampio ma definito di bersagli, esistono

tossine batteriche con funzione di fosfolipasi molto meno specifiche. Probabilmente il motivo

dell’esistenza di queste tossine è quello di facilitare l’insediamento dei batteri nei tessuti dell’ospite o

anche per scopi nutrizionali. Esempi di questo tipo di emolisine sono la tossina α di Clostridium perfringens e l’emolisina β del solito S. aureus



Vediamo infine l’emolisina γ e la leucocidina di Panton-Valentine di S. aureus. Queste due tossine

sono prodotte da geni diversi che si combinano, la tossina finale è formata da almeno due subunità

diverse per entrambe. La prima è prodotta da tutti i ceppi di S. aureus, mentre la seconda solo dal 2-

3%, anche se è presente spesso nei casi di MRSA (Methicillin-resistant Staphylococcus aureus).

L’azione patogena è svolta sulle emazie e sui leucociti per la prima, solo sui leucociti per la seconda:

entrambe le tossine agiscono sui leucociti stimolando la produzione di citochine, PVL in particolare si pensa crei pori per il passaggio di ioni e attivi la fosfolipasi A2 alterando il signaling di membrana

Esistono diverse esotossine batteriche che agiscono a livello del citosol, interferendo con il normale

metabolismo cellulare. A seconda del batterio e della cellula bersaglio gli effetti sono diversi:

alterazioni del contenuto di cAMP, inibizione della sintesi proteica, azione neurotropa. Inoltre

esistono tossine che agiscono da superantigene, e la tossina carbonchiosa che ha un effetto peculiare.

In questi ultimi due post sulle tossine batteriche vedremo di capire meglio come funzionano, cercherò

di essere il più chiaro possibile.

Alterazione del contenuto di cAMP

Esistono due gruppi di tossine capaci di modificare il contenuto di cAMP: le prime sono tossine che

hanno un’attività enzimatica ADP-ribosilante, le quali agiscono alterando la funzionalità di una

serie di proteine G preposte alla regolazione dell’adenilato-ciclasi; le seconde sono invece tossine

che hanno una attività adenilato-ciclasica intrinseca.



Della prima specie di tossine fanno parte la tossina colerica, la tossina pertossica e la tossina

termolabile ( LT ) di Escherichia coli. Il minimo comun denominatore tra loro è che sono tutte tossine

di tipo A-B: sono divisibili infatti in due tipi di domini, quelli denominati con A sono importanti per

l’azione tossica all’interno della cellula, ma non sono in grado di entrarvi senza la parte B della

proteina, senza cioè i domini capaci di riconoscere i recettori, ma che di per sé non hanno attività

tossica.

La tossina colerica e la LT hanno azioni molto simili. Le proteine G sono composte da tre subunità: α,

che può avere azione stimolatoria (αs) o inibitoria (αi) sull’adenilato-ciclasi, e il complesso βγ che va

ad attivare varie cascate di segnale. Le due tossine hanno come bersaglio la subunità αs delle cellule

intestinali, di fatto attivandola perennemente. La conseguente attivazione dell’adenilato-ciclasi

aumenta la concentrazione di cAMP e, come conseguenza, il contenuto di elettroliti cellulare si altera:

ioni e acqua escono dalla cellula superando la capacità di assorbimento del colon e causando una

diarrea molto grave, che può portare a morte per disidratazione.

La tossina pertossica è prodotta da Bordetella pertussis e il suo bersaglio è invece la subunità

inibitoria, o αi, delle proteine G, di fatto inattivandola. Le cellule bersaglio sono varie, cambianoquindi gli effetti: inibizione della fagocitosi dei macrofagi, leucocitosi, aumentata produzione di

insulina… Comunque il bersaglio iniziale è la mucosa tracheo-bronchiale, che quindi porta, come

conseguenza, alla pertosse.

Della seconda specie fanno parte l’edema factor ( EF ) della tossina carbonchiosa, che vedremo più

avanti, e la tossina adenilato-ciclasi/emolisina, chiamata anche ciclolisina, prodotta anche questa da

B. pertussis. Le conseguenze dell’azione adenilato-ciclasica sono le stesse della tossina pertossica,

l’azione emolitica è data dalla sua capacità di creare pori nelle cellule eucariotiche, dei quali si pensa

si serva per entrare nelle cellule.

Inibizione della sintesi proteica

Le tossine che inibiscono la sintesi proteica sono la tossina difterica, prodotta dal Corynebacterium

diphtheriae, la tossina A, prodotta da Pseudomonas aeruginosa, e la tossina di Shiga prodotta da

Shigella dysenteriae e le tossine Shiga-like (SLT o tossine Vero) prodotte dai ceppi di Escherichia coli

enteroemorragici.

La tossina difterica e la tossina A hanno un meccanismo molto simile: entrambe hanno una struttura

A-B ed entrambe hanno una attività ADP-ribosilante non dissimile da quella colerica, ma il bersaglio

è la proteina EF-2, fondamentale per la sintesi proteica. Il complesso EF-2-ADP-ribosio che ne risulta

inattiva l’allungamento della sintesi proteica, portando quindi a morte la cellula.

La tossina di Shiga e le SLT hanno invece un meccanismo molto diverso. Entrano nelle cellule per

endocitosi mediata da recettori ed hanno un’attività catalitica N-glicosidasica, il cui bersaglio è

l’RNA ribosomiale 28s, contenuto nella subunità 60s. Il taglio al 3′ dell’rRNA 28s causa un mancato

legame, EF-1 dipendente, dell’aminoacil-tRNA al sito A del ribosoma, bloccando quindi la sintesi

proteica con conseguente morte cellulare.

Abbiamo ancora alcune tipologie di tossine batteriche da vedere, oggi le vedremo tutte: le tossine con

azione sul citoscheletro, la tossina carbonchiosa, le tossine neurotrope e i superantigeni

Alterazione del citoscheletro



La maggior parte delle tossine batteriche che agiscono sul citoscheletro hanno un meccanismo A-B,

ma le due subunità sono secrete separate e si uniscono solo in prossimità della membrana cellulare,

sono tutte ADP-ribosil-transferasi e il loro bersaglio è l’actina. Il prototipo di questo tipo di tossine

è la tossina C2 di Clostridium botulinum. Il batterio secerne C2I e C2II (rispettivamente subunità A e

B) separati, quando C2II lega il recettore lega anche C2I e ne causa l’ingresso. L’azione di C2I è tale

che causa morte cellulare molto rapidamente e, nelle cavie, il DL 50 della tossina si aggira intorno a 5-50 ng.

Da ricordare inoltre il fattore citotossico necrotizzante (CNF-1 e CNF-2) di ceppi uropatogeni di

Escherichia coli, che agisce sul signaling di membrana tramite proteine G, e la tossina

dermonecrotica di Bordetella spp.

Esotossina carbonchiosa

L’esotossina del Bacillus anthracis è composta da tre distinte componenti, nessuno dei quali tossico

di per sé: Edema Factor (EF), o fattore I; Protective Antigen (PA), o fattore II; Lethal Factor (LF), o

fattore III. EF e LF sono il componente A della tossina, mentre PA è il componente B. Il meccanismo

d’azione (qui un’immagine) è piuttosto complesso:

PA, una proteina di circa 83 kDa, lega un recettore (ATR, anthrax toxin receptor ) e viene attaccato da

una proteasi che ne taglia via circa 20 kDa. la parte rimanente, chiamata p63, è ora in grado di legare

EF e LF, avvenuto il legame la tossina è endocitata nella cellula.

EF è una adenilato ciclasi attivata dalla calmodulina, che aumenta la concentrazione di cAMP, la cui

conseguenza è l’edema.

LF è una metalloproteasi capace di attivare la cascata di segnale delle MAP kinasi, sfociando nella

attivazione del fattore NF-κB. Il bersaglio preferito dalla tossina batterica è rappresentato dai

macrofagi, che con l’attivazione di NF-κB, rilasciano ingenti quantità di citochine, tra cui il tumor

necrosis factor-α e l’interleuchina-1β (TNF-α e IL-1β), che portano a shock e sono responsabili dellaletalità della tossina. La tossina del carbonchio è prodotta dal plasmide pX-01, mentre il plasmide pX-

02 produce la capsula, che è un altro fattore di virulenza del batterio. La perdita di pX-01 per le alte

temperature porta alla formazione di un batterio attenuato non virulento, la perdita di pX-02 invece

porta ad una virulenza ridotta, da questi si può ricavare un vaccino.

Tossine neurotrope

Due specie di Clostridium producono le tossine neurotrope: C. tetanii e C. botulinum, i quali

rispettivamente producono tossine capaci di causare una paralisi spastica o flaccida.

Per capire come funzionano queste due tossine prima di tutto bisogna capire come funziona ilmovimento muscolare collegandolo al sistema nervoso centrale. Mettiamo il caso in cui vogliamo

flettere un braccio. Normalmente il cervello manderà i suoi impulsi alla spina dorsale, da lì partirà il

nervo che passerà l’impulso alla giunzione neuromuscolare e darà il comando al bicipite di contrarsi.

Il tricipite risponde con una distensione. Questa distensione manda un impulso al midollo spinale che

chiede una nuova contrazione, che non avviene solo perché esiste, sempre nel midollo spinale, un

neurone che ha ricevuto l’impulso dal cervello di inibire questa contrazione riflessa e che agisce sugli

stessi motoneuroni su cui agisce l’impulso riflesso di contrazione.

C. tetanii produce una tossina di 150 kDa, che viene tagliata in due parti (Heavy o H e Light o L) di

50 e 100 kDa, unite da un ponte disolfuro, di cui la più pesante funziona come parte B della tossina.

La tossina tetanica agisce legando i recettori dell’acido γ-amminobutirrico (GABA) nelle sinapsi tra i

neuroni inibitori della contrazione riflessa e i motoneuroni: il risultato è che tutti i muscoli sono

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contratti contemporaneamente (paralisi spastica) portando alla classica posa del malato grave di

tetano (opistotono qui) e che comincia con una smorfia sulle labbra chiamata trisma.

C. botulinum è ampiamente presente e produce una proteina capace di resistere agli acidi dello

stomaco, ma non alle alte temperature (quindi non presente negli alimenti trattati in maniera

adeguata): il botulino è quindi una intossicazione alimentare. La tossina botulinica ha un DL50

bassisimo, per il topo è di circa 10-10 g, e questo ne fa una delle tossine più potenti in natura. La sua

azione è quella di inibire il rilascio di acetilcolina nei motoneuroni, questo porta all’impossibilità di

contrarre qualunque muscolo e ad una paralisi chiamata paralisi flaccida.

Superantigeni

Alla classe dei superantigeni appartengono alcune enterotossine staffilococciche (SE) e la tossina

dello shock tossico (TSST) di Staphilococcus aureus, le tossine pirogene streptococciche (SPE) e il

superantigene streptococcico di Streptococcus pyogenes. La dicitura di “superantigene” è data loro

perché attivano in maniera abnorme il sistema immunitario, causando una elevatissima secrezione di

citochine e interleuchine che a loro volta causano shock. Il motivo di questo meccanismo è che

formano un ponte tra l’MHC delle cellule presentanti l’antigene (APC) come i macrofagi e il TCR dei

linfociti. Normalmente il legame TCR-antigene-MHC è breve e specifico, perché il recettore del

linfocita è molto selettivo, il linfocita si moltiplica e produce citochine. Questo superantigene invece

lega una regione di MHC che normalmente non fa parte della normale presentazione dell’antigene,

con la conseguenza che lega il TCR in maniera aspecifica (quindi lega tutti i linfociti presenti,

indipendentemente dalla loro specificità) e più intensa (qui un’immagine). Questo, oltre a portare uno

shock per l’azione della gigantesca attivazione linfocitaria, porta anche ad un abbassamento delle

difese immunitarie, perché la moltiplicazione è stata aspecifica, e quindi c’è un effetto diversivo

rispetto all’infezione in atto

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