溶细胞素
溶细胞素（Cytolysin），亦作溶胞素，是一类由微生物、植物或动物分泌的对特定细胞有毒性的物质[1][2]。这类物质通常是通过让靶细胞因裂解而溶解而起效的。通常，溶细胞素会因对某一类细胞具有特异性而获得相应的名称。举个例子来说，一类能够导致红细胞裂解并释放出的其胞内血红蛋白的溶细胞素就被命名为溶血素（Hemolysin）[3]。溶细胞素在免疫中扮演着重要角色，一部分毒液中也含有溶细胞素。
部分细菌（比如李斯特菌）可以分泌溶细胞素。这些细菌分泌的溶细胞素可以破坏巨噬细胞的吞噬体膜，并逃逸到上述细胞的细胞质中。
历史
[编辑]术语“溶细胞素”（Cytolysin）或“溶细胞毒素”（Cytolytic toxin）最初由阿兰·伯恩海默引入，目的是对有溶解细胞能力的膜破坏性毒素（MDT）进行描述[4]。第一种被发现的溶细胞素能够作用于某些敏感物种（如人类）的红细胞，从而使得他/它们发生溶血反应。因此，“溶血素”（Hemolysin）曾一度被用来描述所有的膜破坏性毒素。但在1960年代，人们又发现有些膜破坏性毒素会攻击红细胞以外的细胞（比如白细胞）。因此，阿兰·伯恩海默便引入了“溶细胞素”（Cytolysin）这一术语来代替原先的“溶血素”。溶细胞素可以在不使细胞裂解的前提下破坏细胞膜[5]，因此，膜破坏毒素（membrane damaging toxins，缩写MDT）这一名词可以描述出溶细胞素的核心行为。多于三分之一的细菌蛋白类毒素都是溶细胞素。细菌的蛋白类毒素对人体有很高的毒性。举个例子来说，肉毒杆菌毒素对人的毒性比蛇毒强3x105倍，对人的中毒剂量仅为0.8x10−8 mg[6]。对于许多革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌来说，溶细胞素都是它们制造疾病的主要武器。气荚膜梭菌和金黄色葡萄球菌就是如此。
目前，人类已对溶细胞素做了大量研究。自1970年代以来，已有多于40种的溶细胞素被发现并归类[7]。从基因水平上说，大约70种溶细胞素的遗传学结构已被阐明[8]。溶细胞素破坏细胞膜的过程同样已被研究过。约翰·罗斯（Rossjohn）等人已提出了一种巯基活化的溶细胞素“perfringolysin O”的晶体结构。该溶细胞素可以在真核细胞的膜上造出孔洞。一个详尽的揭示了膜插入机制的跨膜孔洞形成的模型已被构建出来[9]。Shatursky等人在对一种由可致病的气荚膜梭菌分泌的、叫做Perfringolysin O （PFO）的可生成离子孔道的胆固醇依赖型穿孔素的膜插入机制进行研究后发现，PFO不是每条多肽链具有一个两亲性的β型发卡结构，而是每个单体都有两个可以贯穿整个膜的β型的发卡结构。专注于对树脂毒素（英语：Resiniferatoxin，一类许多革兰氏阴性菌都会分泌的膜破坏性毒素）穿膜模型研究的拉里等人，阐明了蛋白质从树脂毒素到靶细胞脂质膜的插入和转运过程[10]。
分类
[编辑]溶细胞素可以根据其破坏机制分为三类：
- 通过溶解真核细胞双层膜上的磷脂达到攻击真核细胞目的的溶细胞素。这种溶细胞素的较典型例子包括C.气荚膜梭菌 α毒素（C. perfringens α-toxin，即磷脂酶C）、S.金黄色葡萄球菌 β-毒素（S. aureus β-toxin，即鞘磷脂酶C）和美人鱼弧菌毒素（Vibrio damsela，即磷脂酶D）。Farlane等人在1941年阐明了C.气荚膜梭菌 α毒素的分子机理。这是对细菌蛋白类毒素的研究史上的一大创举。
- 像表面活性剂那样攻击膜的疏水区域的溶细胞素。此类溶细胞素的典例有Straphylococcus葡萄球菌分泌的由26个氨基酸构成的δ-毒素、S. 溶血素（S. haemolyticus）、S.路邓毒素（S. lugdunensis），以及由Pseudomonas分泌的溶细胞素。
- 在靶细胞膜上造出孔洞的溶细胞素。这类溶细胞素亦被称为“成孔毒素”（pore-forming toxin，缩写PTF）。大部分溶细胞素都是成孔毒素。典型的成孔毒素有气荚膜梭菌分泌的perfringiolysin O、大肠杆菌分泌的溶血素、李斯特菌分泌的李斯特菌毒素。成孔毒素的作用范围很广，从一般的细胞膜，到一些比较特殊的组织，比如胆固醇和巨噬细胞的膜[6]。
孔洞生成溶细胞素
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孔洞生成溶细胞素（Pore forming cytolysins，缩写PFC）占到了膜破坏性溶细胞素的65%[7]。第一种被发现的孔洞生成溶细胞素是能够插入红细胞膜的C5-C9复合物。该溶细胞素是在1972年由曼弗雷德·迈耶发现的[11]。孔洞生成溶细胞素的来源很广——细菌、真菌，乃至植物[12]。通常情况下，孔洞生成溶细胞素是通过在靶细胞的膜上造出孔洞起效的。值得注意的是，孔洞可能有许多种结构。比如说，孔蛋白状的结构能允许特定大小的分子通过。电场在孔洞两端分布不均，从而使得某些分子能够通过孔洞[13]。葡萄球菌α溶血素（staphylococcal α-hemolysin）就是通过上述机理起效的[14]。细胞融合也可以造出孔洞——在钙离子（Ca2+）的控制下，囊泡的融合会通过脂蛋白形成充水孔[15]。
生成孔洞的过程
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一种更加复杂的孔洞生成过程涉及几个孔洞生成溶细胞素单体聚合的过程。孔洞的生成包含3个基本步骤。首先，溶细胞素会被特定的细胞分泌出来。有时候分泌溶细胞素的细胞需要在自己的细胞膜上打出一个孔以释放这些溶细胞素（大肠杆菌分泌大肠杆菌素时就是这样）。在这一步中，溶细胞素以水溶性的状态以蛋白单体的形式被释放出细胞[16]。值得注意的是，溶细胞素往往对分泌它的细胞也具有毒性。比如说，大肠杆菌素会通过几种酶破坏细胞的核酸[17]。为了抑制溶细胞素对自己的毒性，分泌它的细胞会分泌具有免疫性的蛋白质，并在溶细胞素在它们胞内造成破坏前将这些具有免疫性的蛋白连接到溶细胞素上[7]。
紧接着，溶细胞素会通过与靶细胞的细胞表面受体结合而与黏附至其细胞膜上。大部分细胞表面受体都是糖蛋白，但也有少数受体是糖类或脂质。在受体的帮助下，溶细胞素的单体互相结合并形成低聚体簇。在此阶段，溶细胞素会完成从水溶性单体阶段到低聚体阶段的转变。
最终，生成的溶细胞素簇会穿透膜并形成穿膜孔洞。孔洞的大小从1-2纳米（比如S.金黄色葡糖球菌（S. aureus）的α毒素、大肠杆菌的α溶血素、嗜水气单胞菌（Aeromonas）的气单胞菌溶素（aerolysin）造出的孔洞）到25-30纳米（比如链球菌溶血素造出的孔洞）不等。
根据孔洞产生的方式，孔洞生成溶细胞素可以分为两类。使用螺旋造出孔洞的被称为α型孔洞生成毒素（英语：α-Pore forming toxins，缩写α-PFT）。而那些使用β桶形结构生成孔洞的则被命名为β型孔洞生成毒素。以下的表格中列出了一些常见的α型孔洞生成毒素和β型孔洞生成毒素。
| α型孔洞生成毒素 | β型孔洞生成毒素 |
|---|---|
| Colicin Ia，铜绿假单胞菌外毒素A（Pseudomonas aeruginosa extotoxin A）、等指海葵马痘毒素II（Actinia equina equinatoxin II） | 气单胞菌溶素、Clostrim梭菌α毒素（Clostrim septicum α-toxin）、金黄色葡萄球菌α溶血素、假单胞绿脓杆菌毒素、炭疽保护性抗原、胆固醇依赖型溶细胞素 |
效果
[编辑]靶细胞在遭到孔洞生成溶细胞素的攻击后，会因物质进出失控而受到致命的伤害。孔洞允许钠离子（Na+）一类的物质穿过细胞膜，造成超出靶细胞离子平衡能力的离子分布不均。靶细胞会因此而吸水膨胀直至破裂[18]。靶细胞解体后，分泌溶细胞素的细菌便会摄取其胞内的营养物质，比如铁和细胞因子[7]；一些能够分解靶细胞核心结构的酶也能够由此不受阻拦地进入靶细胞。
胆固醇依赖型溶细胞素
[编辑]胆固醇依赖型溶细胞（Cholesterol-dependent cytolysin，缩写CDC）是一类特殊的溶细胞素。不少革兰氏阳性菌都可以分泌胆固醇依赖性溶细胞素。这种细胞素只能够在有胆固醇存在的细胞膜上造出孔洞。因为胆固醇依赖型溶细胞素特殊的寡聚过程，它们造出的孔洞比较大（25-30纳米）。值得注意的是，胆固醇在这种溶细胞素与靶细胞的黏合阶段并不是必须的[19]。胆固醇依赖型溶细胞形成孔洞的过程比上一节所述的步骤还要多一步：寡聚化的水溶性单体会形成一种叫做“前孔复合体”（"pre-pore" complex）的中间体和一个穿过膜的β桶形结构[19]。
参见
[编辑]参考
[编辑]- ^ Computer Retrieval of Information on Scientific Projects (CRISP) - Thesaurus - Cytolysin 互联网档案馆的存档，存档日期2006-09-30.
- ^ "Cytolysin" entry from the American Heritage Medical Dictionary （页面存档备份，存于互联网档案馆）, on TheFreeDictionary.com (Retrieved on January 22, 2009)
- ^ "Hemolysin" entry （页面存档备份，存于互联网档案馆） on TheFreeDictionary.com (Retrieved on January 22, 2009)
- ^ Bernheimer A W (1970) Cytolytic toxins of bacteria, vol I. In: Ajl S, Kadis S, Montie TC (eds) Microbial toxins. Academic, New York, pp 183-212
- ^ Thelestam, M. and Mollby, R. (1975) Infect. Immun, 11, 640-648.
- ^ 6.0 6.1 proteintoxins. [2015-03-21]. （原始内容存档于2017-07-27）.
- ^ 7.0 7.1 7.2 7.3 Alouf, J. E. "Pore-forming bacterial protein toxins: an overview." Pore-forming toxins. Springer Berlin Heidelberg, 2001. 1-14.
- ^ Kaper J, Hacker J (2000) Pathogenicity islands and other mobile virulence elements. ASM, Washington D.C.
- ^ Rossjohn, Jamie, et al. "Structure of a cholesterol-binding, thiol-activated cytolysin and a model of its membrane form." Cell 89.5 (1997): 685-692.
- ^ Lally, Edward T., et al. "The interaction between RTX toxins and target cells." Trends in microbiology 7.9 (1999): 356-361.
- ^ Mayer, Manfred M. "Mechanism of cytolysis by complement." Proceedings of the National Academy of Sciences 69.10 (1972): 2954-2958.
- ^ Gilbert, R. J. C. "Pore-forming toxins." Cellular and Molecular Life Sciences CMLS 59.5 (2002): 832-844.
- ^ Branden and Tooze, Introduction to Protein Structure, second edition
- ^ Song L. Z., Hobaugh M. R., Shustak C., Cheley S., Bayley H. and Gouaux J. E. (1996) Structure of staphylococcal alpha-hemolysin, a heptamertic transmembrane pore. Science 274:1859–1866
- ^ Peters, Christopher, et al. "Trans-complex formation by proteolipid channels in the terminal phase of membrane fusion." Nature 409.6820 (2001): 581-588.
- ^ Lazdunski CJ, Baty 0, Geli V, Cavard 0, Morlon J, Lloubes R, Howard SP, Knibiehler M, Chartier M,Varenne S, et al. (1988) The membrane channel-forming colicin A:synthesis, secretion, structure,action and immunity. Biochim Biophys Acta 947:445-464
- ^ James R, Kleanthous C, Moore GR (1996) The biology of E-colicins - paradigms and paradoxes. Microbiology UK 142:1569-1580
- ^ Skals, Marianne, and Helle A. Praetorius. "Mechanisms of cytolysin‐induced cell damage–a role for auto‐and paracrine signalling." Acta Physiologica 209.2 (2013): 95-113.
- ^ 19.0 19.1 Heuck, Alejandro P., Paul C. Moe, and Benjamin B. Johnson. "The cholesterol-dependent cytolysin family of gram-positive bacterial toxins." Cholesterol Binding and Cholesterol Transport Proteins:. Springer Netherlands, 2010. 551-577.