La citolisina se refiere a la sustancia secretada por microorganismos, plantas o animales que es específicamente tóxica para células individuales , [1] [2] en muchos casos causando su disolución a través de lisis . Las citolisinas que tienen una acción específica para ciertas células se nombran en consecuencia. Por ejemplo, las citolisinas responsables de la destrucción de glóbulos rojos , liberando así hemoglobinas , se denominan hemolisinas , y así sucesivamente. [3] Las citolisinas pueden estar involucradas en la inmunidad , así como en los venenos .
La hemolisina también es utilizada por ciertas bacterias, como Listeria monocytogenes , para romper la membrana del fagosoma de los macrófagos y escapar al citoplasma de la célula.
El término "citolisina" o "toxina citolítica" fue introducido por primera vez por Alan Bernheimer para describir las toxinas que dañan la membrana (MDT) que tienen efectos citolíticos en las células. [4] El primer tipo de toxina citolítica descubierta tiene efectos hemolíticos en los eritrocitos de ciertas especies sensibles, como los humanos. Por esta razón, " hemolisina " se utilizó por primera vez para describir cualquier MDT. En la década de 1960, se demostró que ciertas MDT eran destructivas en células distintas de los eritrocitos , como los leucocitos . El término "citolisina" es introducido por Bernheimer para reemplazar "hemolisina". Las citolisinas pueden destruir las membranas sin crear lisis en las células. [5] Por lo tanto, "toxinas que dañan la membrana" (MDT) describe las acciones esenciales de las citolisinas. Las citolisinas comprenden más de 1/3 de todas las toxinas proteicas bacterianas . Las toxinas proteicas bacterianas pueden ser altamente venenosas para los humanos. Por ejemplo, la toxina botulínica es 3x10 5 más tóxica que el veneno de serpiente para los humanos y su dosis tóxica es de solo 0,8x10 −8 mg. [6] Una amplia variedad de bacterias grampositivas y gramnegativas utilizan la citolisina como su arma principal para crear enfermedades, como Enterococcus faecalis , [7] Staphylococcus y Clostridium perfringens .
Se han realizado diversos estudios sobre las citolisinas. Desde la década de 1970, se han descubierto más de 40 nuevas citolisinas y se han agrupado en diferentes familias. [8] A nivel genético, se han estudiado y publicado las estructuras genéticas de alrededor de 70 proteínas citolisinas. [9] También se ha estudiado el proceso detallado de daño de la membrana . Rossjohn et al. presentan la estructura cristalina de la perfringolisina O, una citolisina activada por tiol , que crea agujeros en la membrana de las células eucariotas . Se construye un modelo detallado de la formación del canal de la membrana que revela el mecanismo de inserción de la membrana. [10] Shatursky et al. estudiaron el mecanismo de inserción de la membrana de la perfringolisina O (PFO), una citolisina formadora de poros dependiente del colesterol producida por el patógeno Clostridium perfringens . En lugar de utilizar una única horquilla β anfipática por polipéptido, el monómero PFO contiene dos horquillas β anfipáticas, cada una de las cuales abarca toda la membrana. Larry et al. Se centró en los modelos de penetración de membrana de las toxinas RTX , una familia de MDT secretadas por muchas bacterias gramnegativas . Se reveló el proceso de inserción y transporte de la proteína desde RTX hasta la membrana lipídica diana. [11]
Las citolisinas que dañan la membrana se pueden clasificar en tres tipos según su mecanismo dañino:
Las citolisinas formadoras de poros (PFC) comprenden cerca del 65% de todas las citolisinas que dañan la membrana. [8] La primera citolisina formadora de poros fue descubierta por Manfred Mayer en 1972 en la inserción C5 - C9 de los eritrocitos. [12] Las PFC pueden ser producidas por una amplia variedad de fuentes, como bacterias, hongos e incluso plantas. [13] El proceso patogénico de las PFC normalmente implica la formación de canales o poros en las membranas de las células diana. Tenga en cuenta que los poros pueden tener muchas estructuras. Una estructura similar a una porina permite que las moléculas de ciertos tamaños pasen a través de ella. Los campos eléctricos se distribuyen de manera desigual a través del poro y permiten la selección de moléculas que pueden pasar. [14] Este tipo de estructura se muestra en la α-hemolisina estafilocócica . [15] Un poro también se puede formar a través de fusiones de membrana. Controlada por Ca 2+ , la fusión de membrana de vesículas forma poros llenos de agua a partir de proteolípidos . [16] Las citolisinas formadoras de poros, como la perforina, se utilizan en las células T y NK asesinas citotóxicas para destruir las células infectadas.
Un proceso de formación de poros más complejo implica un proceso de oligomerización de varios monómeros de PFC . El proceso de formación de poros comprende tres pasos básicos. Las citolisinas son producidas por ciertos microorganismos al principio. A veces, el organismo productor necesita crear un poro en su propia membrana para liberar dichas citolisinas, como es el caso de las colicinas producidas por Escherichia coli . Las citolisinas se liberan como monómeros proteicos en un estado soluble en agua en este paso. [17] Tenga en cuenta que las citolisinas también suelen ser tóxicas para sus huéspedes productores. Por ejemplo, las colicinas consumen ácidos nucleicos de las células mediante el uso de varias enzimas. [18] Para evitar dicha toxicidad, las células huésped producen proteínas de inmunidad para unirse a las citolisinas antes de que provoquen algún daño en el interior. [8]
En el segundo paso, las citolisinas se adhieren a las membranas celulares diana al coincidir con los " receptores " de las membranas. La mayoría de los receptores son proteínas, pero también pueden ser otras moléculas, como lípidos o azúcares. Con la ayuda de los receptores, los monómeros de citolisina se combinan entre sí y forman grupos de oligómeros. Durante esta etapa, las citolisinas completan la transición del estado de monómeros solubles en agua al estado de oligómeros.
Finalmente, los grupos de citolisina formados penetran las membranas de las células diana y forman poros en la membrana. El tamaño de estos poros varía de 1 a 2 nm ( toxina alfa de S. aureus , hemolisina alfa de E. coli , aerolisina de Aeromonas ) a 25 a 30 nm ( estreptolisina O , neumolisina ).
Dependiendo de cómo se formen los poros, las citolisinas que forman poros se dividen en dos categorías. Las que forman poros con hélices α se denominan α-PFT (toxinas formadoras de poros). Las que forman poros con estructuras de barril β se denominan β-PFT. Algunas de las α-PFT y β-PFT más comunes se enumeran en la siguiente tabla.
Los efectos letales de las citolisinas formadoras de poros se producen al causar un desorden en la entrada y salida de una sola célula. Los poros que permiten el paso de iones como el Na + crean un desequilibrio en la célula diana que excede su capacidad de equilibrio iónico. Por lo tanto, las células atacadas se expanden hasta la lisis. [19] Cuando se destruyen las membranas de la célula diana, las bacterias que producen las citolisinas pueden consumir los elementos intracelulares de la célula, como el hierro y las citocinas. [8] Algunas enzimas que descomponen las estructuras críticas de las células diana pueden ingresar a las células sin obstrucciones.
Un tipo específico de citolisina es la citolisina dependiente del colesterol (CDC). Las CDC existen en muchas bacterias Gram-positivas . El proceso de formación de poros de las CDC requiere la presencia de colesteroles en las membranas de las células diana. El tamaño de poro creado por las CDC es grande (25-30 nm) debido al proceso oligomérico de las citolisinas. Tenga en cuenta que el colesterol no siempre es necesario durante la fase de adhesión. Por ejemplo, la intermedilisina solo requiere la presencia de receptores de proteínas cuando se adhiere a las células diana y los colesteroles son necesarios en la formación de poros. [20] La formación de poros a través de las CDC implica un paso adicional a los pasos analizados anteriormente. Los monómeros solubles en agua se oligomerizan para formar un producto intermedio llamado complejo "pre-poro" y luego un barril β penetra en la membrana. [20]