La citolisina se refiere a la sustancia secretada por microorganismos, plantas o animales que es específicamente tóxica para las células individuales , [1] [2] provocando en muchos casos su disolución mediante lisis . Las citolisinas que tienen una acción específica sobre determinadas células reciben el nombre correspondiente. Por ejemplo, las citolisinas responsables de la destrucción de los glóbulos rojos , liberando así hemoglobinas , se denominan hemolisinas , etc. [3] Las citolisinas pueden estar involucradas en la inmunidad así como en los venenos .
Ciertas bacterias, como Listeria monocytogenes , también utilizan la hemolisina para alterar la membrana fagosómica 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 sobre los eritrocitos de ciertas especies sensibles, como la humana. Por esta razón, se utilizó por primera vez " hemolisina " para describir cualquier MDT. En la década de 1960 se demostró que ciertos MDT eran destructivos en células distintas de los eritrocitos , como los leucocitos . Bernheimer introduce entonces el término "citolisina" para sustituir a "hemolisina". Las citolisinas pueden destruir las membranas sin provocar lisis en las células. [5] Por lo tanto, "toxinas que dañan la membrana" (MDT) describen 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 muy venenosas para los humanos. Por ejemplo, la botulinum es 3x10 5 más tóxica que el veneno de serpiente para los humanos y su dosis tóxica es de sólo 0,8x10 −8 mg. [6] Una amplia variedad de bacterias grampositivas y gramnegativas utilizan la citolisina como arma principal para crear enfermedades, como Enterococcus faecalis , [7] Staphylococcus y Clostridium perfringens .
Se ha realizado una amplia gama de estudios sobre las citolisinas. Desde la década de 1970, se han descubierto más de 40 nuevas citolisinas, agrupadas 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 formación de canales de membrana que revela el mecanismo de inserción de la membrana. [10] Shatursky et al. Estudió el mecanismo de inserción en 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 de PFO contiene dos horquillas β anfipáticas, cada una de las cuales abarca toda la membrana. Larry y cols. se centró en los modelos de toxinas RTX que penetran la membrana , una familia de MDT secretada por muchas bacterias gramnegativas . Se reveló el proceso de inserción y transporte de la proteína desde RTX hasta la membrana lipídica objetivo. [11]
Las citolisinas que dañan la membrana se pueden clasificar en tres tipos según su mecanismo de daño:
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] Los PFC pueden ser producidos por una amplia variedad de fuentes, como bacterias, hongos e incluso plantas. [13] El proceso patogénico de los 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 el paso de moléculas de ciertos tamaños. 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] También se puede formar un poro mediante fusiones de membranas. Controlada por Ca 2+ , la fusión de las membranas de las 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 al principio por determinados microorganismos. A veces, el organismo productor necesita crear un poro en su propia membrana para liberar dichas citolisinas, como en el caso de las colicinas producidas por Escherichia coli . En este paso, las citolisinas se liberan como monómeros proteicos en un estado soluble en agua. [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 prevenir tal toxicidad, las células huésped producen proteínas inmunitarias para unirse a las citolisinas antes de que causen algún daño hacia el interior. [8]
En el segundo paso, las citolisinas se adhieren a las membranas celulares objetivo haciendo coincidir 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 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 de membrana. El tamaño de estos poros varía de 1 a 2 nm ( toxina α de S. aureus , hemolisina α de E. coli , aerolisina de Aeromonas ) a 25 a 30 nm ( estreplisina O , neumolisina ).
Dependiendo de cómo se formen los poros, las citolisinas que forman poros se dividen en dos categorías. Aquellos que forman poros con hélices α se denominan α-PFT (toxinas formadoras de poros). Los que forman poros con estructuras de barril β se denominan β-PFT. Algunas de las α-PFT y β-PFT comunes se enumeran en la siguiente tabla.
Los efectos letales de las citolisinas formadoras de poros se realizan provocando un trastorno de entrada y salida en una sola célula. Los poros que permiten el paso de iones como el Na + crearon un desequilibrio en la célula objetivo que excede su capacidad de equilibrio iónico. Por lo tanto, las células atacadas se expanden hasta la lisis. [19] Cuando se destruyen las membranas celulares 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 de colesterol (CDC). Los CDC existen en muchas bacterias Gram positivas . El proceso de formación de poros de las CDC requiere la presencia de colesterol en las membranas de las células diana. El tamaño de los poros creados por los CDC es grande (25 a 30 nm) debido al proceso oligomérico de las citolisinas. Tenga en cuenta que el colesterol no siempre es necesario durante la fase de adherencia. Por ejemplo, la intermedilisina solo requiere la presencia de receptores de proteínas cuando se une a las células diana y se requieren colesteroles para la formación de poros. [20] La formación de poros a través de 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 se penetra un barril β en la membrana. [20]