HEMOLYSINE: KENMERKEN, TYPEN, WERKINGSMECHANISMEN - BIOLOGIE - 2025

Het hemolysine is een klein eiwit dat poriën veroorzaakt in de cel van erytrocyten en sommige andere eigen bloedcellen van het membraan van zoogdieren. Het wordt over het algemeen gesynthetiseerd en uitgescheiden door pathogene bacteriën.

Dit eiwit is een van de meest voorkomende microbiële toxines en is het best bestudeerd. Soms kan het hemolytische anemie veroorzaken, aangezien het aantal kanalen waardoor de cel binnenkomt zelfs cellysis kan veroorzaken.

Moleculaire structuur van een hemolysine (Bron: Jawahar Swaminathan en MSD-medewerkers van het European Bioinformatics Institute via Wikimedia Commons)

Over het algemeen is hemolysine een typisch toxine van Streptococcus-soorten van het darmkanaal. Door zijn functie kunnen bacteriën de epitheliale barrière van het darmkanaal doorbreken en zo door de bloedbaan bewegen om andere weefsels te koloniseren.

De meest voorkomende vorm dat hemolysine in de natuur wordt aangetroffen, is in de α-hemolysinevorm. Dit eiwit is een van de belangrijkste virulentiefactoren van de meeste Escherichia coli-stammen en sommige clostridia.

De meeste urineweginfecties worden veroorzaakt door Escherichia coli-stammen die α-hemolysine met hemolytische eigenschappen produceren.

De productie van hemolysine en bacteriocine in bacteriestammen is in verband gebracht met een concurrentiemechanisme tegen de andere soorten en de productie van beide toxines lijkt af te hangen van dezelfde genetische determinanten in het genoom van bacteriën.

kenmerken

Hemolysine bestaat uit zeven subeenheden en het gen dat ervoor codeert, heeft zeven promotors. Deze zeven subeenheden worden ingebracht in het plasmamembraan van de doelwitcellen en vormen, wanneer ze samenkomen, een ionenkanaal waardoor metabolieten uit het inwendige van de cel ontsnappen.

Hemolysine is een extracellulair calcium (Ca + 2) -afhankelijk cytotoxine dat inwerkt op het plasmamembraan van cellen in de bloedbaan. De poriën die het in het membraan creëert, zijn ook hydrofiel en zorgen ervoor dat water het celbinnenland binnendringt, wat kan leiden tot lysis.

Hemolysinen zijn typische eiwitproducten van gramnegatieve bacteriën en ze hebben allemaal twee kenmerken gemeen:

1- De aanwezigheid van een heel klein peptide (nonapeptide) dat bestaat uit herhalingen van de aminozuren glycine en asparaginezuur. De nonapeptiden van hemolysine bevinden zich nabij het C-terminale deel van de primaire structuur van het eiwit.

2- Alle hemolysines worden door de bacteriën uitgescheiden in de extracellulaire omgeving via een ABC-type transporter (ATP-Binding Cassette).

De productie van hemolysine wordt meestal gedetecteerd in bacteriestammen door groei in bloedagarmedium. In de test wordt een hemolytische halo waargenomen, een product van de afbraak van rode bloedcellen nabij de bacteriekolonies.

Soorten

Er zijn verschillende soorten hemolysinen, deze zijn geclassificeerd met een Griekse letter aan het begin van hun naam. De meest bestudeerde en meest voorkomende zijn α-, β- en γ-hemolysines, allemaal geproduceerd door de Staphylococcus aureus-stam.

De soorten hemolysine worden geclassificeerd volgens het celbereik dat ze aanvallen en volgens hun primaire structuur van het eiwit.

a-hemolysine

Dit eiwit is typerend voor Staphylococcus aureus- en Escherichia coli-stammen; het valt neutrofielen, rode bloedcellen, lymfocyten, macrofagen, volwassen en embryonale fibroblasten aan. Het werkt samen met de polaire koppen van de plasmamembraanlipiden van deze cellen om een ​​hydrofobe staart van ongeveer 5 Ӑ in het membraan te internaliseren.

β-hemolysine

Geproduceerd door Staphylococcus aureus in mindere mate dan α-hemolysine, valt β-hemolysine voornamelijk rode bloedcellen aan en komt het membraan uitsluitend binnen via de sfingomyeline-rijke domeinen van het celmembraan.

γ-hemolysine

Het is ook gezien bij Staphylococcus aureus. Het is geclassificeerd als een hemolytisch eiwit en een leukotoxine tegelijkertijd, omdat het polymorfonucleaire cellen van mensen, monocyten, macrofagen en, zelden, zelfs rode bloedcellen aantast.

Dit type γ-hemolysine is een van de minst gekarakteriseerde, daarom is veel van zijn werkingsmechanisme onbekend en is het niet in vivo onderzocht.

Actiemechanismen

Het werkingsmechanisme dat relatief duidelijk is opgehelderd, is dat van α-hemolysine. Omdat het echter allemaal hemolytische eiwitten zijn, wordt aangenomen dat de meeste processen hetzelfde zijn voor alle hemolysinen.

Wetenschappers suggereren dat bacteriën om hemolysine in het milieu af te scheiden zich in een voedingsarme micro-omgeving moeten bevinden, daarom zou dit een mechanisme zijn dat de cel ertoe aanzet de doelcellen te vernietigen en hun voedingsstoffen te verkrijgen.

Het mechanisme is beschreven in drie stappen: celmembraanbinding, insertie en oligomerisatie.

Membraanbinding

Van hemolysinen is gevonden dat ze kunnen binden aan neutrofiele integrinen en in erytrocyten is aangetoond dat deze eiwitten binden aan geglycosyleerde componenten zoals glycoproteïnen, gangliosiden en glycoforinen van het celmembraan.

Sommige auteurs suggereren dat de aanwezigheid van receptoren in het membraan niet essentieel is voor het optreden van hemolysinen. In ieder geval is het mechanisme van cellulaire heropname van het eiwit nog niet precies bekend.

Transmembraanporie gevormd door het Staphylococcus hemolysine-eiwit (Bron: Deposition auteurs: Song, L., Hobaugh, M., Shustak, C., Cheley, S., Bayley, H., Gouaux, JE; visualisatie auteur: Gebruiker: Astrojan via Wikimedia Commons)

De interactie met het membraan verloopt in twee stappen:

- Initiële binding (reversibel): wanneer hemolysine zich bindt aan de calciumbindende domeinen van het membraan. Deze stap vindt plaats aan de oppervlakte en is zeer gevoelig voor elektrostatische ontlading.

- Onomkeerbare verbinding: verbindt de aminozuurdomeinen met de lipidecomponenten van de buitenste laag van het plasmamembraan van de doelcellen, om fysieke bindingen te vormen tussen de hydrofobe verbindingen van het membraan.

Inbrengen van toxine in het membraan

Α-hemolysine voegt residuen 177 en 411 toe aan de eerste lipide-monolaag. In de extracellulaire omgeving wordt hemolysine geassocieerd met calciumionen, die daarin een structurele rangschikking induceren en bijdragen aan de activering ervan.

Dit inbrengen consolideert de onomkeerbare hechting aan het celmembraan. Als de schikking eenmaal heeft plaatsgevonden, wordt hemolysine een integraal eiwit, aangezien experimenteel is aangetoond dat de enige manier om het uit het membraan te extraheren is door detergentia zoals Triton X-100 te gebruiken.

Oligomerisatie

Wanneer alle hemolysine in het plasmamembraan van de doelwitcellen is ingebracht, vindt de oligomerisatie van de 7 subeenheden waaruit het bestaat, plaats, wat eindigt in de vorming van een eiwitporie, zeer dynamisch maar afhankelijk van de lipidesamenstelling van het membraan.

Er is waargenomen dat het oligomerisatieproces wordt bevorderd door de microdomeinen of lipidevlotten van het celmembraan. Deze regio's bevorderen de binding van het eiwit misschien niet, maar ze bevorderen de oligomerisatie van hetzelfde eenmaal ingebracht.

Hoe meer hemolysinen zich aan het membraan binden, hoe meer poriën zich zullen vormen. Bovendien kunnen hemolysinen elkaar (aangrenzende) oligomeriseren en veel grotere kanalen vormen.

Referenties

1. Bakás, L., Ostolaza, H., Vaz, WL, & Goñi, FM (1996). Omkeerbare adsorptie en niet-omkeerbare insertie van Escherichia coli alfa-hemolysine in lipidedubbellagen. Biophysical journal, 71 (4), 1869-1876.
2. Dalla Serra, M., Coraiola, M., Viero, G., Comai, M., Potrich, C., Ferreras, M.,… & Prévost, G. (2005). Staphylococcus aureus bicomponent γ-hemolysines, HlgA, HlgB en HlgC, kunnen gemengde poriën vormen die alle componenten bevatten. Journal of chemical information and modeling, 45 (6), 1539-1545.
3. Gow, JA, en Robinson, J. (1969). Eigenschappen van gezuiverd stafylokokken β-hemolysine. Journal of bacteriology, 97 (3), 1026-1032.
4. Ike, Y., Hashimoto, H., & Clewell, DB (1984). Hemolysine van Streptococcus faecalis ondersoort zymogenes draagt ​​bij aan virulentie bij muizen. Infectie en immuniteit, 45 (2), 528-530.
5. Remington, JS, Klein, JO, Wilson, CB, Nizet, V., & Maldonado, YA (Eds.). (1976). Infectieziekten van de foetus en pasgeboren baby (Vol. 4). Philadelphia: Saunders.
6. Todd, EW (1932). Antigeen streptokokken hemolysine. Journal of experimentele geneeskunde, 55 (2), 267-280.