Śmiertelny taniec toksyny

Co wspólnego mają zabójcze toksyny i pływanie synchroniczne? Zarówno toksyny jak i pływaczki synchroniczne wykorzystują skomplikowany układ choreograficzny, aby osiągnąć swój cel. Z tą różnicą, że celem pływaczek jest złoty medal na olimpiadzie, a dla toksyny zabójstwo zaatakowanej komórki. Okazuje się, że toksyczne białka produkowane przez chorobotwórcze bakterie nie zabijają swojej ofiary jednym, szybkim dźgnięciem. Wręcz przeciwnie, przed morderstwem wykonują skomplikowany taniec na powierzchni swojej przyszłej ofiary, aby dopiero w kulminacyjnym momencie wbić w komórkę nawet do kilkudziesięciu sztyletów jednocześnie.

Czytaj dalej

nauki przyrodnicze

o co chodzi?

Do czego toksynom potrzebny jest taniec? 

Już od najmłodszych lat naszego życia jesteśmy uświadamiani, jak istotne dla zdrowia jest przestrzeganie higieny. Mycie rąk, spożywanie świeżego pokarmu pochodzącego z wiarygodnego źródła czy też odkażanie ran powstałych na skutek skaleczenia – to wszystko skutecznie zapobiega dostaniu się chorobotwórczych mikroorganizmów do naszego organizmu i chroni nas przed wywoływanymi przez nie chorobami. 

Toksyczne białka...

Zatrucia pokarmowe, paraliż nerwowo-mięśniowy czy martwica tkanek to tylko kilka przykładów powikłań wynikających z rozgoszczenia się w naszym organizmie intruzów wykorzystujących różne strategie walki, aby nas obezwładnić i wywołać chorobę. Jednym z najskuteczniejszych rodzajów broni stosowanym przez chorobotwórcze bakterie są toksyczne białka. Warto wspomnieć, że ta grupa białek nie jest zarezerwowana tylko dla bakterii, ale produkowana jest także przez wielu przedstawicieli innych grup organizmów: grzyby, bezkręgowce (ukwiały, skorpiony, pająki), niebezpieczne, jadowite węże. Aktywność toksyn zazwyczaj kojarzy się nam z ich agresywnym działaniem w kierunku swojej ofiary, co prowadzi do szybkiego uszkodzenia komórek, zaburzenia ich funkcjonowania i równie szybkiej śmierci. 

...i pływanie synchroniczne

W rzeczywistości, niektóre z nich uśmiercają komórki w sposób bardzo subtelny i powolny, ale jednocześnie niezwykle skuteczny. Mianowicie krążące w organizmie pojedyncze cząsteczki toksyny, zanim zadadzą śmiertelny cios, muszą odnaleźć swój cel ataku. W rozpoznaniu swojej ofiary pomagają różnego rodzaju cząsteczki rozmieszczone na powierzchni atakowanej komórki, które odgrywają rolę receptora pozwalającego na trwały kontakt toksyny z komórką. Przyłączenie się wielu cząsteczek toksyn do komórki umożliwia kontakt między sobą i utworzenie większych, regularnych kształtów skupisk toksyny. 

Kiedy ilość połączonych ze sobą cząsteczek toksyny jest wystarczająca i są w stanie ułożyć się w kształt zamkniętego pierścienia, wówczas wykonują skomplikowany, skoordynowany taniec, który można porównać z tanecznym układem, jaki wykonują pływaczki synchroniczne na powierzchni wody (Ryc. 1) . 

Ryc. 1. Proces uśmiercenia komórek przez toksyczne białka jest związany z utworzeniem pierścienia złożonego z wielu identycznych cząsteczek toksyny i wbudowaniem go w błonę. Proces ten polega na skoordynowanych zmianach w obrębie cząsteczek toksyn, co przypomina skomplikowany taneczny układ w pływaniu synchronicznym


Śmierć komórki

Taniec toksyn, które tworzą pierścień na powierzchni komórki, ma na celu jedno – zabić zaatakowaną komórkę ofiary. Aby do tego doszło, cząsteczki toksyny wykonują wiele zsynchronizowanych ruchów, takich jak zgięcia, rozciągnięcia czy nawet obroty. Kiedy wszystkie cząsteczki w pierścieniu poprawnie wykonają układ taneczny, wówczas nic już nie stoi na przeszkodzie, aby toksyczny pierścień wniknął w głąb błony komórkowej, przedziurawił ją i ostatecznie zabił komórkę.

Toksyny białkowe wykazują szerokie spektrum działania, a różnice w ich funkcjonowaniu przejawiają się na różnych etapach kontaktu z zaatakowaną komórką. Pierwsza różnica dotyczy sposobu, w jaki toksyny dostają się do wnętrza swojej ofiary. Potrafią to zrobić w dwojaki sposób: pośrednio i bezpośrednio. 

Pośrednie bakteria

Z atakiem pośrednim toksyny mamy do czynienia wtedy, kiedy toksyna jest ukryta we wnętrzu organizmu, który ją produkuje, a wydostaje się z niego dopiero po jego wniknięciu do organizmu docelowego. Tak działają przede wszystkim toksyny bakterii chorobotwórczych. 

Bezpośredni jad

Drugi sposób to działanie bezpośrednie. W tym przypadku toksyczne substancje są wydzielane wraz z płynem jamy ciała gospodarza, z czym mamy do czynienia w przypadku jadu węży czy skorpionów i znajdujących się w nich neurotoksyn (toksyn uszkadzających układ nerwowy ofiary). 

Niebezpieczne przyciąganie

No dobrze, ale wyobraźmy sobie, że toksyna już dotarła do wnętrza swojej ofiary (pośrednio lub bezpośrednio) i krąży po organizmie w poszukiwaniu komórki docelowej, którą planuje uśmiercić. Aby plan unicestwienia się udał, toksyna musi rozpoznać swój obiekt docelowy i się z nim połączyć. W większości przypadków to oddziaływanie nie jest przypadkowe, a wręcz przeciwnie, jest wybiórcze i specyficzne. Jest to możliwe dzięki obecności na powierzchni komórek różnego typu cząsteczek, które działają na toksyny jak magnes. Obecność takich cząsteczek sprawia, że nieświadoma niebezpieczeństwa komórka przyciąga do siebie toksynę i umożliwia przyczepienie się jej do swojej powierzchni. Ten moment jest kluczowy, ponieważ decyduje o dalszych losach zaatakowanej przez toksynę komórki. 

Przymocowanie się toksyn do błony komórki pozwala im wejść do środka lub zapoczątkowuje ich taniec na powierzchni, co pozwala utworzyć regularny pierścień, który potem dziurawi błonę komórki. Dziurawa komórka nie ma zbyt dużych szans na przeżycie. Wypływ niezbędnych do życia cząsteczek prowadzi do upośledzenia jej funkcjonowania, a napływ wody powoduje jej pęcznienie, a w końcu pęknięcie i śmierć.

Tancerka gangrena    

Taniec na powierzchni komórki, który kończy się jej przedziurawieniem, jest charakterystyczny dla pewnej grupy toksycznych białek (tak zwanych toksyn tworzących pory) produkowanych przede wszystkim przez chorobotwórcze bakterie. Jednym z takich przykładów jest bakteria zgorzeli gazowej Clostridium perfringens i produkowana przez nią toksyna – perfringolizyna O. 

Zakażenia bakterią zgorzeli gazowej

Z pewnością wielu osobom nazwa tej bakterii niewiele mówi, ale jeśli do jej opisu doda się informację, że zakażenie tą bakterią wywołuje martwicę tkanek potocznie zwane gangreną, a jej szybkie rozprzestrzenienie się po organizmie może skutkować amputacją kończyny, to można poczuć lekki dreszczyk strachu. Co więcej, do zakażenia bakterią zgorzeli gazowej może dojść w bardzo prozaiczny sposób. Wystarczy że się skaleczymy i nie oczyścimy rany. Tylko tyle wystarczy, aby żyjąca w ziemi i zanieczyszczonej zwierzęcymi odchodami wodzie bakteria dostała się do naszego organizmu i znalazła odpowiednie dla siebie miejsce. Ponieważ do życia nie potrzebuje tlenu, zgorzel gazowa lubi rozgościć się w słabo ukrwionych częściach naszego ciała, takich jak choćby miękkie tkanki naszych palców u rąk i stóp. To właśnie tam bakteria zaczyna się namnażać i wydzielać swoją zabójczą broń – perfringolizynę O (PFO). 

Więcej o perfringolizynie O 

Perfringolizyna O to średniej wielkości białko, w którym wyróżnia się cztery odrębne regiony, tak zwane domeny (D1, D2, D3, D4). Każda z tych domen jest kluczowa dla funkcjonowania białka, odgrywa ściśle określoną rolę podczas rytualnego tańca na powierzchni komórki i jest niezbędna do jej przedziurawienia (Ryc. 2). 


Ryc. 2. Proces tworzenia toksycznych porów perfringolizyny O w błonie komórek zwierzęcych.

A – schematyczna budowa cząsteczki perfringolizyny O; B – utworzenie pierścienia z wielu cząsteczek perfringolizyny na powierzchni komórki; C – ruchy toksyny w obrębie pierścienia umożliwiające przebicie błony komórkowej i utworzenie w niej porów co prowadzi do szybkiej śmierci komórki. Ruch perfringolizyny podczas zanurzania się w błonie komórkowej ofiary i tworzenia porów przypomina sekwencję ruchów, jakie wykonują zawodnicy podczas skoków synchronicznych do wody

Ręce białka

Za związanie się PFO z powierzchnią zaatakowanej komórki odpowiada znajdująca się na samym końcu białka domena D4, która w specyficzny sposób rozpoznaje i wiąże się do znajdującej się w błonie cząsteczki tłuszczu – cholesterolu. Po związaniu z błoną pojedyncze cząsteczki perfringolizyny, jeśli znajdą się w swoim bliskim sąsiedztwie, zaczynają łączyć się ze sobą. Kontakt pomiędzy sąsiadującymi toksynami jest możliwy dzięki znajdującej się w środku perfringolizyny domenie D3 (Ryc. 2 B), która w pewnym sensie pełni rolę rąk, którymi cząsteczki toksyny chwytają się w celu uformowania na powierzchni komórki pierścienia. 

Sztylet białka

Utworzenie go to dla cząsteczek PFO sygnał, że należy się przygotować do ostatecznego ciosu wymierzonego w komórkę. W tym samym momencie trzymające się za ręce cząsteczki PFO zginają się w obrębie domeny D2 i są gotowe do ataku. Domena D3 każdej cząsteczki zaczyna się rozwijać i działać jak sztylet, który przebija błonę komórkową. Im bardziej cząsteczki PFO się zginają, tym głębiej jej sztylety wbijają się w głąb błony i dziurawią ją, co prowadzi do szybkiej śmierci komórki (Ryc. 2 C). 

Jak widać, procesowi formowania porów, na który składa się tworzenie pierścienia i zanurzenie się toksyny w błonie, towarzyszą liczne zmiany w strukturze białka zachodzące we wszystkich domenach, w ściśle określony sposób i w ustalonej kolejności. Pojedyncze cząsteczki toksyny, tworząc pierścień, niczym pływaczki synchroniczne w jednym momencie wyciągają ku sobie ramiona, łączą się ze sobą, pochylają, by równocześnie wykonać pełny skłon, wyciągnąć do przodu swoje ramiona, przebić się nimi przez warstwę błony komórkowej i w niej zanurkować. 

Jak przerwać taniec toksyny?

Z uwagi na fakt, że proces tworzenia przez perfringolizynę O toksycznych porów jest niemalże identyczny dla wielu toksyn produkowanych przez inne chorobotwórcze bakterie, takich jak paciorkowiec hemolizujący wywołujący anginę, bakteria jadu kiełbasianego powodująca zatrucia i paraliż mięśni, a nawet zabójcza laseczka wąglika, coraz częściej podejmuje się próby tworzenia nowych form terapii, których celem nie są bakterie, ale produkowane przez nie toksyny. Z tego powodu niezbędne okazują się badania nad szczegółowym charakterem zmian w strukturze toksyn podczas tworzenia porów. 

Wyścig z czasem

W tym miejscu nasuwa się pytanie: jak zbadać zmiany w strukturze toksyny na różnych etapach tworzenia porów, skoro proces ten zachodzi na tyle szybko, że śmierć komórki następuje już po kilku minutach kontaktu z toksyną? Tu z pomocą przychodzi cały wachlarz technik laboratoryjnych, takich jak inżynieria genetyczna, która w warunkach laboratoryjnych w krótkim czasie umożliwia bezpieczne wyprodukowanie dużej ilości toksyny, metody biofizyczne określające podstawowe właściwości białka oraz najnowocześniejsze metody pozwalające określić szczegółową budowę białek. 

Projektowanie nowych leków

Podglądanie szczegółów tańca perfringolizyny jest możliwe między innymi dzięki zastosowaniu nowoczesnej techniki HDX-MS (z ang. Hydrogen-Deuterium eXchange Mass Spectrometry – wymiany wodoru na deuter sprzężona ze spektrometrią mas). Ta technika pozwala określić rejony w białku, które są bardziej dynamiczne, rozluźnione bądź wyeksponowane na zewnątrz, a które są bardziej usztywnione lub niedostępne dla środowiska zewnętrznego. 

W przypadku perfringolizyny O badania oparte na technice HDX-MS dają możliwość sprecyzowania charakteru zmian zachodzących w toksynie, a także określenia regionów, które ulegają rozluźnieniu lub usztywnieniu w kolejnych tanecznych krokach toksyny podczas tworzenia pierścienia i wnikania w błonę. Precyzyjne określenie tych regionów pozwoli na zaprojektowanie potencjalnych leków, które w specyficzny sposób zatrzymają taniec perfringolizyny, ale także wielu podobnych do niej toksyn, a tym samym zapobiegną groźnym powikłaniom wynikającym z zakażenia chorobotwórczymi bakteriami. 

Opublikowano w dziale nauki przyrodnicze dnia 26 sty 2022

Podobał Ci się ten artykuł?
Żródła
  1. https://pl.wikiqube.net/wiki/Pore-forming_toxin

  2. Crucial Role of Perfringolysin O D1 Domain in Orchestrating Structural Transitions Leading to Membrane-perforating Pores. Kacprzyk-Stokowiec A, Kulma M i wsp.  Journal of Biological Chemistry 2014;289(41):28738-28752.

  3. Hydrogen exchange mass spectrometry for studying protein structure and dynamics L. Konermann, J. Pan i Y. Liu, Chem. Soc. Rev., 2011, 40, 1224.

  4. Zakażenia skóry i tkanek miękkich - złożony i aktualny problem diagnostyczny i terapeutyczny lekarza każdej specjalności. Mariusz Stasiak, Jerzy Lasek, Zbigniew Witkowski, Wojciech Marks, Katarzyna Gołąbek. Forum Medycyny Rodzinnej 2012;6(4):191-200.

Zdjęcie: By Kevin Hamm from St. Petersburg, Russia - Jump!, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2202058