Informație

12.3: Factorii de virulență în infecție - Biologie


obiective de invatare

  • Explicați modul în care factorii de virulență contribuie la semnele și simptomele bolilor infecțioase
  • Faceți diferența între endotoxine și exotoxine
  • Descrieți și diferențiați diferitele tipuri de exotoxine
  • Descrieți factorii de virulență unici pentru ciuperci și paraziți
  • Comparați factorii de virulență ai ciupercilor și bacteriilor
  • Explicați diferența dintre paraziții protozoare și helmintii
  • Descrieți modul în care helmintii evită sistemul imunitar al gazdei
  • Descrieți mecanismele utilizate de viruși pentru aderență și variație antigenică

În secțiunea anterioară, am explicat că unii agenți patogeni sunt mai virulenti decât alții. Acest lucru se datorează factorilor de virulență unici produși de agenții patogeni individuali, care determină gradul și severitatea bolii pe care aceștia le pot provoca. Factorii de virulență ai unui agent patogen sunt codificați de gene care pot fi identificate. Când genele care codifică factorii de virulență sunt inactivate, virulența în agentul patogen este diminuată. În această secțiune, vom examina diferite tipuri și exemple specifice de factori de virulență și modul în care acestea contribuie la fiecare etapă a patogenezei.

Factorii de virulență pentru adeziune

După cum sa discutat în secțiunea anterioară, primii doi pași în patogenie sunt expunerea și aderența. Amintiți-vă că o adezină este o structură, cum ar fi o proteină sau glicoproteină, care se găsește pe suprafața unui agent patogen care se atașează la receptorii de pe celula gazdă. Adezinele se găsesc pe agenți patogeni bacterieni, virali, fungici și protozoare. Un exemplu de adezină bacteriană este adezina fimbrială de tip 1, o moleculă găsită pe vârfurile fimbriilor enterotoxigenice. E coli (ETEC). Amintiți-vă că fimbriae sunt peri de proteine ​​ca părul de pe suprafața celulei. Adezina fimbrială de tip 1 permite fimbriei celulelor ETEC să se atașeze la glicoane de manoză exprimate pe celulele epiteliale intestinale. Tabelul ( PageIndex {1} ) listează adezinele obișnuite găsite în unii dintre agenții patogeni despre care am discutat sau pe care îi vom vedea mai târziu în acest capitol.

Tabel ( PageIndex {1} ): Unele adezine bacteriene și site-urile lor de atașare a gazdei
PatogenBoalăAdezinaSite de atașament
Streptococcus pyogenesStrept gâtProteina FCelulele epiteliale respiratorii
Streptococcus mutansCarii dentareAdezina P1Dinții
Neisseria gonorrhoeaeGonoreePili tip IVCelulele epiteliale uretrale
Enterotoxigenic E coli (ETEC)Diareea călătoruluiFimbrii de tip 1Celulele epiteliale intestinale
Vibrio choleraeHolerăN-metilfenilalanină piliCelulele epiteliale intestinale

Focus clinic: partea 3

Prezența bacteriilor în sângele lui Michael este un semn de infecție, deoarece sângele este în mod normal steril. Nu există nicio indicație că bacteriile au pătruns în sânge printr-o leziune. În schimb, se pare că portalul de intrare a fost calea gastro-intestinală. Pe baza simptomelor lui Michael, a rezultatelor analizei sale de sânge și a faptului că Michael a fost singurul din familie care a participat la hot dog, medicul suspectează că Michael suferă de un caz de listerioză.

Listeria monocytogenes, agentul patogen intracelular facultativ care cauzează listerioza, este un contaminant obișnuit în alimentele gata consumate, cum ar fi carnea de prânz și produsele lactate. Odată ingerate, aceste bacterii invadează celulele epiteliale intestinale și se translocează în ficat, unde cresc în interiorul celulelor hepatice. Listerioza este fatală la aproximativ una din cinci persoane sănătoase normale, iar ratele mortalității sunt puțin mai mari la pacienții cu afecțiuni preexistente care slăbesc răspunsul imun. Un grup de gene de virulență codate pe o insulă de patogenitate este responsabil pentru patogenitatea L. monocytogenes. Aceste gene sunt reglementate de un factor de transcripție cunoscut sub numele de factor de eliberare a lanțului peptidic 1 (PrfA). Una dintre genele reglementate de PrfA este hyl, care codifică o toxină cunoscută sub numele de listeriolizină O (LLO), care permite bacteriei să scape de vacuole la intrarea într-o celulă gazdă. O a doua genă reglementată de PrfA este actA, care codifică o proteină de suprafață cunoscută sub numele de proteină care induce asamblarea actinei (ActA). ActA este exprimat pe suprafața Listeria și polimerizează actina gazdă. Acest lucru permite bacteriei să producă cozi de actină, să se deplaseze în jurul citoplasmei celulei și să se răspândească de la celulă la celulă fără a ieși în compartimentul extracelular.

Starea lui Michael a început să se înrăutățească. Acum se confruntă cu un gât rigid și hemipareză (slăbiciune a unei părți a corpului). Îngrijorat de faptul că infecția se răspândește, medicul decide să efectueze teste suplimentare pentru a determina ce cauzează aceste noi simptome.

Exercițiu ( PageIndex {1} )

  1. Ce fel de agent patogen cauzează listerioza și ce factori de virulență contribuie la semnele și simptomele pe care le întâmpină Michael?
  2. Este probabil ca infecția să se răspândească din sângele lui Michael? Dacă da, cum ar putea explica acest lucru noile sale simptome?

Exoenzimele și toxinele bacteriene ca factori de virulență

După expunere și adeziune, următorul pas în patogeneză este invazia, care poate implica enzime și toxine. Mulți agenți patogeni realizează invazia intrând în fluxul sanguin, un mijloc eficient de diseminare, deoarece vasele de sânge trec aproape de fiecare celulă din corp. Dezavantajul acestui mecanism de dispersie este că sângele include și numeroase elemente ale sistemului imunitar. Diverși termeni care se termină cu –emia sunt folosiți pentru a descrie prezența agenților patogeni în fluxul sanguin. Prezența bacteriilor în sânge se numește bacteremie. Bacteremia care implică piogeni (bacterii care formează puroi) se numește piemie. Când virusurile se găsesc în sânge, se numește viremie. Termenul de toxemie descrie starea în care toxinele se găsesc în sânge. Dacă bacteriile sunt prezente și se multiplică în sânge, această afecțiune se numește septicemie.

Pacienții cu septicemie sunt descriși ca fiind septici, ceea ce poate duce la șoc, o scădere care pune viața în pericol a tensiunii arteriale (presiune sistolică <90 mm Hg) care împiedică celulele și organele să primească suficient oxigen și substanțe nutritive. Unele bacterii pot provoca șocuri prin eliberarea de toxine (factori de virulență care pot provoca leziuni tisulare) și pot duce la scăderea tensiunii arteriale. Bacteriile gram-negative sunt înghițite de fagocitele sistemului imunitar, care eliberează apoi factorul de necroză tumorală, o moleculă implicată în inflamație și febră. Factorul de necroză tumorală se leagă de capilarele sanguine pentru a le crește permeabilitatea, permițând fluidelor să treacă din vasele de sânge și în țesuturi, provocând umflături sau edeme (Figura ( PageIndex {1} )). Cu concentrații mari de factor de necroză tumorală, reacția inflamatorie este severă și se pierde suficient lichid din sistemul circulator, încât tensiunea arterială scade la niveluri periculos de scăzute. Acest lucru poate avea consecințe grave, deoarece inima, plămânii și rinichii se bazează pe tensiunea arterială normală pentru o funcționare corectă; astfel, pot apărea insuficiență multi-organe, șoc și moarte.

Exoenzime

Unii agenți patogeni produc enzime extracelulare sau exoenzime, care le permit să invadeze celulele gazdă și țesuturile mai profunde. Exoenzimele au o mare varietate de ținte. Unele clase generale de exoenzime și agenți patogeni asociați sunt listate în Tabelul ( PageIndex {2} ). Fiecare dintre aceste exoenzime funcționează în contextul unei anumite structuri tisulare pentru a facilita invazia sau a-și susține propria creștere și a se apăra împotriva sistemului imunitar. De exemplu, hialuronidaza S, o enzimă produsă de agenți patogeni precum Staphylococcus aureus, Streptococcus pyogenes, și Clostridium perfringens, degradează glicozidul hilauronan (acid hialuronic), care acționează ca un ciment intercelular între celulele adiacente din țesutul conjunctiv (Figura ( PageIndex {2} )). Acest lucru permite agentului patogen să treacă prin straturile de țesut de la portalul de intrare și să se disemineze în altă parte a corpului (Figura ( PageIndex {2} )).

Tabel ( PageIndex {2} ): Unele clase de exoenzime și țintele lor
ClasăExempluFuncţie
GlicohidrolazeHialuronidază S în Staphylococcus aureusDegradează acidul hialuronic care cimentează celulele împreună pentru a favoriza răspândirea prin țesuturi
NucleazeADnse produse de S. aureusDegradează ADN-ul eliberat de celulele pe moarte (bacterii și celule gazdă) care pot prinde bacteriile, favorizând astfel răspândirea
FosfolipazeleFosfolipaza C a Bacillus anthracisDegradează bistratul fosfolipidic al celulelor gazdă, provocând liza celulară și degradează membrana fagozomilor pentru a permite evadarea în citoplasmă
ProteazeColagenaza în Clostridium perfringensDegradează colagenul în țesutul conjunctiv pentru a favoriza răspândirea

Nucleaze produse de agenți patogeni, cum ar fi ADNse produse de S. aureus, degradează ADN-ul extracelular ca mijloc de evadare și răspândire prin țesut. Deoarece celulele bacteriene și gazdă mor la locul infecției, acestea se lizează și își eliberează conținutul intracelular. Cromozomul ADN este cea mai mare dintre moleculele intracelulare, iar masele de ADN extracelular pot captura bacteriile și preveni răspândirea lor. S. aureus produce o DNAse pentru a degrada rețeaua de ADN extracelular, astfel încât să poată scăpa și să se răspândească în țesuturile adiacente. Această strategie este utilizată și de S. aureus și alți agenți patogeni pentru degradarea și evadarea rețelelor de ADN extracelular produse de fagocitele sistemului imunitar pentru a prinde bacteriile.

Enzimele care degradează fosfolipidele membranelor celulare se numesc fosfolipaze. Acțiunile lor sunt specifice în ceea ce privește tipul de fosfolipide asupra cărora acționează și unde scindează enzimatic moleculele. Agentul patogen responsabil de antrax, B. anthracis, produce fosfolipaza C. Când B. anthracis este ingerat de celulele fagocitare ale sistemului imunitar, fosfolipaza C degradează membrana fagozomului înainte de a se putea contopi cu lizozomul, permițând agentului patogen să scape în citoplasmă și să se înmulțească. Fosfolipazele pot viza, de asemenea, membrana care închide fagozomul în celulele fagocitare. Așa cum a fost descris mai devreme în acest capitol, acesta este mecanismul utilizat de agenții patogeni intracelulari, cum ar fi L. monocytogenes și Rickettsia să scape de fagozom și să se înmulțească în citoplasma celulelor fagocitare. Rolul fosfolipazelor în virulența bacteriană nu este limitat la evadarea fagozomală. Mulți agenți patogeni produc fosfolipaze care acționează pentru degradarea membranelor celulare și provoacă liza celulelor țintă. Aceste fosfolipaze sunt implicate în liza globulelor roșii, a globulelor albe și a celulelor tisulare.

Agenții patogeni bacterieni produc, de asemenea, diverse enzime digestive ale proteinelor sau proteaze. Proteazele pot fi clasificate în funcție de substratul lor țintă (de exemplu, serinele proteaze vizează proteinele cu aminoacidul serină) sau dacă conțin metale în situsul lor activ (de exemplu, metaloproteazele de zinc conțin un ion de zinc, care este necesar pentru activitatea enzimatică).

Un exemplu de protează care conține un ion metalic este exoenzima colagenază. Colagenaza digeră colagenul, proteina dominantă din țesutul conjunctiv. Colagenul poate fi găsit în matricea extracelulară, în special lângă membranele mucoasei, vasele de sânge, nervi și în straturile pielii. Similar cu hialuronidaza, colagenaza permite agentului patogen să pătrundă și să se răspândească prin țesutul gazdă prin digestia acestei proteine ​​de țesut conjunctiv. Colagenaza produsă de bacteria gram-pozitivă Clostridium perfringens, de exemplu, permite bacteriei să-și croiască drum prin straturile de țesut și ulterior să intre și să se înmulțească în sânge (septicemie). C. perfringens apoi folosește toxine și o fosfolipază pentru a provoca liza celulară și necroză. Odată ce celulele gazdă au murit, bacteria produce gaze prin fermentarea glucidelor musculare. Necroza pe scară largă a țesuturilor și a gazelor însoțitoare sunt caracteristice stării cunoscute sub numele de gangrena gazoasă (Figura ( PageIndex {3} )).

Toxine

Pe lângă exoenzime, anumiți agenți patogeni sunt capabili să producă toxine, otrăvuri biologice care ajută la capacitatea lor de a invada și de a provoca leziuni ale țesuturilor. Capacitatea unui agent patogen de a produce toxine pentru a provoca daune celulelor gazdă se numește toxigenicitate.

Toxinele pot fi clasificate ca endotoxine sau exotoxine. Lipopolizaharida (LPS) găsită pe membrana exterioară a bacteriilor gram-negative se numește endotoxină (Figura ( PageIndex {4} )). În timpul infecției și bolilor, agenții patogeni bacterieni gram-negativi eliberează endotoxină fie atunci când celula moare, ducând la dezintegrarea membranei, fie când bacteria suferă fisiune binară. Componenta lipidică a endotoxinei, lipida A, este responsabilă pentru proprietățile toxice ale moleculei LPS. Lipida A este relativ conservată în diferite genuri de bacterii gram-negative; prin urmare, proprietățile toxice ale lipidei A sunt similare indiferent de agentul patogen gram-negativ. Într-un mod similar cu cel al factorului de necroză tumorală, lipida A declanșează răspunsul inflamator al sistemului imunitar. Dacă concentrația de endotoxină în organism este scăzută, răspunsul inflamator poate oferi gazdei o apărare eficientă împotriva infecției; pe de altă parte, concentrațiile mari de endotoxină din sânge pot provoca un răspuns inflamator excesiv, ducând la o scădere severă a tensiunii arteriale, insuficiență multi-organe și moarte.

O metodă clasică de detectare a endotoxinei este utilizarea Limulus testul lizatului amebocitar (LAL). În această procedură, celulele sanguine (amebocite) ale crabului potcoavă (Limulus polyphemus) se amestecă cu serul unui pacient. Amebocitele vor reacționa la prezența oricărei endotoxine. Această reacție poate fi observată fie cromogen (culoare), fie căutând coagulare (reacție de coagulare) care să apară în ser. O metodă alternativă care a fost utilizată este o analiză imunosorbentă legată de enzime (ELISA) care utilizează anticorpi pentru a detecta prezența endotoxinei.

Spre deosebire de lipida toxică A a endotoxinei, exotoxinele sunt molecule de proteine ​​care sunt produse de o mare varietate de bacterii patogene vii. Deși unii agenți patogeni gram-negativi produc exotoxine, majoritatea sunt produși de agenți patogeni gram-pozitivi. Exotoxinele diferă de endotoxină prin alte câteva caracteristici cheie, rezumate în Tabelul ( PageIndex {3} ). Spre deosebire de endotoxină, care stimulează un răspuns inflamator sistemic general la eliberare, exotoxinele sunt mult mai specifice în acțiunea lor și celulele cu care interacționează. Fiecare exotoxină vizează receptori specifici pe celule specifice și dăunează acelor celule prin mecanisme moleculare unice. Endotoxina rămâne stabilă la temperaturi ridicate și necesită încălzire la 121 ° C (250 ° F) timp de 45 de minute pentru a se dezactiva. În schimb, majoritatea exotoxinelor sunt labile la căldură datorită structurii lor proteice și multe sunt denaturate (inactivate) la temperaturi peste 41 ° C (106 ° F). După cum sa discutat anterior, endotoxina poate stimula un răspuns inflamator letal la concentrații foarte mari și are un LD măsurat50 de 0,24 mg / kg. Prin contrast, concentrații foarte mici de exotoxine pot fi letale. De exemplu, toxina botulinică, care provoacă botulism, are un LD50 de 0,000001 mg / kg (240.000 de ori mai letal decât endotoxina).

Tabel ( PageIndex {3} ): Compararea endotoxinei și exotoxinelor produse de bacterii
CaracteristicăEndotoxinăExotoxină
SursăBacterii gram-negativeBacterii gram-pozitive (în primul rând) și gram-negative
CompoziţieLipidă O componentă a lipopolizaharideiProteină
Efect asupra gazdeiSimptome sistemice generale de inflamație și febrăDeteriorarea specifică a celulelor dependente de țintirea celulelor mediată de receptor și mecanismele specifice de acțiune
Stabilitate la căldurăStabil la căldurăMajoritatea sunt labil la căldură, dar unele sunt stabile la căldură
LD50ÎnaltScăzut

Exotoxinele pot fi grupate în trei categorii pe baza țintei lor: țintirea intracelulară, perturbarea membranei și superantigenele. Tabelul ( PageIndex {4} ) oferă exemple de toxine bine caracterizate în cadrul fiecăreia dintre aceste trei categorii.

Tabel ( PageIndex {4} ): Unele exotoxine comune și agenți patogeni bacterieni asociați
CategorieExempluPatogenMecanism și boală
Toxine care vizează intracelularToxina holereiVibrio choleraeActivarea adenilat ciclazei în celulele intestinale, determinând creșterea nivelului de adenozin monofosfat ciclic (AMPc) și secreția de fluide și electroliți din celulă, provocând diaree
Toxină tetanosăClostridium tetaniInhibă eliberarea neurotransmițătorilor inhibitori în sistemul nervos central, provocând paralizie spastică
Toxina botulinicăClostridium botulinumInhibă eliberarea neurotransmițătorului acetilcolină din neuroni, rezultând paralizie flască
Toxina diftericăCorynebacterium diphtheriaeInhibarea sintezei proteinelor, provocând moartea celulară
Toxine care perturbă membranaStreptolizinăStreptococcus pyogenesProteine ​​care se asamblează în pori în membranele celulare, perturbându-le funcția și ucigând celula
PneumolizinăStreptococcus pneumoniae
Alfa-toxinaStaphylococcus aureus
Alfa-toxinaClostridium perfringensFosfolipazele care degradează fosfolipidele membranei celulare, perturbând funcția membranei și distrugând celula
Fosfolipaza CPseudomonas aeruginosa
Beta-toxinăStaphylococcus aureus
SuperantigeneToxina sindromului șocului toxicStaphylococcus aureusStimulează activarea excesivă a celulelor sistemului imunitar și eliberarea de citokine (mediatori chimici) din celulele sistemului imunitar. Rezultatul este febra, inflamația și șocul care pun viața în pericol.
Exotoxină mitogenică streptococicăStreptococcus pyogenes
Toxine pirogene streptocociceStreptococcus pyogenes

Toxinele de țintire intracelulară cuprind două componente: A pentru activitate și B pentru legare. Astfel, aceste tipuri de toxine sunt cunoscute sub numele de exotoxine A-B (Figura ( PageIndex {5} )). Componenta B este responsabilă pentru specificitatea celulară a toxinei și mediază atașarea inițială a toxinei la receptorii specifici ai suprafeței celulare. Odată ce toxina A-B se leagă de celula gazdă, este adusă în celulă prin endocitoză și prinsă într-un vacuol. Subunitățile A și B se separă pe măsură ce vacuolul se acidifică. Subunitatea A intră apoi în citoplasma celulară și interferează cu funcția celulară internă specifică pe care o vizează.

Patru exemple unice de toxine A-B sunt toxine difterice, holerice, botulinice și tetanice. Toxina difterică este produsă de bacteria gram-pozitivă Corynebacterium diphtheriae, agentul cauzal al difteriei nazofaringiene și cutanate. După ce subunitatea A a toxinei difterice se separă și câștigă acces la citoplasmă, facilitează transferul de adenozin difosfat (ADP) -riboză pe o proteină cu factor de alungire (EF-2) necesară pentru sinteza proteinelor.Prin urmare, toxina difterică inhibă sinteza proteinelor în celula gazdă, ucigând celula (Figura ( PageIndex {6} )).

Toxina holerei este o enterotoxină produsă de bacteria gram-negativă Vibrio cholerae și este compus dintr-o subunitate A și cinci subunități B. Mecanismul de acțiune al toxinei holerei este complex. Subunitățile B se leagă de receptorii de pe celula epitelială intestinală a intestinului subțire. După intrarea în citoplasma celulei epiteliale, subunitatea A activează o proteină G intracelulară. Proteina G activată, la rândul său, duce la activarea enzimei adenil ciclază, care începe să producă o creștere a concentrației de AMP ciclic (o moleculă de mesagerie secundară). AMPc crescut perturbă fiziologia normală a celulelor epiteliale intestinale și le determină să secrete cantități excesive de lichide și electroliți în lumenul tractului intestinal, rezultând diaree severă „scaun de orez-apă” caracteristică holerei.

Toxina botulinică (cunoscută și sub numele de botox) este o neurotoxină produsă de bacteria gram-pozitivă Clostridium botulinum. Este cea mai acută substanță toxică cunoscută până în prezent. Toxina este compusă dintr-o subunitate ușoară A și o subunitate B cu lanț proteic greu. Subunitatea B se leagă de neuroni pentru a permite toxinei botulinice să pătrundă în neuroni la joncțiunea neuromusculară. Subunitatea A acționează ca o protează, scindând proteinele implicate în eliberarea neuronului de acetilcolină, o moleculă de neurotransmițător. În mod normal, neuronii eliberează acetilcolină pentru a induce contracții ale fibrelor musculare. Capacitatea toxinei de a bloca eliberarea acetilcolinei are ca rezultat inhibarea contracțiilor musculare, ducând la relaxarea musculară. Acest lucru are potențialul de a opri respirația și de a provoca moartea. Datorită acțiunii sale, concentrațiile scăzute de botox sunt utilizate pentru procedurile cosmetice și medicale, inclusiv îndepărtarea ridurilor și tratamentul vezicii urinare hiperactive.

O altă neurotoxină este toxina tetanosă, care este produsă de bacteria gram-pozitivă Clostridium tetani. Această toxină are, de asemenea, o subunitate ușoară A și o subunitate B cu lanț proteic greu. Spre deosebire de toxina botulinică, toxina tetanică se leagă de interneuronii inhibitori, care sunt responsabili pentru eliberarea neurotransmițătorilor inhibitori glicină și acid gamma-aminobutiric (GABA). În mod normal, acești neurotransmițători se leagă de neuroni la joncțiunea neuromusculară, rezultând inhibarea eliberării acetilcolinei. Toxina tetanică inhibă eliberarea glicinei și GABA din interneuron, rezultând contracția musculară permanentă. Primul simptom este de obicei rigiditatea maxilarului (lockjaw). Urmează spasme musculare violente în alte părți ale corpului, culminând de obicei cu insuficiență respiratorie și moarte. Figura ( PageIndex {7} ) arată acțiunile atât ale toxinelor botulinice, cât și ale tetanosului.

Toxinele care perturbă membrana afectează funcția membranei celulare fie prin formarea de pori, fie prin întreruperea stratului fosfolipidic din membranele celulei gazdă. Două tipuri de exotoxine care perturbă membrana sunt hemolizinele și leucocidinele, care formează porii în membranele celulare, provocând scurgerea conținutului citoplasmatic și liza celulară. Se crede că aceste toxine vizau celulele roșii din sânge (eritrocite) și respectiv celulele albe din sânge (leucocite), dar acum știm că pot afecta și alte celule. Bacteria gram-pozitivă Streptococcus pyogenes produce streptolizine, hemolizine solubile în apă care se leagă de fragmentele de colesterol din membrana celulei gazdă pentru a forma un por. Cele două tipuri de streptolizine, O și S, sunt clasificate prin capacitatea lor de a provoca hemoliză în eritrocite în absența sau prezența oxigenului. Streptolizina O nu este activă în prezența oxigenului, în timp ce streptolizina S este activă în prezența oxigenului. Alte toxine importante care perturbă membrana care formează porii includ toxina alfa a Staphylococcus aureus și pneumolizină a Streptococcus pneumoniae.

Fosfolipazele bacteriene sunt toxine care perturbă membrana, care degradează bistratul fosfolipidic al membranelor celulare mai degrabă decât formează porii. Am discutat deja despre fosfolipazele asociate B. anthracis, L. pneumophila, și Rickettsia specii care permit acestor bacterii să efectueze liza fagozomilor. Aceleași fosfolipaze sunt și hemolizine. Alte fosfolipaze care funcționează ca hemolizine includ toxina alfa a Clostridium perfringens, fosfolipaza C a P. aeruginosa, și toxina beta a Staphylococcus aureus.

Unele tulpini de S. aureus produc, de asemenea, o leucocidină numită Panton-Valentine leucocidin (PVL). PVL constă din două subunități, S și F. Componenta S acționează ca subunitatea B a unei exotoxine A-B prin faptul că se leagă de glicolipide pe membrana plasmatică exterioară a celulelor animale. Componenta F acționează ca subunitatea A a unei exotoxine A-B și poartă activitatea enzimatică. Toxina se introduce și se asamblează într-un por din membrană. Genele care codifică PVL sunt mai frecvent prezente în S. aureus tulpini care provoacă infecții ale pielii și pneumonie.1 PVL promovează infecțiile pielii provocând edem, eritem (înroșirea pielii din cauza dilatării vaselor de sânge) și necroză a pielii. Sa demonstrat că PVL provoacă pneumonie necrozantă. PVL promovează efecte proinflamatorii și citotoxice asupra leucocitelor alveolare. Acest lucru are ca rezultat eliberarea enzimelor din leucocite, care, la rândul lor, cauzează leziuni ale țesutului pulmonar.

A treia clasă de exotoxine este superantigenele. Acestea sunt exotoxine care declanșează o stimulare excesivă, nespecifică, a celulelor imune pentru a secreta citokine (mesageri chimici). Producția excesivă de citokine, denumită adesea o furtună de citokine, provoacă un răspuns imun și inflamator puternic care poate provoca febre mari care pun viața în pericol, tensiune arterială scăzută, insuficiență multi-organe, șoc și moarte. Prototipul superantigenului este toxina sindromului șocului toxic al S. aureus. Majoritatea cazurilor de sindrom de șoc toxic sunt asociate cu colonizarea vaginală prin producerea de toxine S. aureus la femeile menstruate; cu toate acestea, poate apărea și colonizarea altor situri ale corpului. Unele tulpini de Streptococcus pyogenes produc, de asemenea, superantigeni; acestea sunt denumite exotoxine mitogene streptococice și toxine pirogene streptococice.

Exercițiu ( PageIndex {2} )

  1. Descrieți cum contribuie exoenzimele la invazia bacteriană.
  2. Explicați diferența dintre exotoxine și endotoxină.
  3. Numiți cele trei clase de exotoxine.

Factorii de virulență pentru supraviețuirea în gazdă și evaziunea imună

Evitarea sistemului imunitar este, de asemenea, importantă pentru invazivitate. Bacteriile folosesc o varietate de factori de virulență pentru a evita fagocitoza de către celulele sistemului imunitar. De exemplu, multe bacterii produc capsule, care sunt utilizate în aderență, dar, de asemenea, ajută la evaziunea imunitară prin prevenirea ingestiei de către fagocite. Compoziția capsulei împiedică celulele imune să poată adera și apoi fagocitează celula. În plus, capsula mărește celula bacteriană mult mai mare, ceea ce face mai greu pentru celulele imune să înghită agentul patogen (Figura ( PageIndex {8} )). O bacterie notabilă producătoare de capsule este agentul patogen gram-pozitiv Streptococcus pneumoniae, care provoacă pneumonie pneumococică, meningită, septicemie și alte infecții ale tractului respirator. Tulpini încapsulate de S. pneumoniae sunt mai virulente decât tulpinile necapsulate și sunt mai predispuse să invadeze fluxul sanguin și să provoace septicemie și meningită.

Unii agenți patogeni pot produce, de asemenea, proteaze pentru a se proteja împotriva fagocitozei. După cum se va discuta mai târziu, sistemul imunitar uman produce anticorpi care se leagă de moleculele de suprafață găsite pe bacterii specifice (de exemplu, capsule, fimbrii, flageli, LPS). Această legare inițiază fagocitoza și alte mecanisme de ucidere și eliminare antibacteriană. Proteazele combate uciderea și eliminarea mediată de anticorpi prin atacarea și digerarea moleculelor de anticorpi (Figura ( PageIndex {8} )).

Pe lângă capsule și proteaze, unii agenți patogeni bacterieni produc alți factori de virulență care le permit să se sustragă sistemului imunitar. Fimbriile anumitor specii de streptococ conțin proteină M, care modifică suprafața streptococ și inhibă fagocitoza prin blocarea legării moleculelor de complement care ajută fagocitele la ingerarea agenților patogeni bacterieni. Bacteria acidă rapidă Mycobacterium tuberculosis (agentul cauzator al tuberculozei) produce o substanță cerată cunoscută sub numele de acid micolic în învelișul său celular. Când este înghițit de fagocite în plămâni, stratul protector de acid micolic permite bacteriei să reziste la unele mecanisme de ucidere din fagolizozom.

Unele bacterii produc factori de virulență care promovează infecția prin exploatarea moleculelor produse în mod natural de gazdă. De exemplu, majoritatea tulpinilor de Staphylococcus aureus produc exoenzima coagulază, care exploatează mecanismul natural de coagulare a sângelui pentru a se sustrage sistemului imunitar. În mod normal, coagularea sângelui este declanșată ca răspuns la deteriorarea vaselor de sânge; trombocitele încep să împingă cheagul și apare o cascadă de reacții în care fibrinogenul, o proteină solubilă produsă de ficat, este clivat în fibrină. Fibrina este o proteină insolubilă, asemănătoare firului, care se leagă de trombocitele din sânge, se leagă și se contractă pentru a forma o plasă de trombocite aglomerate și celule roșii din sânge. Cheagul rezultat previne pierderea ulterioară a sângelui din vasele de sânge deteriorate. Cu toate acestea, dacă bacteriile eliberează coagulaza în fluxul sanguin, cascada fibrinogen-fibrină se declanșează în absența deteriorării vaselor de sânge. Cheagul rezultat acoperă bacteriile din fibrină, protejând bacteriile de expunerea la celulele imune fagocitare care circulă în fluxul sanguin.

În timp ce coagulaza face ca sângele să se coaguleze, kinazele au efectul opus prin declanșarea conversiei plasminogenului în plasmină, care este implicată în digestia cheagurilor de fibrină. Digerând un cheag, kinazele permit agenților patogeni prinși în cheag să scape și să se răspândească, similar modului în care colagenaza, hialuronidaza și ADN-ul facilitează răspândirea infecției. Exemple de kinaze includ stafilokinaze și streptokinaze, produse de Stafilococ aureusși Streptococcus pyogenes, respectiv. Este fascinant că S. aureus poate produce atât coagulază pentru a promova coagularea, cât și stafilokinază pentru a stimula digestia cheagurilor. Acțiunea coagulazei oferă o importantă barieră de protecție față de sistemul imunitar, dar atunci când aportul de nutrienți este diminuat sau alte condiții indică necesitatea ca agentul patogen să scape și să se răspândească, producția de stafilokinază poate iniția acest proces.

Un mecanism final pe care agenții patogeni îl pot folosi pentru a se proteja împotriva sistemului imunitar se numește variație antigenică, care este modificarea proteinelor de suprafață, astfel încât un agent patogen nu mai este recunoscut de sistemul imunitar al gazdei. De exemplu, bacteria Borrelia burgdorferi, agentul cauzal al bolii Lyme, conține o lipoproteină de suprafață cunoscută sub numele de VlsE. Din cauza recombinării genetice în timpul replicării și reparării ADN-ului, această proteină bacteriană suferă variații antigenice. De fiecare dată când apare febra, proteina VlsE intră B. burgdorferi poate diferi atât de mult încât anticorpii împotriva secvențelor anterioare VlsE nu sunt eficiente. Se crede că această variație în VlsE contribuie la abilitate B. burgdorferi a provoca boli cronice. Un alt agent patogen bacterian important care folosește variația antigenică pentru a evita sistemul imunitar este Neisseria gonorrhoeae, care cauzează boala cu transmitere sexuală gonoree. Această bacterie este bine cunoscută pentru capacitatea sa de a suferi variații antigenice ale piliului său de tip IV pentru a evita apărarea imună.

Exercițiu ( PageIndex {3} )

  1. Numiți cel puțin două moduri în care o capsulă oferă protecție împotriva sistemului imunitar.
  2. Pe lângă capsule, numiți alți doi factori de virulență utilizați de bacterii pentru a se sustrage sistemului imunitar.

Virulența eucariotă

Deși ciupercile și paraziții sunt agenți patogeni importanți care cauzează boli infecțioase, mecanismele lor patogene și factorii de virulență nu sunt la fel de bine caracterizați ca cei ai bacteriilor. În ciuda lipsei relative de mecanisme detaliate, etapele patogenezei și mecanismele generale de virulență implicate în producerea bolii de către acești agenți patogeni sunt similare cu cele ale bacteriilor.

Virulența fungică

Ciupercile patogene pot produce factori de virulență care sunt similari factorilor de virulență bacteriană care au fost discutați mai devreme în acest capitol. În această secțiune, vom analiza factorii de virulență asociați cu speciile de Candida, Cryptococcus, Claviceps, și Aspergillus.

Candida albicans este un agent fungic fungic oportunist și agent cauzator al aftelor orale, al infecțiilor vaginale cu drojdie și al candidozei cutanate. Candida produce adezine (glicoproteine ​​de suprafață) care se leagă de fosfolipidele celulelor epiteliale și endoteliale. Pentru a ajuta la răspândirea și invazia țesuturilor, Candida produce proteaze și fosfolipaze (adică exoenzime). Una dintre aceste proteaze degradează cheratina, o proteină structurală care se găsește pe celulele epiteliale, sporind capacitatea ciupercii de a invada țesutul gazdă. În studiile pe animale, s-a demonstrat că adăugarea unui inhibitor de protează a dus la atenuarea Candida infecţie.2 În mod similar, fosfolipazele pot afecta integritatea membranelor celulei gazdă pentru a facilita invazia.

Principalul factor de virulență pentru Criptococ, o ciupercă care provoacă pneumonie și meningită, este producția de capsule. Glucuronoxilomananul polizaharidic este constituentul principal al Criptococ capsulă. Similar cu celulele bacteriene încapsulate, încapsulate Criptococ celulele sunt mai rezistente la fagocitoză decât necapsulate Criptococ, care sunt efectiv fagocitate și, prin urmare, mai puțin virulente.

La fel ca unele bacterii, multe ciuperci produc exotoxine. Toxinele fungice se numesc micotoxine. Claviceps purpurea, o ciupercă care crește pe secară și boabe înrudite, produce o micotoxină numită toxină ergot, un alcaloid responsabil de boala cunoscută sub numele de ergotism. Există două forme de ergotism: gangrenos și convulsiv. În ergotismul gangrenos, toxina ergot provoacă vasoconstricție, rezultând un flux sanguin necorespunzător către extremități, ducând în cele din urmă la gangrenă. Un celebru focar de ergotism gangrenos a avut loc în Europa de Est în secolul al V-lea d.Hr. din cauza consumului de secară contaminată cu C. purpurea. În ergotismul convulsiv, toxina vizează sistemul nervos central, provocând manie și halucinații.

Aflatoxina micotoxină este un factor de virulență produs de ciupercă Aspergillus, un agent patogen oportunist care poate pătrunde în organism prin alimente contaminate sau prin inhalare. Inhalarea ciupercii poate duce la boala pulmonară cronică aspergiloză, caracterizată prin febră, spută sângeroasă și / sau astm. Aflatoxina acționează în gazdă atât ca mutagen (o substanță care provoacă mutații în ADN), cât și ca cancerigen (o substanță implicată în provocarea cancerului) și a fost asociată cu dezvoltarea cancerului hepatic. De asemenea, s-a demonstrat că aflatoxina traversează bariera hemato-placentară.3 O a doua micotoxină produsă de Aspergillus este gliotoxina. Această toxină promovează virulența prin inducerea celulelor gazdă să se autodistrugă și prin evitarea răspunsului imun al gazdei prin inhibarea funcției celulelor fagocitare, precum și a răspunsului pro-inflamator. Ca Candida, Aspergillus produce, de asemenea, mai multe proteaze. Unul este elastaza, care descompune proteina elastină găsită în țesutul conjunctiv al plămânului, ducând la dezvoltarea bolilor pulmonare. O alta este catalaza, o enzima care protejeaza ciuperca de apa oxigenata produsa de sistemul imunitar pentru a distruge agentii patogeni.

Exercițiu ( PageIndex {4} )

  1. Enumerați factorii de virulență comuni bacteriilor și ciupercilor.
  2. Ce funcții îndeplinesc micotoxinele pentru a ajuta ciupercile să supraviețuiască în gazdă?

Virulența protozoarelor

Agenții patogeni de protozoare sunt paraziți eucariotici unicelulari care au factori de virulență și mecanisme patogene analogi agenților patogeni procarioti și virali, inclusiv adezine, toxine, variații antigenice și capacitatea de a supraviețui în interiorul veziculelor fagocitare.

Protozoarii au adesea caracteristici unice pentru atașarea la celulele gazdă. Protozonul Giardia lamblia, care provoacă giardioza bolii intestinale, folosește un disc adeziv mare compus din microtubuli pentru a se atașa la mucoasa intestinală. În timpul aderenței, flagelul de G. lamblia mișcați într-un mod care extrage fluidul de sub disc, rezultând o zonă cu presiune mai mică care facilitează aderența la celulele epiteliale. Giardia nu invadează celulele intestinale, ci provoacă mai degrabă inflamații (posibil prin eliberarea de substanțe citopatice care provoacă leziuni celulelor) și scurtează vilozitățile intestinale, inhibând absorbția nutrienților.

Unii protozoari sunt capabili de variații antigenice. Patogenul intracelular obligatoriu Plasmodium falciparum (unul dintre agenții cauzatori ai malariei) se află în interiorul celulelor roșii din sânge, unde produce o proteină din membrana adezinei cunoscută sub numele de PfEMP1. Această proteină este exprimată pe suprafața eritrocitelor infectate, determinând lipirea celulelor sanguine una de cealaltă și de pereții vaselor de sânge. Acest proces împiedică fluxul sanguin, ducând uneori la insuficiență de organ, anemie, icter (îngălbenirea pielii și a sclerei ochilor datorită acumulării de bilirubină din celulele roșii din sânge lizate) și, ulterior, moartea. Deși PfEMP1 poate fi recunoscut de sistemul imunitar al gazdei, variațiile antigenice ale structurii proteinei în timp împiedică recunoașterea și eliminarea ei cu ușurință. Acest lucru permite malariei să persiste ca o infecție cronică la mulți indivizi.

Factorii de virulență ai Trypanosoma brucei, agentul cauzal al bolii de somn africane, include abilitățile de a forma capsule și de a suferi variații antigenice. T. brucei se sustrage fagocitozei prin producerea unui strat dens de glicoproteine ​​care seamănă cu o capsulă bacteriană. În timp, se produc anticorpi gazdă care recunosc acest strat, dar T. brucei este capabil să modifice structura glicoproteinei pentru a se sustrage recunoașterii.

Exercițiu ( PageIndex {5} )

Explicați cum variația antigenică a agenților patogeni protozoarici îi ajută să supraviețuiască în gazdă.

Virulența Helminth

Helmintii sau viermii paraziți (în regnul animal) sunt paraziți eucarioti multicelulari care depind în mare măsură de factorii de virulență care le permit să intre în țesuturile gazdă. De exemplu, forma larvară acvatică a Schistosoma mansoni, care cauzează schistosomiaza, pătrunde în pielea intactă cu ajutorul proteazelor care degradează proteinele pielii, inclusiv elastina.

Pentru a supraviețui în cadrul gazdei suficient de mult timp pentru a-și perpetua ciclurile de viață adesea complexe, helmintii trebuie să se sustragă sistemului imunitar. Unele helminți sunt atât de mari încât sistemul imunitar este ineficient împotriva lor. Alții, cum ar fi viermii rotunzi adulți (care cauzează trihinoză, ascariază și alte boli), sunt protejați de o cuticulă exterioară dură.

Pe parcursul ciclurilor lor de viață, caracteristicile suprafeței paraziților variază, ceea ce poate ajuta la prevenirea unui răspuns imun eficient. Unele helminți exprimă polizaharide numite glican pe suprafața lor externă; deoarece acești glicani seamănă cu moleculele produse de celulele gazdă, sistemul imunitar nu reușește să recunoască și să atace helmintul ca un corp străin. Acest „gimmickry glican”, așa cum a fost numit, servește ca o mantie de protecție care permite helmintului să scape de detectarea sistemului imunitar.4

Pe lângă evitarea apărării gazdei, helmintii pot suprima activ sistemul imunitar. mansoni, de exemplu, degradează anticorpii gazdei cu proteaze. Helmintii produc multe alte substanțe care suprimă elemente atât de apărare nespecifice înnăscute, cât și de adaptare a gazdei specifice adaptative. De asemenea, eliberează în gazdă cantități mari de material care pot copleși la nivel local sistemul imunitar sau îl pot determina să răspundă în mod necorespunzător.

Exercițiu ( PageIndex {6} )

Descrieți modul în care helmintii evită să fie distruși de sistemul imunitar al gazdei.

Virulența virală

Deși agenții patogeni virali nu sunt similari cu agenții patogeni bacterieni în ceea ce privește structura, unele dintre proprietățile care contribuie la virulența lor sunt similare. Virușii folosesc adezine pentru a facilita aderența la celulele gazdă, iar anumiți viruși înveliți se bazează pe variația antigenică pentru a evita apărarea imună a gazdei.

Adezine virale

Unul dintre primii pași în orice infecție virală este adeziunea virusului la receptori specifici de pe suprafața celulelor. Acest proces este mediat de adezine care fac parte din capsida virală sau învelișul membranei. Interacțiunea adezinelor virale cu receptorii celulari specifici definește tropismul (direcționarea preferențială) a virușilor pentru celule, țesuturi și organe specifice din corp. Hemaglutinina proteică spike găsită pe virusul gripal este un exemplu de adezină virală; permite virusului să se lege de acidul sialic de pe membrana celulelor respiratorii și intestinale ale gazdei. O altă adezină virală este glicoproteina gp20, găsită pe HIV. Pentru ca HIV să infecteze celulele sistemului imunitar, acesta trebuie să interacționeze cu doi receptori de pe suprafața celulelor. Prima interacțiune implică legarea între gp120 și markerul celular CD4 care se găsește pe unele celule esențiale ale sistemului imunitar. Cu toate acestea, înainte de apariția intrării virale în celulă, trebuie să apară o a doua interacțiune între gp120 și unul dintre cei doi receptori de chemokine (CCR5 și CXCR4). Tabelul ( PageIndex {5} ) listează adezinele pentru unii agenți patogeni virali obișnuiți și site-urile specifice la care aceste adezine permit atașarea virușilor.

Tabel ( PageIndex {5} ): unele adezine virale și site-urile lor de atașament de gazdă
PatogenBoalăAdezinaSite de atașament
Virus gripalGripaHemaglutininăAcid sialic al celulelor respiratorii și intestinale
Virusul Herpes simplex I sau IIHerpes oral, herpes genitalGlicoproteine ​​gB, gC, gDHeparan sulfat pe suprafețele mucoasei gurii și organelor genitale
Virusul imunodeficienței umaneHIV / SIDAGlicoproteina gp120CD4 și CCR5 sau CXCR4 ale celulelor sistemului imunitar

Variația antigenică în viruși

Variația antigenică apare, de asemenea, în anumite tipuri de virusuri învelite, inclusiv virusurile gripale, care prezintă două forme de variație antigenică: deriva antigenică și schimbarea antigenică (Figura ( PageIndex {9} )). Deriva antigenică este rezultatul mutațiilor punctuale care determină ușoare modificări ale proteinelor vârf hemaglutinină (H) și neuraminidază (N). Pe de altă parte, schimbarea antigenică este o schimbare majoră a proteinelor spike datorită reasortării genelor. Această reasortare pentru schimbarea antigenică apare de obicei atunci când doi viruși gripali diferiți infectează aceeași gazdă.

Rata variației antigenice a virusurilor gripale este foarte mare, ceea ce face dificilă recunoașterea de către sistemul imunitar a multor tulpini diferite de virus gripal. Deși organismul poate dezvolta imunitate la o tulpină prin expunere naturală sau vaccinare, variația antigenică are ca rezultat apariția continuă a noilor tulpini pe care sistemul imunitar nu le va recunoaște. Acesta este principalul motiv pentru care vaccinurile împotriva virusului gripal trebuie administrate anual. În fiecare an, vaccinul antigripal oferă protecție împotriva celor mai răspândite tulpini pentru acel an, dar tulpinile noi sau diferite pot fi mai răspândite în anul următor.

Pentru o altă explicație a modului în care apar schimbarea și deriva antigenică, urmăriți acest videoclip.

Exercițiu ( PageIndex {7} )

  1. Descrieți rolul adezinelor în tropismul viral.
  2. Explicați diferența dintre deriva antigenică și schimbarea antigenică.

Concepte cheie și rezumat

  • Factorii de virulență contribuie la capacitatea unui agent patogen de a provoca boli.
  • Exoenzime și toxine permit agenților patogeni să invadeze țesutul gazdă și să provoace leziuni tisulare. Exoenzimele sunt clasificate în funcție de macromolecula pe care o vizează, iar exotoxinele sunt clasificate în funcție de mecanismul lor de acțiune. Toxinele bacteriene includ endotoxină și exotoxine.
  • Endotoxina este componenta lipidică A a LPS a anvelopei celulelor gram-negative. Exotoxinele sunt proteine ​​secretate în principal de bacterii gram-pozitive, dar sunt secretate și de bacterii gram-negative.
  • Agenții patogeni bacterieni pot sustrage răspunsul imun al gazdei producând capsule pentru a evita fagocitoza, supraviețuind mediului intracelular al fagocitelor, degradând anticorpii sau prin variația antigenică.
  • Agenții patogeni fungici și paraziți utilizează mecanisme patogene și factori de virulență care sunt similari cu cei ai agenților patogeni bacterieni
  • Ciupercile inițiază infecții prin interacțiunea adezinelor cu receptorii de pe celulele gazdă. Unele ciuperci produc toxine și exoenzime implicate în producerea bolilor și capsule care asigură protecția fagocitozei.
  • Protozoarele aderă la celulele țintă prin mecanisme complexe și pot provoca leziuni celulare prin eliberarea de substanțe citopatice. Unii protozoare evită sistemul imunitar prin variații antigenice și producerea de capsule.
  • Viermii helmintici sunt capabili să evite sistemul imunitar acoperindu-și exteriorul cu molecule de glican care îi fac să arate ca celule gazdă sau prin suprimarea sistemului imunitar.
  • Agenții patogeni virali utilizează adezine pentru inițierea infecțiilor și a variației antigenice pentru a evita apărarea imună. Virusurile gripale le folosesc pe ambele deriva antigenică și schimbarea antigenică pentru a evita să fie recunoscut de sistemul imunitar.

Note de subsol

  1. V. Meka. „Panton-Valentine Leukocidin”. http://www.antimicrobe.org/h04c.file...L-S-aureus.asp
  2. K. Fallon și colab. „Rolul proteazelor aspartice în diseminare Candida albicans Infecție la șoareci. " Infecție și imunitate 65 nr. 2 (1997): 551–556.
  3. C.P. Wild și colab. „Expunerea in utero la aflatoxină în Africa de Vest”. Lancet 337 nr. 8757 (1991): 1602.
  4. I. van Die, R.D. Cummings. „Glycan Gimmickry by Helminths Parasitic: O strategie pentru modularea răspunsului imun al gazdei?” Glicobiologie 20 nr. 1 (2010): 2-12.

Colaborator

  • Nina Parker, (Shenandoah University), Mark Schneegurt (Wichita State University), Anh-Hue Thi Tu (Georgia Southwestern State University), Philip Lister (Central New Mexico Community College) și Brian M. Forster (Saint Joseph's University) cu mulți autori care contribuie. Conținut original prin Openstax (CC BY 4.0; Acces gratuit la https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction)


12.3 Moduri de transmitere a bolilor

Înțelegerea modului în care se răspândesc agenții patogeni infecțioși este esențială pentru prevenirea bolilor infecțioase. Mulți agenți patogeni necesită o gazdă vie pentru a supraviețui, în timp ce alții pot persista într-o stare inactivă în afara unei gazde vii. Dar, după ce au infectat o gazdă, toți agenții patogeni trebuie să aibă și un mecanism de transfer de la o gazdă la alta sau vor muri când gazda lor va muri. Agenții patogeni au deseori adaptări elaborate pentru a exploata biologia gazdei, comportamentul și ecologia pentru a trăi și a se deplasa între gazde. Gazdele au apărat împotriva agenților patogeni, dar, deoarece ratele lor de evoluție sunt de obicei mai lente decât agenții patogeni (deoarece timpii lor de generație sunt mai lungi), gazdele sunt de obicei în dezavantaj evolutiv. Această secțiune va explora unde supraviețuiesc agenții patogeni - atât în ​​interiorul, cât și în exteriorul gazdelor - și unele dintre multele moduri în care se mută de la o gazdă la alta.


15.3 Factorii de virulență ai agenților patogeni bacterieni și virali

În secțiunea anterioară, am explicat că unii agenți patogeni sunt mai virulenti decât alții. Acest lucru se datorează factorului unic de virulență s produse de agenți patogeni individuali, care determină amploarea și severitatea bolii pe care le pot provoca. Factorii de virulență ai unui agent patogen sunt codificați de gene care pot fi identificate folosind postulatele moleculare ale lui Koch. Când genele care codifică factorii de virulență sunt inactivate, virulența în agentul patogen este diminuată. În această secțiune, vom examina diferite tipuri și exemple specifice de factori de virulență și modul în care acestea contribuie la fiecare etapă a patogenezei.

Factorii de virulență pentru adeziune

După cum sa discutat în secțiunea anterioară, primii doi pași în patogenie sunt expunerea și aderența. Amintiți-vă că o adezină este o proteină sau glicoproteină care se găsește pe suprafața unui agent patogen care se atașează la receptorii de pe celula gazdă. Adezinele se găsesc pe agenți patogeni bacterieni, virali, fungici și protozoare. Un exemplu de adezină bacteriană este adezina fimbrială de tip 1, o moleculă găsită pe vârfurile fimbriilor enterotoxigenice. E coli (ETEC). Amintiți-vă că fimbriae sunt peri de proteine ​​ca părul de pe suprafața celulei. Adezina fimbrială de tip 1 permite fimbriei celulelor ETEC să se atașeze la glicoane de manoză exprimate pe celulele epiteliale intestinale. Tabelul 15.7 prezintă adezine comune găsite în unii dintre agenții patogeni pe care i-am discutat sau pe care îi vom vedea mai târziu în acest capitol.

Unele adezine bacteriene și site-urile lor de atașare a gazdei
Patogen Boală Adezina Site de atașament
Streptococcus pyogenes Strept gât Proteina F Celulele epiteliale respiratorii
Streptococcus mutans Carii dentare Adezina P1 Dinții
Neisseria gonorrhoeae Gonoree Pili tip IV Celulele epiteliale uretrale
Enterotoxigenic E coli (ETEC) Diareea călătorului Fimbrii de tip 1 Celulele epiteliale intestinale
Vibrio cholerae Holeră N-metilfenilalanină pili Celulele epiteliale intestinale

Focus clinic

Partea 3

Prezența bacteriilor în sângele lui Michael este un semn de infecție, deoarece sângele este în mod normal steril. Nu există nicio indicație că bacteriile au pătruns în sânge printr-o leziune. În schimb, se pare că portalul de intrare a fost calea gastro-intestinală. Pe baza simptomelor lui Michael, a rezultatelor analizei sale de sânge și a faptului că Michael a fost singurul din familie care a participat la hot dog, medicul suspectează că Michael suferă de un caz de listerioză.

Listeria monocytogenes , agentul patogen intracelular facultativ care cauzează listerioza, este un contaminant obișnuit în alimentele gata consumate, cum ar fi carnea de prânz și produsele lactate. Odată ingerate, aceste bacterii invadează celulele epiteliale intestinale și se translocează în ficat, unde cresc în interiorul celulelor hepatice. Listerioza este fatală la aproximativ una din cinci persoane sănătoase normale, iar ratele mortalității sunt puțin mai mari la pacienții cu afecțiuni preexistente care slăbesc răspunsul imun. Un grup de gene de virulență codate pe o insulă de patogenitate este responsabil pentru patogenitatea L. monocytogenes. Aceste gene sunt reglementate de un factor de transcripție cunoscut sub numele de factor de eliberare a lanțului peptidic 1 (PrfA). Una dintre genele reglementate de PrfA este hyl, care codifică o toxină cunoscută sub numele de listeriolizină O (LLO), care permite bacteriei să scape de vacuole la intrarea într-o celulă gazdă. O a doua genă reglementată de PrfA este actA, care codifică o proteină de suprafață cunoscută sub numele de proteină care induce asamblarea actinei (ActA). ActA este exprimat pe suprafața Listeria și polimerizează actina gazdă. Acest lucru permite bacteriei să producă cozi de actină, să se deplaseze în jurul citoplasmei celulei și să se răspândească de la celulă la celulă fără a ieși în compartimentul extracelular.

Starea lui Michael a început să se înrăutățească. Acum se confruntă cu un gât rigid și hemipareză (slăbiciune a unei părți a corpului). Îngrijorat de faptul că infecția se răspândește, medicul decide să efectueze teste suplimentare pentru a determina ce cauzează aceste noi simptome.

  • Ce fel de agent patogen cauzează listerioza și ce factori de virulență contribuie la semnele și simptomele pe care le întâmpină Michael?
  • Este probabil ca infecția să se răspândească din sângele lui Michael? Dacă da, cum ar putea explica acest lucru noile sale simptome?

Salt la următoarea casetă Focus clinic. Reveniți la caseta anterioară Clinical Focus.

Exoenzimele și toxinele bacteriene ca factori de virulență

După expunere și aderență, următorul pas în patogeneză este invazia, care poate implica enzime și toxine. Mulți agenți patogeni realizează invazia intrând în fluxul sanguin, un mijloc eficient de diseminare, deoarece vasele de sânge trec aproape de fiecare celulă din corp. Dezavantajul acestui mecanism de dispersie este că sângele include și numeroase elemente ale sistemului imunitar. Diverși termeni care se termină cu –emia sunt folosiți pentru a descrie prezența agenților patogeni în fluxul sanguin. Prezența bacteriilor în sânge se numește bacteremie. Bacteremia care implică piogeni (bacterii care formează puroi) se numește piemie. Când virusurile se găsesc în sânge, se numește viremie. Termenul de toxemie descrie starea în care toxinele se găsesc în sânge. Dacă bacteriile sunt prezente și se multiplică în sânge, această afecțiune se numește septicemie.

Pacienții cu septicemie sunt descriși ca fiind septici, ceea ce poate duce la șoc, o scădere care pune viața în pericol a tensiunii arteriale (presiune sistolică și lt90 mm Hg) care împiedică celulele și organele să primească suficient oxigen și substanțe nutritive. Unele bacterii pot provoca șocuri prin eliberarea de toxine (factori de virulență care pot provoca leziuni tisulare) și pot duce la scăderea tensiunii arteriale. Bacteriile gram-negative sunt înghițite de fagocitele sistemului imunitar, care eliberează apoi factorul de necroză tumorală, o moleculă implicată în inflamație și febră. Factorul de necroză tumorală se leagă de capilarele sanguine pentru a le crește permeabilitatea, permițând fluidelor să treacă din vasele de sânge și în țesuturi, provocând umflături sau edeme (Figura 15.10). Cu concentrații mari de factor de necroză tumorală, reacția inflamatorie este severă și se pierde suficient lichid din sistemul circulator, încât tensiunea arterială scade la niveluri periculos de scăzute. Acest lucru poate avea consecințe cumplite, deoarece inima, plămânii și rinichii se bazează pe tensiunea arterială normală pentru o funcționare corectă, astfel pot apărea insuficiență multi-organe, șoc și moarte.

Exoenzime

Unii agenți patogeni produc enzime extracelulare sau exoenzime s, care le permit să invadeze celulele gazdă și țesuturile mai adânci. Exoenzimele au o mare varietate de ținte. Unele clase generale de exoenzime și agenți patogeni asociați sunt enumerate în Tabelul 15.8. Fiecare dintre aceste exoenzime funcționează în contextul unei anumite structuri tisulare pentru a facilita invazia sau a-și susține propria creștere și a se apăra împotriva sistemului imunitar. De exemplu, hialuronidaza S, o enzimă produsă de agenți patogeni precum Staphylococcus aureus , Streptococcus pyogenes , și Clostridium perfringens , degradează glicozidul hialuronan (acid hialuronic), care acționează ca un ciment intercelular între celulele adiacente din țesutul conjunctiv (Figura 15.11). Acest lucru permite agentului patogen să treacă prin straturile de țesut de la portalul de intrare și să se disemineze în altă parte a corpului (Figura 15.11).

Unele clase de exoenzime și țintele lor
Clasă Exemplu Funcţie
Glicohidrolaze Hialuronidază S în Staphylococcus aureus Degradează acidul hialuronic care cimentează celulele împreună pentru a favoriza răspândirea prin țesuturi
Nucleaze ADnse produse de S. aureus Degradează ADN-ul eliberat de celulele pe moarte (bacterii și celule gazdă) care pot prinde bacteriile, favorizând astfel răspândirea
Fosfolipazele Fosfolipaza C a Bacillus anthracis Degradează bistratul fosfolipidic al celulelor gazdă, provocând liza celulară și degradează membrana fagozomilor pentru a permite evadarea în citoplasmă
Proteaze Colagenaza în Clostridium perfringens Degradează colagenul în țesutul conjunctiv pentru a favoriza răspândirea

Nucleaze produse de agenți patogeni, cum ar fi ADNse produse de S. aureus, degradează ADN-ul extracelular ca mijloc de evadare și răspândire prin țesut. Deoarece celulele bacteriene și gazdă mor la locul infecției, acestea se lizează și își eliberează conținutul intracelular. Cromozomul ADN este cea mai mare dintre moleculele intracelulare, iar masele de ADN extracelular pot captura bacteriile și preveni răspândirea lor. S. aureus produce o DNAse pentru a degrada rețeaua de ADN extracelular, astfel încât să poată scăpa și să se răspândească în țesuturile adiacente. Această strategie este utilizată și de S. aureus și alți agenți patogeni pentru degradarea și evadarea rețelelor de ADN extracelular produse de fagocitele sistemului imunitar pentru a prinde bacteriile.

Enzimele care degradează fosfolipidele membranelor celulare se numesc fosfolipaze. Acțiunile lor sunt specifice în ceea ce privește tipul de fosfolipide asupra cărora acționează și unde scindează enzimatic moleculele. Agentul patogen responsabil de antrax, B. anthracis, produce fosfolipaza C. Când B. anthracis este ingerat de celulele fagocitare ale sistemului imunitar, fosfolipaza C degradează membrana fagozomului înainte de a se putea contopi cu lizozomul, permițând agentului patogen să scape în citoplasmă și să se înmulțească. Fosfolipazele pot viza, de asemenea, membrana care închide fagozomul în celulele fagocitare. Așa cum a fost descris mai devreme în acest capitol, acesta este mecanismul utilizat de agenții patogeni intracelulari, cum ar fi L. monocytogenes și Rickettsia să scape de fagozom și să se înmulțească în citoplasma celulelor fagocitare. Rolul fosfolipazelor în virulența bacteriană nu este limitat la evadarea fagozomală. Mulți agenți patogeni produc fosfolipaze care acționează pentru degradarea membranelor celulare și provoacă liza celulelor țintă. Aceste fosfolipaze sunt implicate în liza globulelor roșii, a globulelor albe și a celulelor tisulare.

Agenții patogeni bacterieni produc, de asemenea, diverse enzime digestive ale proteinelor sau proteaze. Proteazele pot fi clasificate în funcție de substratul lor țintă (de exemplu, serinele proteaze vizează proteinele cu aminoacidul serină) sau dacă conțin metale în situsul lor activ (de exemplu, metaloproteazele de zinc conțin un ion de zinc, care este necesar pentru activitatea enzimatică).

Un exemplu de protează care conține un ion metalic este exoenzima colagenază. Colagenaza digeră colagenul, proteina dominantă din țesutul conjunctiv.Colagenul poate fi găsit în matricea extracelulară, în special lângă membranele mucoasei, vasele de sânge, nervi și în straturile pielii. Similar cu hialuronidaza, colagenaza permite agentului patogen să pătrundă și să se răspândească prin țesutul gazdă prin digestia acestei proteine ​​de țesut conjunctiv. Colagenaza produsă de bacteria gram-pozitivă Clostridium perfringens , de exemplu, permite bacteriei să-și croiască drum prin straturile de țesut și ulterior să intre și să se înmulțească în sânge (septicemie). C. perfringens apoi folosește toxine și o fosfolipază pentru a provoca liza celulară și necroză. Odată ce celulele gazdă au murit, bacteria produce gaze prin fermentarea glucidelor musculare. Necroza pe scară largă a țesuturilor și a gazelor însoțitoare sunt caracteristice stării cunoscute sub numele de gangrena gazoasă (Figura 15.12).

Link către învățare

Două tipuri de moarte celulară sunt apoptoza și necroza. Vizitați acest site web pentru a afla mai multe despre diferențele dintre aceste mecanisme ale morții celulare și cauzele acestora.

Toxine

Pe lângă exoenzime, anumiți agenți patogeni sunt capabili să producă toxină s, otrăvuri biologice care ajută la capacitatea lor de a invada și de a provoca leziuni ale țesuturilor. Capacitatea unui agent patogen de a produce toxine pentru a provoca daune celulelor gazdă se numește toxigenicitate.

Toxinele pot fi clasificate ca endotoxine sau exotoxine. Lipopolizaharida (LPS) găsită pe membrana exterioară a bacteriilor gram-negative se numește endotoxină (Figura 15.13). În timpul infecției și bolilor, agenții patogeni bacterieni gram-negativi eliberează endotoxină fie atunci când celula moare, ducând la dezintegrarea membranei, fie când bacteria suferă fisiune binară. Componenta lipidică a endotoxinei, lipida A, este responsabilă pentru proprietățile toxice ale moleculei LPS. Lipida A este relativ conservată în diferite genuri de bacterii gram-negative, prin urmare, proprietățile toxice ale lipidei A sunt similare, indiferent de agentul patogen gram-negativ. Într-un mod similar cu cel al factorului de necroză tumorală, lipida A declanșează răspunsul inflamator al sistemului imunitar (vezi Inflamare și febră). Dacă concentrația de endotoxină în organism este scăzută, răspunsul inflamator poate oferi gazdei o apărare eficientă împotriva infecției, pe de altă parte, concentrațiile ridicate de endotoxină din sânge pot provoca un răspuns inflamator excesiv, ducând la o scădere severă a tensiunii arteriale. , insuficiență multi-organ și moarte.

O metodă clasică de detectare a endotoxinei este utilizarea Limulus testul lizatului amebocitar (LAL). În această procedură, celulele sanguine (amebocite) ale crabului potcoavă (Limulus polyphemus) se amestecă cu serul unui pacient. Amebocitele vor reacționa la prezența oricărei endotoxine. Această reacție poate fi observată fie cromogen (culoare), fie căutând coagulare (reacție de coagulare) care să apară în ser. O metodă alternativă care a fost utilizată este o analiză imunosorbentă legată de enzime (ELISA) care utilizează anticorpi pentru a detecta prezența endotoxinei.

Spre deosebire de lipida toxică A a endotoxinei, exotoxina s sunt molecule de proteine ​​care sunt produse de o mare varietate de bacterii patogene vii. Deși unii agenți patogeni gram-negativi produc exotoxine, majoritatea sunt produși de agenți patogeni gram-pozitivi. Exotoxinele diferă de endotoxină în alte câteva caracteristici cheie, rezumate în Tabelul 15.9. Spre deosebire de endotoxină, care stimulează un răspuns inflamator sistemic general la eliberare, exotoxinele sunt mult mai specifice în acțiunea lor și celulele cu care interacționează. Fiecare exotoxină vizează receptori specifici pe celule specifice și dăunează acelor celule prin mecanisme moleculare unice. Endotoxina rămâne stabilă la temperaturi ridicate și necesită încălzire la 121 ° C (250 ° F) timp de 45 de minute pentru a se dezactiva. În schimb, majoritatea exotoxinelor sunt labile la căldură datorită structurii lor proteice și multe sunt denaturate (inactivate) la temperaturi peste 41 ° C (106 ° F). După cum sa discutat anterior, endotoxina poate stimula un răspuns inflamator letal la concentrații foarte mari și are un LD măsurat50 de 0,24 mg / kg. Prin contrast, concentrații foarte mici de exotoxine pot fi letale. De exemplu, toxina botulinică, care provoacă botulism, are un LD50 de 0,000001 mg / kg (240.000 de ori mai letal decât endotoxina).

Comparația endotoxinei și exotoxinelor produse de bacterii
Caracteristică Endotoxină Exotoxină
Sursă Bacterii gram-negative Bacterii gram-pozitive (în primul rând) și gram-negative
Compoziţie Lipidă O componentă a lipopolizaharidei Proteină
Efect asupra gazdei Simptome sistemice generale de inflamație și febră Deteriorarea specifică a celulelor dependente de țintirea celulelor mediată de receptor și mecanismele specifice de acțiune
Stabilitate la căldură Stabil la căldură Majoritatea sunt labil la căldură, dar unele sunt stabile la căldură
LD50 Înalt Scăzut

Exotoxinele pot fi grupate în trei categorii pe baza țintei lor: țintirea intracelulară, perturbarea membranei și superantigenele. Tabelul 15.10 oferă exemple de toxine bine caracterizate în cadrul fiecăreia dintre aceste trei categorii.

Unele exotoxine comune și agenți patogeni bacterieni asociați
Categorie Exemplu Patogen Mecanism și boală
Toxine care vizează intracelular Toxina holerei Vibrio cholerae Activarea adenilat ciclazei în celulele intestinale, determinând creșterea nivelului de adenozin monofosfat ciclic (AMPc) și secreția de fluide și electroliți din celulă, provocând diaree
Toxină tetanosă Clostridium tetani Inhibă eliberarea neurotransmițătorilor inhibitori în sistemul nervos central, provocând paralizie spastică
Toxina botulinică Clostridium botulinum Inhibă eliberarea neurotransmițătorului acetilcolină din neuroni, rezultând paralizie flască
Toxina difterică Corynebacterium diphtheriae Inhibarea sintezei proteinelor, provocând moartea celulară
Toxine care perturbă membrana Streptolizină Streptococcus pyogenes Proteine ​​care se asamblează în pori în membranele celulare, perturbându-le funcția și ucigând celula
Pneumolizină Streptococcus pneumoniae
Alfa-toxina Staphylococcus aureus
Alfa-toxina Clostridium perfringens Fosfolipazele care degradează fosfolipidele membranei celulare, perturbând funcția membranei și distrugând celula
Fosfolipaza C Pseudomonas aeruginosa
Beta-toxină Staphylococcus aureus
Superantigene Toxina sindromului șocului toxic Staphylococcus aureus Stimulează activarea excesivă a celulelor sistemului imunitar și eliberarea de citokine (mediatori chimici) din celulele sistemului imunitar. Rezultatul este febra, inflamația și șocul care pun viața în pericol.
Exotoxină mitogenică streptococică Streptococcus pyogenes
Toxine pirogene streptococice Streptococcus pyogenes

Toxina de țintire intracelulară s cuprind două componente: A pentru activitate și B pentru legare. Astfel, aceste tipuri de toxine sunt cunoscute sub numele de exotoxine A-B (Figura 15.14). Componenta B este responsabilă pentru specificitatea celulară a toxinei și mediază atașarea inițială a toxinei la receptorii specifici ai suprafeței celulare. Odată ce toxina A-B se leagă de celula gazdă, este adusă în celulă prin endocitoză și prinsă într-un vacuol. Subunitățile A și B se separă pe măsură ce vacuolul se acidifică. Subunitatea A intră apoi în citoplasma celulară și interferează cu funcția celulară internă specifică pe care o vizează.

Patru exemple unice de toxine A-B sunt toxine difterice, holerice, botulinice și tetanice. Toxina difterică este produsă de bacteria gram-pozitivă Corynebacterium diphtheriae , agentul cauzal al difteriei nazofaringiene și cutanate. După ce subunitatea A a toxinei difterice se separă și câștigă acces la citoplasmă, facilitează transferul de adenozin difosfat (ADP) -riboză pe o proteină cu factor de alungire (EF-2) necesară pentru sinteza proteinelor. Prin urmare, toxina difterică inhibă sinteza proteinelor în celula gazdă, ucigând celula (Figura 15.15).

Toxina holerei este o enterotoxină produsă de bacteria gram-negativă Vibrio cholerae și este compus dintr-o subunitate A și cinci subunități B. Mecanismul de acțiune al toxinei holerei este complex. Subunitățile B se leagă de receptorii de pe celula epitelială intestinală a intestinului subțire. După intrarea în citoplasma celulei epiteliale, subunitatea A activează o proteină G intracelulară. Proteina G activată, la rândul său, duce la activarea enzimei adenil ciclază, care începe să producă o creștere a concentrației de AMP ciclic (o moleculă de mesagerie secundară). AMPc crescut perturbă fiziologia normală a celulelor epiteliale intestinale și le determină să secrete cantități excesive de lichide și electroliți în lumenul tractului intestinal, rezultând diaree severă „scaun de orez-apă” caracteristică holerei.

Toxina botulinică (cunoscută și sub numele de botox) este o neurotoxină produsă de bacteria gram-pozitivă Clostridium botulinum . Este cea mai acută substanță toxică cunoscută până în prezent. Toxina este compusă dintr-o subunitate ușoară A și o subunitate B cu lanț proteic greu. Subunitatea B se leagă de neuroni pentru a permite toxinei botulinice să pătrundă în neuroni la joncțiunea neuromusculară. Subunitatea A acționează ca o protează, scindând proteinele implicate în eliberarea neuronului de acetilcolină, o moleculă de neurotransmițător. În mod normal, neuronii eliberează acetilcolină pentru a induce contracții ale fibrelor musculare. Capacitatea toxinei de a bloca eliberarea acetilcolinei are ca rezultat inhibarea contracțiilor musculare, ducând la relaxarea musculară. Acest lucru are potențialul de a opri respirația și de a provoca moartea. Datorită acțiunii sale, concentrațiile scăzute de botox sunt utilizate pentru procedurile cosmetice și medicale, inclusiv îndepărtarea ridurilor și tratamentul vezicii urinare hiperactive.

Link către învățare

Faceți clic pe acest link pentru a vedea o animație a modului în care funcționează toxina holerei.

Faceți clic pe acest link pentru a vedea o animație a modului în care funcționează toxina botulinică.

O altă neurotoxină este toxina tetanosă, care este produsă de bacteria gram-pozitivă Clostridium tetani . Această toxină are, de asemenea, o subunitate ușoară A și o subunitate B cu lanț proteic greu. Spre deosebire de toxina botulinică, toxina tetanică se leagă de interneuronii inhibitori, care sunt responsabili pentru eliberarea neurotransmițătorilor inhibitori glicină și acid gamma-aminobutiric (GABA). În mod normal, acești neurotransmițători se leagă de neuroni la joncțiunea neuromusculară, rezultând inhibarea eliberării acetilcolinei. Toxina tetanică inhibă eliberarea glicinei și GABA din interneuron, rezultând contracția musculară permanentă. Primul simptom este de obicei rigiditatea maxilarului (lockjaw). Urmează spasme musculare violente în alte părți ale corpului, culminând de obicei cu insuficiență respiratorie și moarte. Figura 15.16 prezintă acțiunile atât ale toxinelor botulinice, cât și ale tetanosului.

Toxinele care perturbă membrana afectează funcția membranei celulare fie prin formarea de pori, fie prin întreruperea stratului fosfolipidic din membranele celulei gazdă. Două tipuri de exotoxine care perturbă membrana sunt hemolizina s și leucocidine, care formează pori în membranele celulare, provocând scurgeri ale conținutului citoplasmatic și liza celulară. Se crede că aceste toxine vizau celulele roșii din sânge (eritrocite) și respectiv celulele albe din sânge (leucocite), dar acum știm că pot afecta și alte celule. Bacteria gram-pozitivă Streptococcus pyogenes produce streptolizine, hemolizine solubile în apă care se leagă de fragmentele de colesterol din membrana celulei gazdă pentru a forma un por. Cele două tipuri de streptolizine, O și S, sunt clasificate prin capacitatea lor de a provoca hemoliză în eritrocite în absența sau prezența oxigenului. Streptolizina O nu este activă în prezența oxigenului, în timp ce streptolizina S este activă în prezența oxigenului. Alte toxine importante care perturbă membrana care formează porii includ toxina alfa a Staphylococcus aureus și pneumolizină a Streptococcus pneumoniae .

Fosfolipazele bacteriene sunt toxine care perturbă membrana s care degradează bistratul fosfolipidic al membranelor celulare mai degrabă decât formarea porilor. Am discutat deja despre fosfolipazele asociate B. anthracis, L. pneumophila, și Rickettsia specii care permit acestor bacterii să efectueze liza fagozomilor. Aceleași fosfolipaze sunt și hemolizine. Alte fosfolipaze care funcționează ca hemolizine includ toxina alfa a Clostridium perfringens , fosfolipaza C a P. aeruginosa, și toxina beta a Staphylococcus aureus.

Unele tulpini de S. aureus produc, de asemenea, o leucocidină numită Panton-Valentine leucocidin (PVL). PVL constă din două subunități, S și F. Componenta S acționează ca subunitatea B a unei exotoxine A-B prin faptul că se leagă de glicolipide pe membrana plasmatică exterioară a celulelor animale. Componenta F acționează ca subunitatea A a unei exotoxine A-B și poartă activitatea enzimatică. Toxina se introduce și se asamblează într-un por din membrană. Genele care codifică PVL sunt mai frecvent prezente în S. aureus tulpini care provoacă infecții ale pielii și pneumonie. 8 PVL promovează infecțiile pielii provocând edem, eritem (înroșirea pielii din cauza dilatării vaselor de sânge) și necroză a pielii. Sa demonstrat că PVL provoacă pneumonie necrozantă. PVL promovează efecte proinflamatorii și citotoxice asupra leucocitelor alveolare. Acest lucru are ca rezultat eliberarea enzimelor din leucocite, care, la rândul lor, cauzează leziuni ale țesutului pulmonar.

A treia clasă de exotoxine este superantigenul s. Acestea sunt exotoxine care declanșează o stimulare excesivă, nespecifică, a celulelor imune pentru a secreta citokine (mesageri chimici). Producția excesivă de citokine, denumită adesea o furtună de citokine, provoacă un răspuns imun și inflamator puternic care poate provoca febre mari care pun viața în pericol, tensiune arterială scăzută, insuficiență multi-organe, șoc și moarte. Prototipul superantigenului este toxina sindromului șocului toxic al S. aureus. Majoritatea cazurilor de sindrom de șoc toxic sunt asociate cu colonizarea vaginală prin producerea de toxine S. aureus la femeile cu menstruație, totuși, poate apărea și colonizarea altor zone ale corpului. Unele tulpini de Streptococcus pyogenes produc, de asemenea, superantigeni, denumiți exotoxine mitogene streptococice și toxine pirogene streptococice.

Verificați-vă înțelegerea

  • Descrieți cum contribuie exoenzimele la invazia bacteriană.
  • Explicați diferența dintre exotoxine și endotoxină.
  • Numiți cele trei clase de exotoxine.

Factorii de virulență pentru supraviețuirea în gazdă și evaziunea imună

Evitarea sistemului imunitar este, de asemenea, importantă pentru invazivitate. Bacteriile folosesc o varietate de factori de virulență pentru a evita fagocitoza de către celulele sistemului imunitar. De exemplu, multe bacterii produc capsule, care sunt utilizate în aderență, dar, de asemenea, ajută la evaziunea imunitară prin prevenirea ingestiei de către fagocite. Compoziția capsulei împiedică celulele imune să poată adera și apoi fagocitează celula. În plus, capsula face ca celula bacteriană să fie mult mai mare, ceea ce îngreunează celulele imune să înghită agentul patogen (Figura 15.17). O bacterie notabilă producătoare de capsule este agentul patogen gram-pozitiv Streptococcus pneumoniae , care provoacă pneumonie pneumococică, meningită, septicemie și alte infecții ale tractului respirator. Tulpini încapsulate de S. pneumoniae sunt mai virulente decât tulpinile necapsulate și sunt mai predispuse să invadeze fluxul sanguin și să provoace septicemie și meningită.

Unii agenți patogeni pot produce, de asemenea, proteaze pentru a se proteja împotriva fagocitozei. Așa cum este descris în Adaptive Specific Host Defenses, sistemul imunitar uman produce anticorpi care se leagă de moleculele de suprafață găsite pe bacterii specifice (de exemplu, capsule, fimbrii, flageli, LPS). Această legare inițiază fagocitoza și alte mecanisme de ucidere și eliminare antibacteriană. Proteazele combate uciderea și eliminarea mediată de anticorpi prin atacarea și digerarea moleculelor de anticorpi (Figura 15.17).

Pe lângă capsule și proteaze, unii agenți patogeni bacterieni produc alți factori de virulență care le permit să se sustragă sistemului imunitar. Fimbriile anumitor specii de streptococ conțin proteină M, care modifică suprafața streptococ și inhibă fagocitoza prin blocarea legării moleculelor de complement care ajută fagocitele la ingerarea agenților patogeni bacterieni. Bacteria acidă rapidă Mycobacterium tuberculosis (agentul cauzal al tuberculozei) produce o substanță cerată cunoscută sub numele de acid micolic în învelișul său celular. Când este înghițit de fagocite în plămâni, stratul protector de acid micolic permite bacteriei să reziste la unele mecanisme de ucidere din fagolizozom.

Unele bacterii produc factori de virulență care promovează infecția prin exploatarea moleculelor produse în mod natural de gazdă. De exemplu, majoritatea tulpinilor de Staphylococcus aureus produc exoenzima coagulază, care exploatează mecanismul natural de coagulare a sângelui pentru a se sustrage sistemului imunitar. În mod normal, coagularea sângelui este declanșată ca răspuns la deteriorarea vaselor de sânge. Trombocitele încep să se blocheze cheagul și apare o cascadă de reacții în care fibrinogenul, o proteină solubilă produsă de ficat, este clivat în fibrină. Fibrina este o proteină insolubilă, asemănătoare firului, care se leagă de trombocitele din sânge, se leagă și se contractă pentru a forma o plasă de trombocite aglomerate și celule roșii din sânge. Cheagul rezultat previne pierderea ulterioară a sângelui din vasele de sânge deteriorate. Cu toate acestea, dacă bacteriile eliberează coagulaza în fluxul sanguin, cascada fibrinogen-fibrină se declanșează în absența deteriorării vaselor de sânge. Cheagul rezultat acoperă bacteriile din fibrină, protejând bacteriile de expunerea la celulele imune fagocitare care circulă în fluxul sanguin.

În timp ce coagulaza face ca sângele să se coaguleze, kinazele au efectul opus prin declanșarea conversiei plasminogenului în plasmină, care este implicată în digestia cheagurilor de fibrină. Digerând un cheag, kinazele permit agenților patogeni prinși în cheag să scape și să se răspândească, similar modului în care colagenaza, hialuronidaza și ADN-ul facilitează răspândirea infecției. Exemple de kinaze includ stafilokinaze și streptokinaze, produse de Staphylococcus aureus și Streptococcus pyogenes , respectiv. Este fascinant că S. aureus poate produce atât coagulază pentru a promova coagularea, cât și stafilokinază pentru a stimula digestia cheagurilor. Acțiunea coagulazei oferă o importantă barieră de protecție față de sistemul imunitar, dar atunci când aportul de nutrienți este diminuat sau alte condiții indică necesitatea ca agentul patogen să scape și să se răspândească, producția de stafilokinază poate iniția acest proces.

Un mecanism final pe care agenții patogeni îl pot folosi pentru a se proteja împotriva sistemului imunitar se numește variație antigenică, care este modificarea proteinelor de suprafață, astfel încât un agent patogen să nu mai fie recunoscut de sistemul imunitar al gazdei. De exemplu, bacteria Borrelia burgdorferi , agentul cauzal al bolii Lyme, conține o lipoproteină de suprafață cunoscută sub numele de VlsE. Din cauza recombinării genetice în timpul replicării și reparării ADN-ului, această proteină bacteriană suferă variații antigenice. De fiecare dată când apare febra, proteina VlsE intră B. burgdorferi poate diferi atât de mult încât anticorpii împotriva secvențelor anterioare VlsE nu sunt eficiente. Se crede că această variație în VlsE contribuie la abilitate B. burgdorferi a provoca boli cronice. Un alt agent patogen bacterian important care folosește variația antigenică pentru a evita sistemul imunitar este Neisseria gonorrhoeae , care provoacă boala cu transmitere sexuală gonoree. Această bacterie este bine cunoscută pentru capacitatea sa de a suferi variații antigenice ale piliului său de tip IV pentru a evita apărarea imună.

Verificați-vă înțelegerea

  • Numiți cel puțin două moduri în care o capsulă oferă protecție împotriva sistemului imunitar.
  • Pe lângă capsule, numiți alți doi factori de virulență utilizați de bacterii pentru a se sustrage sistemului imunitar.

Focus clinic

Rezoluţie

Pe baza simptomelor raportate de Michael de rigiditate a gâtului și hemipareză, medicul suspectează că infecția s-ar fi putut răspândi în sistemul său nervos. Medicul decide să comande o coloană vertebrală pentru a căuta orice bacterie care ar fi putut invada meningele și lichidul cefalorahidian (LCR), care în mod normal ar fi sterile. Pentru a efectua atingerea coloanei vertebrale, spatele inferior al lui Michael este tamponat cu un antiseptic de iod și apoi acoperit cu o foaie sterilă. Acul este îndepărtat aseptic din ambalajul de plastic sigilat al producătorului de mâinile înmănușate ale clinicianului. Acul este introdus și un mic volum de fluid este aspirat într-un tub de eșantionare atașat. Tubul este îndepărtat, acoperit și o etichetă pregătită cu datele lui Michael este fixată pe acesta. Acest specimen STAT (este necesară o analiză urgentă sau imediată) este împărțit în trei tuburi sterile separate, fiecare cu 1 mL de LCR. Aceste tuburi sunt duse imediat la laboratorul spitalului, unde sunt analizate în secțiile de chimie clinică, hematologie și microbiologie. Rezultatele preliminare de la toate cele trei departamente indică faptul că apare o infecție cefalorahidiană, departamentul de microbiologie raportând prezența unei tije gram-pozitive în LCR-ul lui Michael.

Aceste rezultate confirmă ceea ce medicul său bănuise: noile simptome ale lui Michael sunt rezultatul meningitei, inflamației acute a membranelor care protejează creierul și măduva spinării. Deoarece meningita poate pune viața în pericol și pentru că prima terapie cu antibiotice nu a fost eficientă în prevenirea răspândirii infecției, lui Michael i se prescrie un curs agresiv de două antibiotice, ampicilina și gentamicina, care trebuie administrate intravenos. Michael rămâne în spital câteva zile pentru îngrijire de susținere și pentru observare. După o săptămână, i se permite să se întoarcă acasă pentru odihnă la pat și antibiotice orale. După 3 săptămâni de tratament, el își revine complet.

Reveniți la caseta anterioară Clinical Focus.

Virulența virală

Deși agenții patogeni virali nu sunt similari cu agenții patogeni bacterieni în ceea ce privește structura, unele dintre proprietățile care contribuie la virulența lor sunt similare. Virușii folosesc adezine pentru a facilita aderența la celulele gazdă, iar anumiți viruși înveliți se bazează pe variația antigenică pentru a evita apărarea imună a gazdei. Acești factori de virulență sunt discutați în detaliu în secțiunile următoare.

Adezine virale

Unul dintre primii pași în orice infecție virală este adeziunea virusului la receptori specifici de pe suprafața celulelor. Acest proces este mediat de adezine care fac parte din capsida virală sau învelișul membranei. Interacțiunea adezinelor virale cu receptorii celulari specifici definește tropismul (direcționarea preferențială) a virușilor pentru celule, țesuturi și organe specifice din corp. Hemagglutinina proteică spike găsită pe virusul gripal este un exemplu de adezină virală, permite virusului să se lege de acidul sialic de pe membrana celulelor respiratorii și intestinale ale gazdei. O altă adezină virală este glicoproteina gp20, găsită pe HIV. Pentru ca HIV să infecteze celulele sistemului imunitar, acesta trebuie să interacționeze cu doi receptori de pe suprafața celulelor. Prima interacțiune implică legarea între gp120 și markerul celular CD4 care se găsește pe unele celule esențiale ale sistemului imunitar. Cu toate acestea, înainte de apariția intrării virale în celulă, trebuie să apară o a doua interacțiune între gp120 și unul dintre cei doi receptori de chemokine (CCR5 și CXCR4). Tabelul 15.11 listează adezinele pentru unii agenți patogeni virali obișnuiți și siturile specifice la care aceste adezine permit atașarea virușilor.

Unele adezine virale și site-urile lor de atașament a gazdei
Patogen Boală Adezina Site de atașament
Virus gripal Gripa Hemaglutinină Acid sialic al celulelor respiratorii și intestinale
Virusul Herpes simplex I sau II Herpes oral, herpes genital Glicoproteine ​​gB, gC, gD Heparan sulfat pe suprafețele mucoasei gurii și organelor genitale
Virusul imunodeficienței umane HIV / SIDA Glicoproteina gp120 CD4 și CCR5 sau CXCR4 ale celulelor sistemului imunitar

Variația antigenică în viruși

Variația antigenică apare, de asemenea, în anumite tipuri de virusuri învelite, inclusiv virusurile gripale, care prezintă două forme de variație antigenică: deriva antigenică și schimbarea antigenică (Figura 15.18). Deriva antigenică este rezultatul mutațiilor punctuale care determină ușoare modificări ale proteinelor vârf hemaglutinină (H) și neuraminidază (N). Pe de altă parte, schimbarea antigenică este o schimbare majoră a proteinelor spike datorită reasortării genelor. Această reasortare pentru schimbarea antigenică apare de obicei atunci când doi viruși gripali diferiți infectează aceeași gazdă.

Rata variației antigenice a virusurilor gripale este foarte mare, ceea ce face dificilă recunoașterea de către sistemul imunitar a multor tulpini diferite de virus gripal. Deși organismul poate dezvolta imunitate la o tulpină prin expunere naturală sau vaccinare, variația antigenică are ca rezultat apariția continuă a noilor tulpini pe care sistemul imunitar nu le va recunoaște. Acesta este principalul motiv pentru care vaccinurile împotriva virusului gripal trebuie administrate anual. În fiecare an, vaccinul antigripal oferă protecție împotriva celor mai răspândite tulpini pentru acel an, dar tulpinile noi sau diferite pot fi mai răspândite în anul următor.

Link către învățare

Pentru o altă explicație a modului în care apar schimbarea și deriva antigenică, urmăriți acest videoclip.


Referințe

Lowy, F.D. Staphylococcus aureus infecții. N. Engl. J. Med. 339, 520–532 (1998).

DeLeo, F.R. & amp Chambers, H.F. Reemergence of antibiot-resistant Staphylococcus aureus în era genomicii. J. Clin. Investi. 119, 2464–2474 (2009).

Klein, E., Smith, D.L. & amp Laxminarayan, R. Spitalizări și decese cauzate de rezistența la meticilină Staphylococcus aureus, Statele Unite, 1999-2005. Emerg. Infecta. Dis. 13, 1840–1846 (2007).

Arias, C.A. & amp Murray, B.E. Bug-urile rezistente la antibiotice în secolul 21 - o super-provocare clinică. N. Engl. J. Med. 360, 439–443 (2009).

Kloos, W.E. & amp Jorgensen, J.H. Stafilococi. în Manual de Microbiologie Clinică edn. 4 (ed. Lennette, E.H., Balows, A., Hausler Jr., W.J. & amp Shadomy, H.J.) 143–153 (American Society for Microbiology, Washington, DC, 1985).

Liu, C.I. și colab. Un inhibitor al biosintezei colesterolului blochează Staphylococcus aureus virulenţă. Ştiinţă 319, 1391–1394 (2008).

Clauditz, A., Resch, A., Wieland, K.P., Peschel, A. & amp Götz, F. Staphyloxanthin joacă un rol în fitnessul Staphylococcus aureus și capacitatea sa de a face față stresului oxidativ. Infecta. Imun. 74, 4950–4953 (2006).

Liu, G.Y. și colab. Staphylococcus aureus pigmentul auriu afectează uciderea neutrofilelor și promovează virulența prin activitatea sa antioxidantă. J. Exp. Med. 202, 209–215 (2005).

Pelz, A. și colab. Structura și biosinteza stafiloxantinei din Staphylococcus aureus. J. Biol. Chem. 280, 32493–32498 (2005).

Kim, S.H. & amp Lee, P.C. Expresia funcțională și extinderea căii biosintetice stafilococice a stafiloxantinei în Escherichia coli. J. Biol. Chem. 287, 21575–21583 (2012).

Bischoff, M. și amp Berger-Bächi, B. Mutațiile selectate de stres Teicoplanin crescând activitatea sigma (B) în Staphylococcus aureus. Antimicrob. Agenți Chemother. 45, 1714–1720 (2001).

Palma, M. & amp Cheung, A.L. sigma (B) activitate în Staphylococcus aureus este controlat de RsbU și de un factor suplimentar în timpul creșterii bacteriene. Infecta. Imun. 69, 7858–7865 (2001).

Lan, L., Cheng, A., Dunman, P.M., Missiakas, D. & amp He, C. Producția de pigment auriu și expresia genei de virulență sunt afectate de metabolismele din Staphylococcus aureus. J. Bacteriol. 192, 3068–3077 (2010).

Fey, P.D. și colab. O resursă genetică pentru screeningul rapid și cuprinzător al fenotipului neesențial Staphylococcus aureus gene. MBio 4, e00537-12 (2013).

Ding, Y. și colab. Senzor metabolic care guvernează virulența bacteriană în Staphylococcus aureus. Proc. Natl. Acad. Știință. Statele Unite ale Americii 111, E4981 – E4990 (2014).

Liu, Y. și colab. SsrA (tmARN) acționează ca un ARN antisens pentru reglare Staphylococcus aureus sinteza pigmentară prin asocierea bazelor cu ARNm crtMN. FEBS Lett. 584, 4325–4329 (2010).

Duthie, E.S. & amp Lorenz, L.L. Mod de acțiune și antigenicitate a coagulazei stafilococice. J. Gen. Microbiol. 6, 95–107 (1952).

Porretta, G.C. și colab. Agenți antifungici, partea 11. Analogii bifenilici ai naftifinei: sinteză și activități antifungice. Arc. Pharm. (Weinheim) 328, 667–672 (1995).

Gupta, A.K., Ryder, J.E. & amp Cooper, E.A. Naftifină: o recenzie. J. Cutan. Med. Surg. 12, 51–58 (2008).

Wieland, B. și colab. Analize genetice și biochimice ale biosintezei carotenoidului galben 4,4′-diaponeurosporene al Staphylococcus aureus. J. Bacteriol. 176, 7719–7726 (1994).

Russell, R.G. Ibandronat: farmacologie și studii preclinice. Os 38 (supl. 1), S7 – S12 (2006).

Leejae, S., Hasap, L. & amp Voravuthikunchai, S. P. Inhibarea biosintezei stafiloxantinei în Staphylococcus aureus de rodomirtonă, un nou candidat la antibiotice. J. Med. Microbiol. 62, 421–428 (2013).

Pantoliano, M.W. și colab. Analize de schimbare termică miniaturizate cu densitate mare ca strategie generală pentru descoperirea medicamentelor. J. Biomol. Ecran. 6, 429–440 (2001).

Martinez Molina, D. și colab. Monitorizarea implicării țintei medicamentului în celule și țesuturi utilizând testul de deplasare termică celulară. Ştiinţă 341, 84–87 (2013).

Raisig, A. & amp Sandmann, G. 4,4′-diapophytoene desaturase: proprietăți catalitice ale unei enzime din calea carotenoidă C30 a Staphylococcus aureus. J. Bacteriol. 181, 6184–6187 (1999).

Furubayashi, M., Li, L., Katabami, A., Saito, K. & amp Umeno, D. Construcția căilor biosintetice carotenoide utilizând squalene sintaza. FEBS Lett. 588, 436–442 (2014).

David, M.Z. & amp Daum, R.S. Rezistență la meticilină asociată comunității Staphylococcus aureus: epidemiologie și consecințe clinice ale unei epidemii emergente. Clin. Microbiol. Rev. 23, 616–687 (2010).

Kuroda, M. și colab. Secvențierea genomului întreg al meticilinei rezistente Staphylococcus aureus. Lancet 357, 1225–1240 (2001).

El-Gohary, M. și colab. Tratamente antifungice topice pentru tinea cruris și tinea corporis. Baza de date Cochrane Syst. Rev. 8, CD009992 (2014).

Belter, A. și colab. Squalene monooxigenaza - o țintă pentru terapia hipercolesterolemică. Biol. Chem. 392, 1053–1075 (2011).

Volkman, J.K. Steroli în microorganisme. Aplic. Microbiol. Biotehnologie. 60, 495–506 (2003).

Alsterholm, M., Karami, N. & amp Faergemann, J. Activitatea antimicrobiană a produselor farmaceutice topice pentru piele - o in vitro studiu. Acta Derm. Venereol. 90, 239–245 (2010).

Nolting, S. & amp Bräutigam, M. Relevanța clinică a activității antibacteriene a terbinafinei: o comparație contralaterală între 1% cremă terbinafină și 0,1% cremă sulfat de gentamicină în piodermă. Fr. J. Dermatol. 126 (supl. 39), 56-60 (1992).

Ciftci, E., Guriz, H. & amp Aysev, A.D. Mupirocin vs terbinafine în impetigo. Indian J. Pediatr. 69, 679–682 (2002).

Koning, S. și colab. Intervenții pentru impetigo. Baza de date Cochrane Syst. Rev. 1, CD003261 (2012).

Hammond, R.K. & amp White, D.C. Inhibarea vitaminei K2 și sinteza carotenoidelor în Staphylococcus aureus de difenilamină. J. Bacteriol. 103, 611–615 (1970).

Raisig, A. & amp Sandmann, G. Proprietăți funcționale ale diapofitoenei și desaturazele conexe ale căilor biosintetice carotenoide C30 și C40. Biochim. Biofizi. Acta 1533, 164–170 (2001).

Bae, T. și colab. Staphylococcus aureus gene de virulență identificate prin mutageneză a bursei aureale și uciderea nematodelor. Proc. Natl. Acad. Știință. Statele Unite ale Americii 101, 12312–12317 (2004).

Schaub, P. și colab. Despre structura și funcția fitoene desaturazei CRTI din Pantoea ananatis, o oxidază / izomerază membrana-periferică și FAD-dependentă. Plus unu 7, e39550 (2012).

Lineweaver, H. & amp Burk, D. Determinarea constantelor de disociere a enzimei. J. Am. Chem. Soc. 56, 658–666 (1934).


Prezentări generale

S-ar putea argumenta că evoluția virulenței este un domeniu în care aproape există mai multe recenzii decât articole de cercetare. Locul de pornire este probabil Ewald 1994, care rezumă punctul de vedere al autorului cu privire la adaptarea la virulență. Cu toate acestea, Zimmer 2003 este accesibil unui public mai larg. Unele recenzii oferă un accent pe aspecte specifice Bull 1994, de exemplu, discută despre virulență din punctul de vedere al unui biolog molecular, în timp ce Ebert și Herre 1996 se concentrează pe modelul de transmitere și constrângerile genetice. Frank 1996 se remarcă drept una dintre primele recenzii ale modelelor matematice pentru evoluția virulenței. Frank discută, de asemenea, probleme de selecție a rudelor, un subiect ridicat și în Chao și colab. 2000, dar dintr-o latură mai experimentală. Mackinnon și Read 2004 este interesant, deoarece analizează evoluția virulenței prin lucrări efectuate pe un singur parazit, Plasmodium. În cele din urmă, Schmid-Hempel 2011 este foarte detaliat și conține o bogată bibliografie pe această temă. De fapt, multe dintre subiectele tratate în această revizuire sunt discutate și de Schmid-Hempel.

Bull, J. J. 1994. Virulența. Evoluţie 48.5: 1423–1437.

Această revizuire generală detaliază diferitele explicații cu privire la motivul pentru care agenții patogeni își dăunează gazdei, cu un accent special pe nivelurile de selecție. Disponibil online pentru cumpărare sau prin abonament.

Chao, L., K. A. Hanley, C. L. Burch, C. Dahlberg și P. E. Turner. 2000. Selecția kinilor și evoluția paraziților: virulență mai mare și mai mică cu selecție dură și moale. Revizuirea trimestrială a biologiei 75.3: 261–275.

O revizuire care se concentrează mai specific asupra modului în care selecția rudelor ne poate ajuta să înțelegem evoluția virulenței, în special contextul infecțiilor genetice diverse, în care relația dintre paraziții coinfectanți poate varia. Disponibil online pentru cumpărare sau prin abonament.

Ebert, D. și E. A. Herre. 1996. Evoluția bolilor parazitare. Parazitologie astăzi 12.3: 96–101.

O revizuire generală asupra evoluției virulenței, cu un accent deosebit pe constrângerile genetice și pe transmisia verticală. Disponibil online pentru cumpărare sau prin abonament.

Ewald, P. W. 1994. Evoluția bolilor infecțioase. Oxford: Oxford Univ. Presa.

Această carte este una dintre cele mai accesibile publicații pe această temă. Paul Ewald susține ideea că evoluția virulenței poate fi înțeleasă și dirijată. Faptul că aceasta este o carte cu un singur autor face mai ușor de citit. Rețineți că o versiune mai scurtă a argumentului său a fost publicată în 1993 în American științific.

Frank, S. A. 1996. Modele de virulență parazitară. Revizuirea trimestrială a biologiei 71.1: 37–78.

Această lungă revizuire pune un accent special pe abordările matematice ale evoluției virulenței, în special pe cea bazată pe teoria selecției rudelor. De asemenea, oferă cititorului o prezentare detaliată a teoriei și rămâne una dintre cele mai informative recenzii. Disponibil online pentru cumpărare sau prin abonament.

Mackinnon, M. J. și A. F. Read. 2004. Virulența în malarie: un punct de vedere evolutiv. Tranzacții filozofice ale Societății Regale B: Științe biologice 359.1446: 965–986.

O analiză sa concentrat asupra cazului malariei, care este unul dintre cele mai studiate organisme în acest context. Acesta ilustrează modul în care aceste întrebări generale despre evoluția virulenței pot fi aplicate în cazul unui parazit specific.

Schmid-Hempel, P. 2011. Parazitologie evolutivă: Studiul integrat al infecțiilor, imunologiei, ecologiei și geneticii. Oxford: Oxford Univ. Presa.

O carte recentă axată pe evoluția paraziților. Evoluția virulenței are un loc central în ea, iar capitolul este foarte pedagogic, cu cutii utile. Acesta este probabil primul loc pentru a căuta o prezentare detaliată, recentă și clară a subiectului. Este, de asemenea, cel mai bun loc pentru a găsi o bibliografie extinsă pe această temă.

Zimmer, C. 2003. Îmblânzirea agenților patogeni: O idee elegantă, dar funcționează? Ştiinţă 300.5624: 1362–1364.

Un articol al scriitorului științific Carl Zimmer despre fezabilitatea controlului evoluției virulenței. O lectură distractivă pentru un public larg. Disponibil online pentru cumpărare sau prin abonament.

Utilizatorii fără abonament nu pot vedea conținutul complet pe această pagină. Vă rugăm să vă abonați sau să vă autentificați.


Referințe

  1. ↑ Institutul de tehnologii de evaluare a educației în asistență medicală. „Îngrijirea rănilor: anatomia și fiziologia vindecării rănilor.”
  2. ↑ Dowd, Scot E., Randall D. Wolcott, Yan Sun, Trevor McKeehan, Ethan Smith și Daniel Rhoads. „Natura polimicrobiană a infecțiilor biofilmului ulcerului piciorului diabetic cronic determinate utilizând pirozecvențierea FLX Amplicon codificat cu etichetă bacteriană (bTEFAP)”. 2008. PLOS ONE 3 (10): e3326. DOI: 10.1371 / journal.pone.0003326.
  3. ↑ Paddock, Catharine. „Bacteriile care trăiesc pe piele pot afecta modul în care se vindecă rănile.” 2 mai 2014. Știri medicale astăzi.
  4. ↑ 4.04.1Watters, Chase, Katrina DeLeon, Urvish Trivedi, John A. Griswold, Mark Lyte, Ken J. Hampel, Matthew J. Wargo și Kendra P. Rumbaugh. „Pseudomonas aeruginosa biofilmele perturbă rezoluția plăgii și toleranța la antibiotice la șoarecii diabetici. ” 2013. Microbiologie și imunologie medicală 202: 131-141. DOI: 10.1007 / s00430-012-0277-7.
  5. ↑ „Rezumat executiv IDF Diabetes Atlas”. Ediția a VII-a. 2015. Federația Internațională a Diabetului.
  6. ↑ 6.06.1 Attinger, Christopher și Randy Wolcott. „Abordarea clinică a biofilmului în răni cronice.” 2011. Advances in Wound Care, 1 (3): 127-132. DOI: 10.1089 / rană.2011.0333.
  7. ↑ 7.07.17.2 Watters, Chase, Jake A. Everett, Cecily Haley, Allie Clinton și Kendra P. Rumbaugh. Tratamentul cu insulina moduleaza sistemul imunitar gazda pentru a imbunatati Pseudomonas aeruginosa Rana Biofilms. " 2014. Infecție și imunitate 82 (1): 92-100. DOI: 10.1128 / IAI.00651-13.
  8. ↑ 8.08.1 Slonczewski, Joan L. și John W. Foster. Microbiologia: o știință în evoluție Capitolul 4 Cultura, creșterea și dezvoltarea bacteriilor. 2013.
  9. ↑ 9.09.1Joo, Hwang-Soo și Michael Otto. „Baza moleculară a formării biofilmului in vivo de către agenții patogeni bacterieni.” 2012. Chimie și amp Biologie 19: 1503-1513. DOI: 10.1016 / j.chembiol / 2012.10.022.
  10. ↑ Ventolini, Gary. „Vaginal Lactobacillus: formarea biofilmului in vivo - implicații clinice. ” 2015. International Journal of Women’s Health 7: 243-247.
  11. ↑ Donlan, Rodney M. „Eliminarea biofilmului pe catetere intravasculare: considerații importante pentru practicantul bolilor infecțioase”. 2011.Boli clinice infecțioase 52 (8): 1038-1045. DOI: 10.1093 / cid / cir077.
  12. ↑ 12.012.112.212.312.4Tuttle, Marie S., Eliot Mostow, Pranab Mukherjee, Fen Z. Hu, Rachael melton-Kreft, Garth D. Ehrlich, Scot E. Dowd și Mohmoud A. Ghannoum. "Caracterizarea comunităților bacteriene în rănile cu insuficiență venoasă prin utilizarea culturii convenționale și a metodelor de diagnostic molecular." 2011. Journal of Clinical Microbiology 49 (11): 3812-3819. DOI: 10.1128 / JCM.00847-11.
  13. ↑ Percival, Steven L. și Philip G. Bowler. „Biofilmele și rolul lor potențial în vindecarea rănilor.” 2004. Rani 16 (7).
  14. ↑ Hill, Katja E., Sladjana Malic, Ruth McKee, Tracy Rennison, Keith G. Harding, David W. Williams și David W. Thomas. Un model in vitro al biofilmelor cronice ale plăgilor pentru a testa pansamentele pentru plăgi și pentru a evalua susceptibilitățile antimicrobiene. 2010. Jurnalul de chimioterapie antimicrobiană: 1-12. DOI: 10.1093 / jac / dkq105.
  15. ↑ 15.015.1 Bertesteanu, Serban, Stefanos Triaridis, Milan Stankovic, Veronica Lazar, Mariana Carmen Chifiriuc, Mihaela Vlad și Raluca Grigore. "Infecții ale plăgilor polimicrobiene: fiziopatologie și abordări terapeutice actuale." 2014. International Journal of Pharmaceutics 463: 119-126. DOI: 10.1016 / j.ijpharm.2013.12.012.
  16. ↑ Dowd, Scot E., Randall D. Wolcott, Yan Sun, Trevor McKeehan, Ethan Smith și Daniel Rhoads. „Natura polimicrobiană a infecțiilor biofilmului ulcerului piciorului diabetic cronic determinate utilizând pirozecvențierea FLX Amplicon codificat cu etichetă bacteriană (bTEFAP)”. 2008. PLOS ONE 3 (10): e3326. DOI: 10.1371 / journal.pone.0003326.
  17. ↑ „Bacteriile pielii ar putea ajuta la vindecarea rănilor”. Țesut avansat, 21 mai 2014.
  18. ↑ Jefferson, Kimberly K. „Ce determină bacteriile să producă un biofilm?” 2004. FEMS Microbiology Letters 236 (2): 163-173. DOI: 10.1111 / j.1574-6968.2004.tb09643.x
  19. ↑ Ito, Akinobu, Asami Taniuchi, Thithiwat May, Koji Kawata și Satoshi Okabe. „Creșterea rezistenței la antibiotice a Escherichia coli în biofilmele mature”. 2009. Microbiologie aplicată și de mediu 75 (12): 4093-4100. DOI: 10.1128 / AEM.02949-08.
  20. ↑ Ryall, Ben, Marta Carrara, James E. A. Zlosnik, Volker Behrends, Xiaoyun Lee, Zhen Wong, Kathryn E. Lougheed și Huw D. Williams. „Comutatorul mucoid din Pseudomonas aeruginosa reprimă sistemele de detectare a cvorumului și conduce la modificări complexe ale reglementării factorului de virulență a fazei staționare.” 2014. PLoS One 9 (5): e96166. DOI: 10.1371 / journal.pone.0096166.
  21. ↑ Weimer, Kristin E.D., Richard A. Juneau, Kyle A. Murrah, Bing Pang, Chelsie E. Armbruster, Stephen H. Richardson și W. Edward Swords. „Mecanisme divergente pentru rezistența pneumococică pasivă la antibiotice b-lactamice în prezența gripei Haemophilus.” 2011. Journal of Infectious Diseases 203 (4): 549-555. DOI: 10.1093 / infdis / jiq087.
  22. ↑ 22.022.1 Khalifa, Anis Ben Haj, Didier Moissenet, Hoang Vu Thien și Mohamed Khedher. „Les facteurs de virulence de Pseudomonas aeruginosa& # 160: mécanismes și modes de régulations ”(Factori de virulență în Pseudomonas aeruginosa: mecanisme și moduri de reglementare). 2011. Annales de Biologie Clinique 69 (4): 393-403. DOI: 10.1684 / abc.2011.0589.
  23. ↑ Tamura, Yutaka, Shoko Suzuki și Takuo Sawada. „Rolul elastazei ca factor de virulență în experiment Pseudomonas aeruginosa infecție la șoareci. ” 1991. Patogenia microbiană 12 (3): 237-244. DOI: 10.1016 / 0882-4010 (92) 90058-V.
  24. ↑ Azghani, A.O. "Pseudomonas aeruginosa și permeabilitatea epitelială: rolul factorilor de virulență elastază și exotoxină A. "1996. American Journal of Respiratory Cell and Molecular Biology 15 (1): 132-40. DOI: 10.1165 / ajrcmb.15.1.8679217
  25. ↑ 25.025.1 Jensen, Peter Ø., Thomas Bjarnsholt, 2 Richard Phipps, Thomas B. Rasmussen, 2 Henrik Calum, Lars Christoffersen, laus Moser, Paul Williams, Tacjana Pressler, Michael Givskov și Niels Høiby. „Uciderea necrotică rapidă a leucocitelor polimorfonucleare este cauzată de producția controlată de ramnolipid a cvorumului. Pseudomonas aeruginosa. "2007. Microbiologie 153 (5): 1329-1338. DOI: 10.1099 / mic.0.2006 / 003863-0.
  26. ↑ Zhao, Ge, Marcia L. Usui, Soyeon I. Lippman, Garth A. James, Philip S. Stewart, Philip Fleckman și John E. Olerud. „Biofilme și inflamații în rănile cronice”. 2013. Advances in Wound Care 2 (7): 389-399. DOI: 10.1089 / rană.2012.0381.
  27. ↑ Wolcott, R.D., K.P. Rumbaugh, G. James, G Schultz, P. Phillips, Q. Yang, C. Watters, P.S. Stewart și S.E. Dowd. „Studiile privind maturitatea biofilmului indică faptul că debridarea bruscă deschide o fereastră terapeutică dependentă de timp.” 2010. Journal of Wound Care 19 (8): 320-328. DOI: 10.12968 / jowc.2010.19.8.77709.
  28. ↑ Duplantier, Allen J. și Monique L. Van Hoek. Peptida antimicrobiană catelicidină umană LL-37 ca tratament potențial pentru rănile polimicrobiene infectate. 2013. Frontiers in Immunology 4 (143): 1-14. DOI: 10.3389 / fimmu.2013.00143.

Autor pentru BIOL 238 Microbiology, predat de Joan Slonczewski, 2016, Kenyon College.


Tehnologie ADN recombinantă și producție farmaceutică

Ingineria genetică a oferit o modalitate de a crea noi produse farmaceutice numite produse farmaceutice ADN recombinant. Astfel de produse includ antibiotice, vaccinuri și hormoni utilizați pentru tratarea diferitelor boli. Tabelul listează exemple de produse ADN recombinante și utilizările acestora.

De exemplu, căile de sinteză a antibioticelor care apar în mod natural ale diferitelor Streptomycesspp., cunoscute de mult timp pentru capacitățile lor de producere a antibioticelor, pot fi modificate pentru a îmbunătăți randamentele sau pentru a crea noi antibiotice prin introducerea de gene care codifică enzime suplimentare. Peste 200 de antibiotice noi au fost generate prin inactivarea țintită a genelor și noua combinație de gene de sinteză a antibioticelor în producătorii de antibiotice Streptomyces gazde. 3

Ingineria genetică este, de asemenea, utilizată pentru fabricarea vaccinuri subunitare, care sunt mai sigure decât alte vaccinuri, deoarece conțin doar o singură moleculă antigenică și nu au nicio parte a genomului agentului patogen (vezi Vaccinuri). De exemplu, un vaccin pentru hepatita B este creat prin inserarea unei gene care codifică o proteină de suprafață a hepatitei B într-o drojdie, drojdia produce apoi această proteină, pe care sistemul imunitar uman o recunoaște ca antigen. Antigenul hepatitei B este purificat din culturi de drojdie și administrat pacienților ca vaccin. Chiar dacă vaccinul nu conține virusul hepatitei B, prezența proteinei antigenice stimulează sistemul imunitar să producă anticorpi care vor proteja pacientul împotriva virusului în caz de expunere. 4 5

Ingineria genetică a fost, de asemenea, importantă în producerea altor proteine ​​terapeutice, cum ar fi insulină, interferoni, și hormon de creștere uman, pentru a trata o varietate de afecțiuni medicale umane. De exemplu, la un moment dat, a fost posibil să se trateze diabetul numai prin administrarea de insulină de porc pacienților, care au provocat reacții alergice din cauza diferențelor mici dintre proteinele exprimate în insulina umană și cea de porc. Cu toate acestea, din 1978, tehnologia ADN-ului recombinant a fost utilizată pentru a produce cantități mari de insulină umană folosind E coli într-un proces relativ ieftin care produce un produs farmaceutic mai eficient. Oamenii de știință au, de asemenea, proiectat genetic E coli capabil să producă hormon de creștere uman (HGH), care este utilizat pentru tratarea tulburărilor de creștere la copii și a altor tulburări la adulți. Gena HGH a fost donată dintr-o bibliotecă de ADNc și introdusă în E coli celulelor prin clonarea acestuia într-un vector bacterian. În cele din urmă, ingineria genetică va fi utilizată pentru a produce Vaccinuri ADN și diverse terapii genetice, precum și medicamente personalizate pentru combaterea cancerului și a altor boli.

Unele produse și aplicații farmaceutice modificate genetic

Produs ADN recombinant

Peptida natriuretică atrială

Tratamentul bolilor de inimă (de exemplu, insuficiență cardiacă congestivă), boli de rinichi, hipertensiune arterială

Tratamentul secrețiilor pulmonare vâscoase în fibroza chistică

Tratamentul anemiei severe cu afectarea rinichilor

Prevenirea infecției cu hepatită B.

Tratamentul deficitului de hormon de creștere, sindromul Turner, arsuri

Tratamentul sclerozei multiple, a diferitelor tipuri de cancer (de exemplu, melanom), infecții virale (de exemplu, hepatita B și C)

Activator de plasminogen tisular

Tratamentul emboliei pulmonare în accident vascular cerebral ischemic, infarct miocardic

  • Ce bacterie a fost proiectată genetic pentru a produce insulină umană pentru tratamentul diabetului?
  • Explicați modul în care microorganismele pot fi proiectate pentru a produce vaccinuri.

Unul dintre primii pași în orice infecție virală este adeziunea virusului la receptori specifici de pe suprafața celulelor. Acest proces este mediat de adezine care fac parte din capsidă virală sau adezine virale. Interacțiunea dintre adezine virale cu receptori celulari specifici definește tetropismul (direcționarea preferențială) a virușilor pentru celule, țesuturi și organe specifice din corp. Proteina spike hemaglutinină găsit pe Virus gripal este un exemplu de adezină virală, permite virusului să se lege de acidul tesialic pe membrana celulelor respiratorii și intestinale ale gazdei. O altă adezină virală este glicoproteina gp20, găsită pe HIV. Pentru ca HIV să infecteze celulele sistemului imunitar, acesta trebuie să interacționeze cu doi receptori de pe suprafața celulelor. Prima interacțiune implică legarea între gp120 și markerul celular CD4 care se găsește pe unele celule esențiale ale sistemului imunitar. Cu toate acestea, înainte de apariția intrării virale în celulă, trebuie să apară o a doua interacțiune între gp120 și unul dintre cei doi receptori de chemokine (CCR5 și CXCR4). Tabelul listează adezinele pentru unii agenți patogeni virali obișnuiți și siturile specifice la care aceste adezine permit atașarea virușilor.

Unele adezine virale și site-urile lor de atașament a gazdei


Rezultate si discutii

Caracteristici generale ale Blastocystisgenomului

Genomul unei Blastocystis subtipul 7 a fost rezolvat prin electroforeză pe gel cu câmp pulsat și au fost caracterizate 15 benzi cromozomice. Secvența finală asamblată este distribuită în 54 de schele și genomul dedus are o dimensiune de 18,8 Mb (acoperire a secvenței de 16,5 ori), care este mult mai mică decât stramenopilii paraziți ai plantelor (Phytophthora infestans, 240 Mb P. sojae, 95 Mb Phytophthora ramorum, 65 Mb) și, de asemenea, mai mic decât stramenopile liberi (Phaeodactylum tricornutum, 27,4 Mb T. pseudonana, 34,5 Mb). Adnotarea de referință a Blastocystis genomul subtipul 7 conține 6.020 de gene, acoperind aproximativ 42% din genom (Tabelul 1). Numărul mediu de exoni per genă este de 4,6 pentru genele multiexonice, iar 929 de gene sunt monoexonice. Compactarea în acest genom al parazitului este reflectată de lungimea scurtă a regiunilor intergenice (1.801 pb), acoperirea repetată relativ redusă (25%) și, mai izbitor, de dimensiunea foarte scurtă a intronilor, cu o distribuție ascuțită a lungimii de aproximativ 32 nucleotide (Figura S1 în fișierul suplimentar 1). Un total de 38 de unități de rADN organizate în unități transcripționale, incluzând o genă mică de ARNr subunitate, o genă ARNr 5.8S și o genă mare ARNr subunitară în orientare 5'-3 ', au fost detectate în genom. Mărimile subunității mici, subunității mari și genei ARNr 5.8S sunt de 1,8 kb, 2,45 kb și respectiv 0,44 kb. Unele unități sunt duplicate în tandem, până la patru copii pe schela 18, iar unele pot fi, de asemenea, localizate în regiuni subtelomerice, așa cum este revelat printr-o co-cartografiere a secvențelor telomerice și a subunităților ADNr la schelele 6 și 9 ale extremităților. Aceste două schele ar putea corespunde unor cromozomi întregi. Datorită metodei de secvențiere, unele unități sunt incomplete (fie trunchiate, fie lipsite de gene). Alinierea a 20 de gene ARNr subunitate mici complete arată polimorfism între copii, ceea ce este, de asemenea, cazul pentru 29 de copii gene ARN subunitate mari.

Numărul de gene din Blastocystis (6.020) este redus în comparație cu alte stramenopile (P. infestans, 17,797 P. sojae, 19,027 P. ramorum, 15,743 P. tricornutum, 10,402 T. pseudonana, 11.776). În mod surprinzător, o mare parte a genelor au fost probabil duplicate din moment ce au fost identificate 404 grupe de gene paralogice care codifică proteinele, conținând 1.141 gene, adică 19% din Blastocystis gene (vezi Material și metode). Cu excepția marilor familii multigenice (până la 32 de gene cu un domeniu de pliere a histonelor și 20 de gene cu un domeniu de feredoxină 4Fe-4S), majoritatea genelor duplicate sunt prezente în doar două copii (Figura S2 în fișierul suplimentar 1). După cum este descris în alte organisme [27, 28], genele duplicate sunt mai conservate decât genele cu o singură copie din Blastocystis sp. Într-adevăr, au mai mulți ortologi (definiți ca cel mai bun hit reciproc (BRH), vezi Materiale și metode) și prezintă asemănări mai mari cu ortologii lor (Figura S3 în fișierul suplimentar 1). De asemenea, au tendința de a afișa niveluri de expresie mai mari decât genele cu o singură copie (Figura S4 în fișierul suplimentar 1).

Am investigat dacă aceste duplicări genetice ar fi putut proveni dintr-o dublare a genomului întreg (WGD) sau duplicări segmentare la scară mai mică. WGD, duplicarea întregului genom prin poliploidizare, s-a dovedit că a jucat un rol cheie în istoria evoluției mai multor descendențe de animale și plante [27, 29-31]. Duplicările segmentare apar în mod continuu prin mai multe mecanisme care pot duplica părți ale genelor, gene întregi sau mai multe gene adiacente. Aceste mecanisme includ încrucișarea inegală sau conversia genelor și duplicarea în tandem [32-34]. Am reușit să identificăm 320 de blocuri de gene duplicate, adică segmente paralogice ale mai multor gene adiacente (a se vedea Materiale și metode), dintre care unele sunt foarte mari (până la 100 kb), sugerând un WGD. Aceste blocuri acoperă aproximativ 39% din genom (7,3 din 18,8 Mb), reprezentând 38% (5,15 din 13,65 Mb) din fracția nerepusă a genomului. Așa cum se arată în Figura 1, fiecare schelă este un mozaic de blocuri de omologie cu alte câteva schele: schelele nu pot fi grupate pe perechi, așa cum s-ar aștepta de la un WGD recent. În plus, unele segmente sunt prezente în mai mult de două copii ale genomului (apar în negru în Figura 1), sugerând că duplicările segmentare sunt susceptibile să fi jucat un rol în modelul de duplicare actual. Cu toate acestea, blocurile duplicate nu sunt adesea pe aceeași schelă și nici în tandem, ceea ce exclude modelul de duplicare în tandem. Comparația copiilor paralogice arată rate de identitate surprinzător de ridicate ale acidului nucleic: în medie, 99% în regiunile de codificare, 98,4% în regiunile netraduse și 97,8% în introni și regiuni intergenice. Interesant, aceste valori sunt omogene între toate blocurile paralogice, sugerând că toate blocurile au fost duplicate în același timp.

Blocuri de gene duplicate în Blastocystis sp. genomului. Pentru fiecare schelă (de la 0 la 25), blocurile duplicate sunt afișate cu culori corespunzătoare schelelor unde se află blocurile paralogice (pe schelele 0 la 19, 21, 22, 24, 25, 27, 28, 30). Sub fiecare schelă, densitatea de repetare este afișată ca o scară de gri: de la 0% (alb) la 100% (negru) se repetă în ferestrele de 10 kb.

Două ipoteze ar putea explica originea acestor blocuri duplicate. În primul rând, duplicatele ar fi putut proveni dintr-o întreagă duplicare a genomului care a avut loc recent (deoarece copiile sunt încă foarte asemănătoare) și a fost urmată de rearanjări rapide ale genomului și pierderi de copii ale genelor. Omologia ridicată dintre copiile genetice ar putea rezulta, de asemenea, dintr-o rată ridicată de omogenizare prin conversia genelor determinată de frecvența ridicată a rearanjărilor. Rearanjările frecvente în Blastocystis genealogia sunt probabil și motivul pentru care nu s-a putut detecta o sinteză extinsă între Blastocystis sp. și alte stramenopile. În al doilea rând, duplicatele ar fi putut să apară și prin duplicări segmentare (favorizate de rata ridicată a rearanjărilor), deși divergența relativ uniformă între copii este mai simptomatică pentru un singur eveniment și ar implica o explozie de duplicări segmentare pe o perioadă scurtă sau foarte rata mare de omogenizare prin recombinare. Modelul intrigant al duplicărilor genetice, cauzat probabil de rata ridicată a rearanjărilor în Blastocystis genomului, face imposibilă determinarea careui scenariu este cel mai probabil. Ar putea fi interesant să se secvențeze alte subtipuri pentru a determina dacă rata ridicată de recombinare (pierderea sinteniei) și modelul de duplicări observate în subtipul 7 este o caracteristică comună în această linie.

Transferul de gene endosimbiotice și orizontale în Blastocystissp

Analizele filogenetice au relevat două gene de posibilă origine cianobacteriană în genomul Blastocystis, cei care codifică fosfogliceratul kinază [GenBank: CBK20833] și 6-fosfogluconatul dehidrogenază [GenBank: CBK22626] (Figura S5 în fișierul suplimentar 1). Este important de observat că genele care codifică 6-fosfogluconatul dehidrogenază au fost identificate la protiștii ne-fotosintetici precum Heterolobosea (neprezentată). Acest lucru a fost interpretat ca transfer secundar de gene orizontale (HGT) de la eucariote fotosintetice la Heterolobosea [35, 36].

Prezența plastidelor în diverse linii stramenopile fotosintetice (de exemplu, diatomee, crizofite, raphidofite) a fost interpretată ca o endosimbioză secundară care a avut loc între algele roșii și strămoșul acestor grupuri. Prin contrast, semnificația evolutivă a lipsei de plastide în unele linii heterotrofe stramenopile (de exemplu, oomicete, bicosoeside) este încă în discuție: indică pierderi secundare ale plastidului dobândit de strămoșul tuturor stramenopilelor? Sau reflectă faptul că endosimbioza secundară la originea plastidelor stramenopile nu a apărut la strămoșul lor comun, ci după divergența de linii heterotrofe [37]? Prezența genelor de origine cianobacteriană în Blastocystis susține prima ipoteză chiar dacă nu putem exclude posibilele achiziții recente de gene de origine cloroplastică din eucariote fotosintetice ca în cazul Heterolobosea.

HGT este important în evoluție ca mecanism adaptativ al eucariotelor microbiene la condițiile de mediu [38, 39] și se știe că joacă un rol important în stramenopile. De exemplu, fierul este un nutrient limitativ în apele de suprafață pentru diatomee. Prin urmare, achiziția probabilă de feritină de către HGT de la bacterii a permis unor specii să dobândească acest nutrient din mediu [40]. Acesta este și cazul diatomei Phaeodactylum, în care metabolismul azotului, silificarea pereților celulari, replicarea ADN-ului, repararea genomului și procesele de recombinare au fost modelate de HGT [40, 41]. HGT pare, de asemenea, să joace un rol important în omicete, deoarece poate fi implicat în osmotrofie. Genele implicate în absorbția produselor de degradare a substanțelor nutritive complexe s-au prezis că vor fi candidați la HGT de ciuperci până la oomicete [42]. Prin analiza setului de gene prezise în Blastocystis sp.care sunt omologi genelor bacteriene sau arheologice, am identificat 133 de candidați la HGT (Tabelul S3 din fișierul suplimentar 2). În majoritatea cazurilor, analizele noastre filogenetice confirmă originea bacteriană a acestor gene chiar dacă acestea nu au fost suficient rezolvate pentru a permite identificarea precisă a donatorului, sugerând că aceste evenimente HGT au fost antice și / sau că genele corespunzătoare evoluează rapid în genom. de Blastocystis sp. Interesant este că, în câteva cazuri, chiar și atunci când gena transferată este de origine bacteriană, Blastocystis sp. copia este strâns legată de omologii găsiți în eucariote patogene și / sau anaerobe, sugerând că HGT între eucariote a jucat un rol cheie și în aceste organisme (Figura S6 în fișierul suplimentar 1).

Unele gene care au provenit din HGT posedă funcții care conduc la o mai bună înțelegere a modului în care a apărut această filiație. Trei sunt omoloage cu transportorul facilitator major bacterian (MFS_1), primele două fiind aproape identice și, prin urmare, rezultate dintr-un eveniment recent de duplicare a genei. Proteinele MFS formează un grup mare și divers de transportori secundari, care facilitează transportul prin membrane dintr-o varietate de substraturi, inclusiv ioni, fosfați de zahăr, medicamente, neurotransmițători, nucleozide, aminoacizi și peptide [43]. Două Blastocystis Genele MFS au omologi strâns legați în unele eucariote patogene, cum ar fi Alveolata Perkinsus marinus sau ciuperci precum Gibberella zeae și Verticillium albo atrum, sugerând o achiziție de la bacterii urmată de HGT între aceste eucariote (Figura S6f în fișierul suplimentar 1). Cu toate acestea, rezoluția filogeniei este prea mică pentru a identifica cu precizie donatorul bacterian al acestor gene. Prezența proteinelor MSF în Blastocystis sp. poate conferi abilitatea de a absorbi nutrienții din mediu acestui parazit, în special în lumenul intestinal sau atunci când atacă țesuturile gazdă. De asemenea, am găsit diferite gene HGT care adăpostesc domenii de alcool deshidrogenază, dehidrogenază cu lanț scurt și oxidoreductază (Tabelul S3 din fișa suplimentară 2) care pot fi implicate în fermentații specifice care rămân să fie caracterizate. Unele dintre ele sunt strâns legate de omologi găsiți în eucariote anaerobe cum ar fi Trichomonas vaginalis și Entamoeba histolytica (Figura S6b în fișierul suplimentar 1) sau în bacterii Legionella pneumophila sau Parachlamydia acanthamoebae, care infectează sau sunt asociate cu amoeba [44, 45]. Aceste enzime pot crește gama de Blastocystis sp. abilități metabolice de a produce energie în medii anaerobe, așa cum s-a observat în Giardia lamblia și E. histolytica [46, 47].

Mai multe gene dobândite de HGT pot participa la adeziunea parazitului la țesuturile gazdă. Într-adevăr, 26 de gene (Tabelul S3 din fișierul suplimentar 2) codifică proteinele care conțin domeniul IPR008009, care este adesea asociat cu domeniile imunoglobulinei, o regiune de bază conservată cu o repetiție de aproximativ 90 de reziduuri găsită în mai multe hemaglutinine și alte proteine ​​de suprafață celulară. Dintre acestea 26 Blastocystis sp. proteinele, unele conțin, de asemenea, domeniul IPR015919, care caracterizează cadherinele, o familie de molecule de adeziune care mediază adeziunea celulă-celulă dependentă de Ca 2+. Genele omoloage se găsesc și în unele beta-Proteobacterii sau Acidobacterii, dar secvențele sunt foarte divergente, iar analiza noastră filogenetică nu a permis, prin urmare, identificarea fermă a donatorului bacterian. Unele gene care codifică hidrolaza ar putea rezulta și din transferul de la bacterii la Blastocystis sp. Unul dintre ei posedă un domeniu esterază-lipază (IPR013094) (Tabelul S3 din fișierul suplimentar 2) și poate participa la degradarea țesutului gazdă în timpul infecției. Cei mai apropiați omologi ai acestei gene se găsesc în ciupercă Botryotinia fuckeliana, în Firmicutes și Actinobacteria (Figura S6d în fișierul suplimentar 1).

În general, aceste gene HGT ar fi putut permite flexibilitatea în exprimarea genomului, permițând adaptarea cu succes a Blastocystis sp. la medii digestive prin gene care codifică proteine ​​care ar putea fi implicate în osmotrofie (MFS), metabolismul energetic (dehidrogenaze) și aderență.

Genom circular, proteom prezis și căi metabolice ale MLO

Deși trăiește în condiții anaerobe sau microaerofile, Blastocystis sp. adăpostește MLO-uri care prezintă atât trăsături mitocondriale cât și hidrogenozomale [24]. Recent am raportat asta Blastocystis sp. MLO-urile conțin un genom circular, incluzând gene care codifică 10 din cele 20 de subunități complexe I, dar le lipsește toate genele care codifică citocromi, citocrom oxidaze și subunități ATP sintază [24], spre deosebire de ADN-ul mitocondrial din alte stramenopile secvențiate, cum ar fi Phytophthora sp. [48]. Genomul MLO al Blastocystis subtipul 7 este o moleculă circulară cu dimensiunea de 29.270 pb. Alți doi genomi MLO au fost apoi secvențați din izolate aparținând altor subtipuri [49]: un subtip 1, reprezentat de Blastocystis Nand II, cu un genom de 27.719 bp și un subtip 4, reprezentat de Blastocystis DMP / 02-328, cu un genom de 28.382 bp. În plus față de conservarea secvenței, aceste trei genomi au multe asemănări. Conținutul lor de A + T este de aproximativ 80%, densitatea genică a acestora este mai mare de 95% și toate cele trei cuprind 45 de gene: 27 ORF, 16 tRNA și 2 gene ARNr. ORF-urile constau din subunități NADH, proteine ​​ribozomale și proteine ​​fără asemănări în bazele de date. Sinteza dintre cele trei genomi MLO este foarte conservată: ordinea genelor este strict aceeași între cele trei genomi [24, 49].

Prin analiza unui Blastocystis Baza de date EST, Stechmann și colab. [23] au identificat 110 proteine ​​potențiale asociate cu căile mitocondriale, cum ar fi lanțul de fosforilare oxidativă, ciclul acidului tricarboxilic (TCA), ansamblul cluster Fe / S și metabolismul aminoacizilor și acizilor grași. Cu toate acestea, aproximativ jumătate din aceste proteine ​​au un capăt amino incomplet din cauza datelor EST, ceea ce face dificilă confirmarea importului mitocondrial prin algoritmi. Pentru a clarifica caracteristicile metabolice ale acestor organite nedumeritoare, am folosit date din întreaga secvență a genomului pentru a stabili in Silicon proteome de Blastocystis MLO-uri. În acest scop, a fost aleasă o abordare de calcul bazată pe doi algoritmi de predicție diferiți (MitoProt și MitoPred) pentru proteinele de import mitocondrial (a se vedea Materiale și metode pentru mai multe detalii). Această abordare a prezis 365 de proteine ​​MLO (Tabelul S6 în fișierul suplimentar 3) în timp ce Stechmann și colab. [23] a prezis doar 110 proteine. Dintre aceste 365 de proteine, 299 au fost prezise ca având o extensie amino-terminală implicată în importul mitocondrial, sugerând că ar putea exista un sistem alternativ pentru cele 66 de proteine ​​rămase. Dintre cele 299 de proteine, 41 rămân ca „proteine ​​ipotetice” cu funcție necunoscută și 31 nu au omologi în bazele de date publice, ceea ce ridică problema existenței unor procese metabolice nedescoperite în cadrul acestor organite interesante (Tabelul S6 din fișierul suplimentar 3). Celelalte proteine ​​sunt implicate în funcțiile clasice ale nucleului mitocondrial, cum ar fi fosforilarea oxidativă, metabolismul aminoacizilor, oxidarea acizilor grași, asamblarea grupului fier-sulf și sistemul de import mitocondrial. Au fost identificate mai multe proteine ​​implicate în translocaza membranei mitocondriale exterioare (complexul TOM), translocaza membranei interioare (complexul TIM) și motorul asociat translocazei (complexul PAM), care efectuează transportul proteinelor în matrice. Interesant, s-au găsit și cele două subunități esențiale ale heterodimerului peptidazei de procesare mitocondrială (MPP α / β), esențiale pentru scindarea peptidei țintă [50].

Analizele noastre au arătat că MLO-urile au probabil trei moduri de a produce acetil-CoA din piruvat, susținute de prezența complexului piruvat dehidrogenază, piruvat: feredoxin oxidoreductază și piruvat: NADP + oxidoreductază (un piruvat amino-terminal: domeniu ferredoxin oxidoreductază fuzionat într-un domeniul carboxi-terminal NADPH-citocrom P450 reductază) (Figura 2). Euglena gracilis mitocondriile includ această caracteristică, care oferă adaptabilitate la diferite niveluri de oxigen [51], iar acest lucru ar putea fi într-o măsură mai mică cazul Blastocystis sp. De asemenea, am identificat cele 20 de subunități ale Blastocystis sp. MLO complex I (zece sunt codificate de genomul MLO și zece de gene nucleare). Au fost detectate cele patru subunități codificate nuclear ale complexului mitocondrial al lanțului respirator II și acest complex ar putea funcționa în două moduri (prin succinat dehidrogenază sau fumarat reductază) [52]. Nu am identificat nicio genă care codifică subunitățile complexelor III și IV sau ATP sintaza. Cu toate acestea, am găsit componente ale ciclului TCA, care s-a dovedit a fi implicat în complexul II (fumarat reductază) în respirația fumaratului în helminții paraziți [52]. Interesant este că am identificat o genă care codifică o oxidază terminală, numită oxidază alternativă (AOX), care ar putea fi acceptorul terminal de electroni al complexelor I și II (Figura 2), permițând adaptarea la stresul de oxigen și menținând echilibrul NADH / NAD, așa cum a fost a fost sugerat pentru Cryptosporidium parvum [53, 54]. Aceste date ridică întrebări despre acceptorul de electroni atunci când complexul II are activitate succinată dehidrogenază sau fumarat reductază, chinona utilizată în acest proces și rolul gradientului de protoni.

In Silicon reconstrucția căilor metabolice ale Blastocystis sp. organite asemănătoare mitocondriilor. Proteinele sunt prezise din analiza combinată a algoritmilor MitoProt și MitoPred. Proteinele cu o extensie amino-terminală prevăzută sunt conturate printr-o linie neagră solidă, iar complexele de proteine ​​pentru care s-au prezis premise mitocondriale pentru doar unele dintre subunități sunt conturate printr-o linie neagră punctată. Căile în violet reprezintă: (1) conversia piruvatului în acetil-CoA de către complexul piruvat dehidrogenază (PDH), piruvat: feredoxin oxidoreductază (PFO) sau piruvat: NADP oxidoreductază (PNO) (2) acetil-CoA este apoi convertită la acetat de acetat: succinat CoA transferază (ASCT) și poate permite producerea de ATP (3). Piruvatul poate urma căi care pot folosi complexele I și II pentru a produce succinat (și propionat) și cu siguranță participă la menținerea echilibrului redox. Căile în verde și burgundă corespund metabolismului aminoacizilor și respectiv metabolismului acizilor grași. Căile pentru asamblarea proteinelor fier-sulf sunt reprezentate în albastru, iar proteinele implicate în utilajele de import mitocondrial în portocaliu. Enzimele care pot juca un rol în protecția împotriva stresului oxidativ sunt indicate în roz (superoxid dismutază (SOD), oxidază alternativă (AOX), glutation reductază (GR) și glutation peroxidază (GPx)) rolul glicerol-3-fosfat dehidrogenazei ( G3PDH) rămâne de determinat. Abrevieri: 1, acetil-CoA carboxilază 2, 3-oxoacil-ACP sintază 3, 3-oxoacil-ACP reductază 4, 2-enoil-ACP reductază 5, metilmalonil-CoA mutază 6, metilmalonil-CoA epimerază 7, propionil-CoA carboxilază AAC, translocator ATP / ADP ACP, proteină purtătoare de acil ALAT, alanină aminotransferază BC-AAT, aminoacid cu lanț ramificat aminotransferază CI, complex I ECH, enoil-CoA hidratază [Fe] -Hid, [Fe] -hidrogenază FRD / SDH, activitate fumarat reductază / succinat dehidrogenază a complexului II FUM, fumarază HCDH, 3-hidroxiacil-CoA dehidrogenază HICH, 3-hidroxiizobutiril-CoA hidrolază HID, 3-hidroxizobutirat dehidrogenază LC-ACS, acil-CoA sintetază cu lanț lung MDH, malat dehidrogenază , proteină purtătoare oxoglutarat / malat Pyr C, piruvat carboxilază SCS, succinil-CoA sintetază SOD, superoxid dismutază.

De asemenea, am dezvăluit proteine ​​care pot fi grupate în căi mitocondriale esențiale, cum ar fi ansamblul cluster Fe / S. Mai exact, am identificat 11 enzime (dintre care 6 au prezis semnale de import mitocondrial), compunând sistemul cluster cluster fier-sulf responsabil pentru asamblarea proteinelor Fe / S mitocondriale [55], precum cisteina desulfurază Nfs1, proteina eșafod Isu1, frataxin și bucla P NTPase Ind1, care este necesară pentru asamblarea complexului I (Figura 2). De asemenea, am evidențiat unele proteine ​​implicate în sinteza mitocondrială a acizilor grași de tip II [56], beta-oxidarea acizilor grași și metabolismul aminoacizilor (Tabelul S6 din fișa suplimentară 3).

Luate împreună, datele noastre confirmă natura mitocondrială a Blastocystis sp. MLO. Este posibil ca mediul sărac în oxigen să fi condus selecția acestor organite unice, care aparent reprezintă o situație intermediară între mitocondriile anaerobe și hidrogenozomi, argumentând situații multiple apărute în timpul evoluției organelor. Rămâne acum să descriem mai precis metabolismul care apare în aceste organite neobișnuite.

Factori secretomi și virulență

Persistența Blastocystis sp. în gazdă se poate datora, într-o oarecare măsură, capacității sale de a anula răspunsul sistemului imunitar și de a adera și de a supraviețui în țesutul intestinal. Manipularea gazdei ar putea fi facilitată de moleculele eliberate la interfața dintre gazdă și parazit [57]. În consecință, studiul secretomei prezise a Blastocystis sp. prezintă un interes deosebit. Cu SIGNALP 3.0, 307 proteine ​​s-au prezis secretorii, dintre care 46 nu aveau nicio similaritate de secvență în bazele de date publice nr. Prin omologie de secvență, 170 de proteine ​​care ar putea juca un rol în relațiile gazdă-parazit au fost selectate și prezentate la PSORTII pentru localizare extracelulară. În cele din urmă, 75 de proteine ​​secretate putativ au fost clasificate după funcții putative, dintre care unele pot avea o legătură directă cu patogenitatea (proteaze, enzime de digestie a hexozei, lectine, glicoziltransferaze și inhibitori de protează Tabelul S4 din fișa suplimentară 2).

Blastocystis poate secreta membri ai familiei imunofiline, caracterizată prin peptidil-propil cis-trans activitatea izomerazei și izomerazele disulfurice (Figura 3 Tabelul S4 din fișierul suplimentar 2). Aceste proteine ​​au roluri cheie în plierea proteinelor, dar s-a stabilit, de asemenea, că pot avea funcții de iluminare a lunii. La bacterii, acestea au evoluat proprietăți adezive pentru gazdă [58], dar pot modula și funcția leucocitelor gazdei și pot induce apoptoza celulară [59]. O proteină asemănătoare ciclofilinei din parazitul protozoar Toxoplasma gondii este direct implicat în diafragma gazdă-parazit, deoarece poate modula răspunsurile de protecție Th1 prin legarea sa la receptorul de chemokine CCR5 [60]. Nu este clar în ce rol joacă aceste proteine Blastocystis sp., dar aceasta ilustrează o serie de funcții pentru proteinele de stres celular în interacțiunile gazdă-agent patogen.

Proteine ​​secretoare și factori de virulență identificați în Blastocystis sp. subtipul 7 potențial implicat în interacțiunea gazdă. Blastocystis sp. poate elibera cisteină proteaze, care ar putea fi procesată de legumaină. Aceste proteaze pot ataca epiteliul intestinal împreună cu alte hidrolaze, cum ar fi glidozidele hidrolaze. Inhibitorii de protează, dintre care s-a prezis că se secretă, ar putea acționa asupra proteazei gazdei (enzime digestive sau proteaze implicate în răspunsul imun). Unii metaboliți secundari încă necaracterizați produși de polichetid sintază (PKS) identificați în genom pot participa și la simptomele intestinale ale gazdei. S-au găsit proteine ​​candidate adezive (proteine ​​cu un domeniu de imunoglobulină Ig). În cele din urmă, izolatele rezistente la medicamente ale parazitului ar putea fi explicate prin prezența proteinelor de rezistență multidrog (MDR). Fulgerele indică potențiale efecte toxice.

Proteinele care leagă zahărul au un rol important printr-un domeniu conservat de recunoaștere a carbohidraților care ar putea interacționa cu receptorii celulelor gazdă. Astfel de proteine ​​au fost caracterizate în alți paraziți [61] și este interesant de observat că unele proteine ​​care leagă zahărul sunt capabile să inhibe inflamația mediată de Th1 și Th2 [62, 63]. Mai mult, unele proteine ​​specifice care leagă zahărul sunt de asemenea capabile să suprime celulele T reglatoare [64]. Legarea acestor proteine ​​depinde de motivele lor specifice de zahăr, care pot fi adăugate la glicanii legați de N sau de O prin glicoziltransferaze. S-a prezis că secretă o proteină care leagă carbohidrații și opt glicoziltransferaze (tabelul S4 din fișa suplimentară 2). Toate aceste enzime ar putea permite reticularea Blastocystis sp. proteine ​​care leagă zahărul de receptorii celulelor gazdă.

Parazitul folosește probabil hidrolaze pentru a ataca țesuturile gazdei. Fucosidaza, hexosaminidaza și poligalacturonaza au fost identificate în secretomul prezis și pot participa la acest proces degradând glicoproteinele gazdei (Figura 3 Tabelul S4 din fișierul suplimentar 2). S-a propus că proteazele sunt implicate în diverse procese, cum ar fi invazia celulelor gazdă, excistarea, metabolismul, citoaderența sau alte funcții de virulență. O corelație între un nivel ridicat de activitate a proteazei și virulența parazitului intestinal E. histolytica a fost dovedit de McKerrow și colab. [65]. Într-adevăr, cisteina proteaze degradează proteinele matricei extracelulare, scindează imunoglobulina A și G și se crede că sunt responsabile de efectul citopatic al diferiților agenți patogeni împotriva in vitro celule cultivate [66]. Interesant este că Blastocystis sp. enzimele proteolitice sunt de asemenea capabile să degradeze imunoglobulina secretorie umană A [67]. Toate datele majore ale enzimelor proteolitice au fost identificate în datele genomului, inclusiv serină, aspartic și cisteină proteaze și metaloproteaze. Dintre cele 66 de proteaze identificate, 18 sunt prezise secretate de parazit (Tabelul S4 din fișa suplimentară 2). În cadrul familiei de protează, genele care codifică cisteina protează sunt cele mai reprezentate în Blastocystis sp. genomul și 96% din proteinele codificate de aceste gene sunt prezise secretate. Printre cisteina proteaze am găsit cinci legumine și opt catepsine, trei catepsine B conțin domeniul IPR015643, care este prezent doar în Blastocystis sp. comparativ cu celelalte stramenopile. Domeniul IPR015643 corespunde domeniului peptidazei C1 catepsina B și are o activitate peptidază de tip cisteină, care s-a găsit și în protozoarele patogene (Leishmania sp. și Trypanosoma sp.) [66]. Cisteina proteazele sunt secretate de obicei în forma lor inactivă și trebuie maturate, având un prosegment care previne hidroliza în timpul traficului și depozitării proteazei. Această maturare ar putea rezulta din activitatea aceleiași proteaze sau a alteia, cum ar fi asparaginil endopeptidaza (numită și legumaină) [68]. Această endopeptidază clivează legături peptidice carboxi-terminale cu resturi de asparagină și poate fi implicată în procesarea și activarea ambelor catepsine L și B. Legumainele au fost prezise în secretomul Blastocystis sp. (Tabelul S4 din fișierul suplimentar 2) și ar putea fi implicat în procesarea proteazei (Figura 3). Ca rol alternativ, secretat Blastocystis sp.legumainele ar putea participa și cu alți efectori la modificarea intestinului gazdă [69]. Într-adevăr, s-a demonstrat că legumaina poate degrada fibronectina, o glicoproteină a matricei extracelulare [70].

Genele care codifică inhibitorii de protează sunt de asemenea prezente în Blastocystis sp. genomului, iar unele se presupune că vor fi secretate. Eliberarea inhibitorilor de protează poate slăbi răspunsul gazdei așa cum este descris în nematode [71]. Blastocystis sp. codifică trei inhibitori de protează: cistatină, inhibitor de tip 1-proteinază și proteină asemănătoare inhibitorului de endopeptidază (Tabelul S4 din fișa suplimentară 2). Inhibitorul de tip 1-proteinază este similar cu inhibitorul chimotripsinei, despre care se știe că inactivează enzimele digestive intestinale (tripsina și chimotripsina) ca în Ascaris suum [72], protejând astfel parazitul împotriva apărărilor digestive nespecifice. Cistatina, numită și stefin, a fost descrisă în Fasciola gigantica [73] și s-a arătat că inhibă catepsina B, catepsina L și alte cisteine ​​proteaze ale mamiferelor, inclusiv cele parazitare. În Blastocystis sp., cistatina secretată ar putea participa la reglarea activităților parazitare ale cisteinei proteazei. Cistatina poate, de asemenea, inhiba potențial proteazele gazdei implicate în procesarea și prezentarea antigenului MHC II, inclusiv enzima cheie asparaginil endopeptidază [74] și catepsina S, legumina mamiferelor [73].

Interesant este că o genă supusă polichidului sintază de tip I (PKS) a fost de asemenea găsită în Blastocystis sp. genom, potențial originar din HGT. PKS și peptida sintetază non-ribozomală (NRPS) sintetizează metaboliți precum acizii grași simpli, dar și o multitudine de structuri chimice care posedă activități farmacologice importante și impact asupra mediului, precum toxine, antibiotice sau antimicrobiene. PKS de tip I a fost cunoscut anterior doar din bacterii și ciuperci, dar recent au fost descoperite gene omoloage și la unii protiști [75]. Conform bazei de date pentru NRPS și PKS [76], Blastocystis sp. PKS gena posedă cele trei domenii esențiale și alte trei domenii: dehidratază, cetoacil reductază și enoyl reductază. Prezența acestor domenii suplimentare ar permite acestui organism să sintetizeze atât polichetide reduse, cât și acizi grași. Comparația domeniului cu alte PKS de tip I sugerează că Blastocystis sp. PKS este similar cu tipul I PKS de la ascomycete Cochliobolus heterostrophus, un agent patogen de porumb care produce toxina T [77], o moleculă de polichidă care deranjează mitocondriile prin legarea unei proteine ​​a membranei mitocondriale interioare. Căutarea metaboliților legați de polichide în secretomul Blastocystis sp. ar fi de interes pentru identificarea moleculelor care ar putea avea efecte asupra gazdei (Figura 3).

Sistemul antioxidant și rezistența la mai multe medicamente

Ca și alte organisme anaerobe, Blastocystis sp. trebuie să elimine speciile reactive de oxigen, cum ar fi anionii superoxizi (O2 .- ), peroxid de hidrogen (H2O2) și radicali hidroxil (HO.) rezultați din metabolism. În plus, acest microorganism trebuie să facă față exploziei oxidative impuse de efectorii celulelor imune ale gazdei (eliberarea de O2 .- ulterior procesate pentru a da specii suplimentare de oxigen reactiv). Din aceste motive, pentru a proteja împotriva leziunilor oxidative, Blastocystis speciile au dezvoltat o baterie eficientă de enzime antioxidante (tabelul S5 din fișa suplimentară 2). Primele linii de apărare împotriva deteriorării oxigenului sunt superoxidul dismutaze (SODs), o familie de metaloproteine ​​care catalizează dismutarea O2 .- pentru a forma H2O2 și oxigen. Adnotarea genomului a relevat prezența a două gene care codifică SOD-urile (SOD1 și SOD2) care prezintă caracteristici de secvență ale SOD-urilor care conțin fier dimeric [78] și probabil protejează citosolul și, respectiv, MLO-urile împotriva O2 .- . Catalaza și ascorbatul peroxidază sunt ulterior capabile să elimine H2O2 generat de SOD, precum și de oxidaza dependentă de NADPH. Cu toate acestea, genele care codifică catalaza și ascorbatul peroxidază nu au fost identificate în Blastocystis sp. nici la mulți paraziți unicelulari, inclusiv tripanosomatide și Plasmodium falciparum. Enzimele suplimentare, glutation peroxidaza (Gpx) și peroxidaza dependentă de tioredoxină (cunoscută în mod obișnuit sub numele de peroxredoxină (Prx)) pot reduce H2O2 la apă, precum și la alte substraturi, cum ar fi hidroperoxizii și peroxinitritul. În majoritatea eucariotelor, ambele enzime își obțin echivalenții reducători din două sisteme redox, glutationul (GSH) și respectiv sistemele de tioredoxină (Trx). Ca P. falciparum [79], Blastocystis sp. celulele posedă o cale completă de sinteză GSH: genele care codifică γ-glutamilcisteina sintetaza, glutation sintetaza (grupa eu-GS) și o funcțională GSH / Gpx (nonselenium Gpx aparținând grupului PHGpx) / sistemul glutation reductază au fost identificate și atât Gpx cât și glutation reductaza sunt probabil localizate în MLO. Acest ciclu redox aproape omniprezent este înlocuit de sistemul trypanothione în trypanosomatids [80]. Blastocystis sp. conține, de asemenea, gene care codifică proteinele sistemului Trx / tioredoxin reductază (TrxR) / Prx. Într-adevăr, două gene codifică proteine ​​mici omoloage cu Trx: una citosolică și alta localizată cel mai probabil în MLO (Tabelul S5 din fișierul suplimentar 2). Trx este în sine redus de TrxR și trei gene care codifică TrxR citosolic au fost identificate în Blastocystis sp. Aceste proteine ​​aparțin în mod clar grupului de enzime cu greutate moleculară mare (desemnată H-TrxR) și sunt similare cu enzimele metazoane, inclusiv cu cele ale Homo sapiens și Drosophila melanogaster, și la cele ale protozoarelor apicomplexan Plasmodium, Toxoplasma, și Cryptosporidium [81]. Interesant, spre deosebire de apicomplexan H-TrxRs, două dintre enzimele H-TrxR ale Blastocystis sunt prezise să posede un centru activ redox în domeniul carboxi-terminal compus dintr-o selenocisteină (un aminoacid rar codificat de codonul opal TGA, care nu este recunoscut ca un codon stop) în penultima poziție și reziduul său cisteină vecin enzime metazoice (selenoproteine ​​tip H-TrxR). Acest lucru sugerează cu tărie prezența mașinilor de inserție Se-Cys (elemente SECYS) în Blastocystis sp. Gene care codifică un alt tip de TrxR cu greutate moleculară mică (desemnată L-TrxR) au fost identificate în protozoare parazitare precum Trichomonas, Entamoeba, și Giardia dar nu în genomul Blastocystis sp. Aceste date întăresc presupunerea apariției exclusive a L-TrxR sau H-Trxr în genomi și a unor dezavantaje ale deținerii ambelor tipuri de TrxR [81]. În Blastocystis sp., au fost găsite cel puțin 11 copii genetice foarte asemănătoare care codifică Prxs citosolice prezise, ​​care aparțin în mod clar clasei tipice 2-Cys a Prx. Dacă polimorfismul secvenței acestor enzime este potențial corelat cu expresia diversificată sau chiar funcția rămâne de explorat. O altă genă care codifică un tipic 2-Cys Prx, probabil localizat în MLO, a fost identificată în acest parazit. Interesant, ca secvența omologă a unui alt stramenopil, P. infestans, această din urmă proteină este fuzionată cu Trx cu un motiv WCGKC. Așa cum este descris mai sus, Blastocystis sp. posedă o gamă întreagă de enzime antioxidante care protejează atât citosolul, cât și MLO. Așa cum se arată în Tabelul S5 din fișierul suplimentar 2, aceste enzime au origini filogenetice distincte și majoritatea provin probabil din HGT procariot. Aceste proteine ​​antioxidante atrag atenția la paraziții unicelulari, deoarece au funcții importante în interacțiunile gazdă-parazit și constituie noi ținte medicamentoase pentru proiectarea inhibitorilor. Într-adevăr, abordările genetice au arătat, fără îndoială, că unele enzime anti-oxidante sunt esențiale pentru supraviețuirea diferitelor specii parazitare [82-86].

Unele gene care codifică proteinele pompei cu rezistență la mai multe medicamente au fost, de asemenea, descoperite în Blastocystis sp. genomului. Există două clase de gene de rezistență la mai multe medicamente: prima clasă corespunde proteinelor care sunt energizate prin hidroliza ATP, a doua clasă include proteine ​​care mediază reacția de eflux a medicamentului cu un gradient de protoni sau de ioni de sodiu. Dintre prima clasă, au fost găsite 24 de gene transportoare ABC. În eucariote funcția fiziologică principală a transportorilor ABC este exportul de metaboliți endogeni și compuși citotoxici [87] și au fost identificate opt familii de transportori ABC (ABC A până la H). The Blastocystis sp. Transportoarele ABC sunt incluse în patru dintre aceste opt familii (cinci în familia A, șase în familia B, șase în familia C, trei în familia F și patru nu în nicio clasă). Familia A este implicată în traficul de lipide, iar familia F în repararea ADN și reglarea genelor. Celelalte două familii sunt mai interesante [87], deoarece la paraziții protozoare (Leishmania spp., Trypanosoma spp., Plasmodium spp.) transportatorii aparținând familiilor B și C conferă rezistență la medicamente. Tulpini rezistente la metronidazol de Blastocystis sp. ar fi putut apărea prin acțiunea acestor proteine ​​rezistente la mai multe medicamente (Figura 3).


6 IMPLICAȚII CLINICE ALE DATELOR GENETICE

În ciuda numeroaselor descoperiri despre factorii genetici de risc, tabloul general este că majoritatea acestor gene au un impact relativ limitat asupra riscului de infecție, sugerând că multe dintre ele sunt implicate ca răspuns la infecția virală. Acest fapt face oarecum dificilă prezicerea persoanelor care vor avea o reacție severă la SARS-CoV-2. Mai mult, se înțelege relativ puțin despre diferențele genetice interindividuale în răspunsul imun la acest nou coronavirus sau efectele pleiotropice pe care le-ar putea conferi diferite variante (Godri Pollitt și colab., 2020).

Cu toate acestea, obiectivul cercetării COVID-19 în curs este de a identifica variațiile genetice care vor îmbunătăți managementul clinic al acestei boli și vor favoriza rezultate mai bune ale pacienților (Murray și colab., 2020 Inițiativa COVID-19 Host Genetics Initiative, 2020). De exemplu, din cele 68 de gene severe asociate riscului COVID-19 identificate de Taylor și colab. (2020), mai multe dintre ele produc produse proteice care pot fi vizate pentru dezvoltarea medicamentelor, iar medicamentele pentru nouă dintre aceste ținte au atins studii clinice de fază I. Alții au sugerat că „[p] difuzarea HLA tastarea cu testarea COVID-19, acolo unde este posibil, ar putea îmbunătăți evaluarea severității virale a populației ”(Nguyen și colab., 2020: e00510), permițând astfel prioritizarea persoanelor cu risc crescut HLA tipuri de vaccinare. La fel, cunoașterea nivelurilor de ACE2 și TRPRSS2 expresia la pacienții cu astm care utilizează corticosteroizi inhalatori și la cei care nu fac acest lucru va ajuta clinicienii să identifice subgrupuri, cum ar fi bărbații, afro-americani și pacienții cu diabet care prezintă un risc mai mare de morbiditate COVID-19 (Peters și colab., 2020). Verdecchia și colab. (2020) indică în continuare utilizarea posibilă a recombinantului ACE2, angiotensina 1-7 și AT1 blocante ale receptorilor pentru a ajuta la tratarea pacienților cu infecție cu SARS-CoV-2.

Toate cunoștințele emergente despre factorii genetici de risc pentru infecție alimentează cercetările globale privind vaccinurile pentru COVID-19, peste 145 de vaccinuri fiind dezvoltate și 19 fiind utilizate în prezent în studiile clinice la om (Coronavirus Vaccine Tracker, 2020). Cu toate acestea, deși un vaccin eficient și la prețuri accesibile va contribui cu siguranță la stoparea pandemiei actuale, alte măsuri mai elementare de sănătate publică, cum ar fi purtarea măștii, distanțarea socială, testarea COVID-19 și urmărirea contactelor vor fi esențiale pentru atenuarea impactului coronavirus pentru publicul larg pentru viitorul previzibil și în special în comunitățile de culoare care prezintă un risc mult mai mare de expunere virală și de exprimare severă a bolii (Oppel Jr., Gebeloff, Lai, Wright și Smith, 2020).