Informatie

6.2A: Type I toxines: superantigenen - biologie


leerdoelen

  1. Definieer superantigeen.
  2. Beschrijf in het kort het mechanisme waardoor superantigenen schade aan het lichaam veroorzaken.
  3. Noem 2 superantigenen en geef een voorbeeld van een bacterie die ze allemaal produceert.

Gemarkeerde bacterie

  1. Lees de beschrijving van Streptococcus pyogenes en match de bacterie met de beschrijving van het organisme en de infectie die het veroorzaakt.

Superantigenen zijn ongebruikelijke bacteriële toxines die een interactie aangaan met buitengewoon grote aantallen T4-lymfocyten. Ze binden aan het oppervlak van de doelcel, maar gaan de cel niet binnen.

Conventionele antigenen worden opgeslokt door antigeenpresenterende cellen (APC's), afgebroken tot epitopen, binden aan de peptidegroef van MHC-II-moleculen en worden op het oppervlak van de APC geplaatst (Figuur (PageIndex{1})). Hier worden ze herkend aan specifieke T4-lymfocyten met een TCR met een overeenkomstige vorm (Figuur (PageIndex{2})).

Superantigenen binden echter direct aan de buitenkant van MHC-II-moleculen en activeren grote aantallen T4-lymfocyten (Figuur (PageIndex{3})). Deze activering van zeer grote aantallen T4-lymfocyten resulteert in de afscheiding van buitensporige hoeveelheden van een cytokine genaamd interleukine-2 (IL-2) evenals de activering van zelfreactieve T-lymfocyten. De normale respons op een conventioneel antigeen resulteert in de activering van misschien 1 op 10.000 T-lymfocyten; superantigenen kunnen wel 1 op de 5 T-lymfocyten activeren.

De productie van hoge niveaus van IL-2 kan leiden tot circulatie van IL-2 in het bloed, wat leidt tot symptomen zoals koorts, misselijkheid, braken, diarree en malaise. Overmatige stimulatie van de IL-2-secretie kan echter ook leiden tot de productie van inflammatoire cytokinen zoals tumornecrosefactor-alfa (TNF-alfa), interleukine-1 (IL-1), inflammatoire chemokinen zoals IL-8 en bloedplaatjes- activerende factor (PAF), en kan leiden tot dezelfde endotheliale schade, acuut respiratoir distress syndroom, gedissemineerde intravasculaire coagulatie, shock en falen van meerdere organen zoals hierboven gezien met LPS en andere bacteriële celwandfactoren. Activering van zelfreactieve T-lymfocyten kan ook leiden tot een auto-immuunaanval.

De volgende zijn voorbeelden van superantigenen.

  1. Toxic shock syndrome toxine-1 (TSST-1), geproduceerd door sommige stammen van Staphylococcus aureus. Dit exotoxine veroorzaakt het toxische shocksyndroom (TSS). Overmatige cytokineproductie leidt tot koorts, huiduitslag en shock.
  2. Streptokokken pyrogeen exotoxine (Spe), geproduceerd door zeldzame invasieve stammen en roodvonkstammen van Streptococcus pyogenes (de groep A beta-streptokokken). S pyogenes produceert een aantal SPE's die cytotoxisch en pyrogeen zijn, de dodelijke effecten van endotoxinen versterken en bijdragen aan door cytokine geïnduceerde ontstekingsschade. SPE's zijn verantwoordelijk voor het veroorzaken van streptokokken toxisch shocksyndroom (STSS), waarbij overmatige cytokineproductie leidt tot koorts, huiduitslag en het triggeren van de shockcascade. De SPE's lijken ook verantwoordelijk te zijn voor het induceren van necrotiserende fasciitis, een ziekte die de huid, het vet en het weefsel dat de spier (de fascia) bedekt, kan vernietigen. SPE B is ook een voorloper voor een cysteïneprotease dat spierweefsel kan vernietigen.

Lees de beschrijving van Streptococcus pyogenes, en in staat zijn om de bacterie te matchen met zijn beschrijving op een examen.

  1. Staphylococcus enterotoxinen (SE), geproduceerd door veel stammen van Staphylococcus aureus. Deze exotoxinen veroorzaken voedselvergiftiging door stafylokokken. Overmatige productie van Il-2 resulteert in koorts, misselijkheid, braken en diarree. Het braken kan ook te wijten zijn aan deze toxines die de nervus vagus in de maagwand stimuleren die het braken regelt.
  2. ETEC enterotoxine, geproduceerd door enterotoxogenic E coli (ETEC), een van de meest voorkomende oorzaken van reizigersdiarree.

Oefening: Think-Pair-Share vragen

Wat is het mechanisme waardoor superantigenen uiteindelijk tot SIRS leiden?

Samenvatting

  1. Conventionele antigenen worden alleen herkend door specifieke T4-cellen met een TCR met een overeenkomstige vorm.
  2. Superantigenen zijn ongebruikelijke bacteriële toxines die een interactie aangaan met buitengewoon grote aantallen T4-lymfocyten.
  3. Activering van zeer grote aantallen T4-lymfocyten resulteert in de afscheiding van overmatige hoeveelheden van een cytokine genaamd interleukine-2 (IL-2).
  4. Overmatige stimulatie van IL-2-secretie kan ook leiden tot de productie van ontstekingen en kan leiden tot dezelfde endotheliale schade, acuut respiratoir distress syndroom, gedissemineerde intravasculaire coagulatie, shock en falen van meerdere orgaansystemen die worden gezien bij PAMP-geïnduceerde ontsteking.
  5. Voorbeelden van superantigenen zijn onder meer toxisch shocksyndroom toxine-1 (TSST-1), streptokokken pyrogene exotoxinen (SPE), Staphylococcus enterotoxinen (SE) en enterotoxogeen E. coli (ETEC) enterotoxine.

Vragen

Bestudeer de stof in dit gedeelte en schrijf de antwoorden op deze vragen op. Klik niet zomaar op de antwoorden en schrijf ze op. Dit zal uw begrip van deze tutorial niet testen.

  1. Definieer superantigeen (Antwoord).
  2. Beschrijf in het kort het mechanisme waardoor superantigenen schade aan het lichaam veroorzaken. (Antwoord)
  3. Noem 2 superantigenen en geef een voorbeeld van een bacterie die ze allemaal produceert.
    1. (Antwoord)
    2. (Antwoord)
  4. Meerkeuze (Antwoord)

Het mechanisme van superantigeentoxiciteit verduidelijken

Auteursrechten: © 2011 John D. Fraser. Dit is een open-access artikel dat wordt gedistribueerd onder de voorwaarden van de Creative Commons Attribution License, die onbeperkt gebruik, distributie en reproductie in elk medium toestaat, op voorwaarde dat de oorspronkelijke auteur en bron worden vermeld.

Financiering: Voor dit artikel is geen specifieke financiering ontvangen.

Concurrerende belangen: De auteur heeft verklaard dat er geen concurrerende belangen bestaan.

Afkortingen: MHC, Major Histocompatability Complex Sag, superantigeen SEB, staphylococcus enterotoxine B TcR, T-celreceptor TNF-α, Tumornecrosefactor α TSST, Toxic Shock Syndrome Toxine

Superantigenen zijn bacteriële eiwitten die een krachtige immuunrespons genereren door te binden aan Major Histocompatibility Complex klasse II-moleculen op antigeenpresenterende cellen en T-celreceptoren op T-cellen. Een recent artikel onthult dat ten minste één van de superantigenen, staphylococcus enterotoxine B (SEB), ook bindt aan het co-stimulerende molecuul CD28, wat suggereert dat er een veel groter en mogelijk stabieler complex wordt gevormd bij de immunologische synaps dan eerder werd gedacht. Deze onthulling verduidelijkt een groot deel van het mysterie rond hoe en waarom deze toxines in staat zijn om zo'n giftige immuunrespons op te wekken bij extreem lage concentraties. Deze bevindingen benadrukken ook een nieuwe rol voor CD28 in microbiële pathogeniteit.

Bacteriële superantigenen (Sags) vormen een familie van zeer stabiele bacteriële eiwitten die de krachtigste bekende activatoren van het immuunsysteem zijn. Ze kunnen voedselvergiftiging veroorzaken of, bij voldoende concentratie in het bloed of lymfoïde weefsel, systemische shock [1]. Degenen die ongelukkig genoeg zijn om voedsel te eten dat besmet is met Staphylococcus aureus zal een paar uur later een korte maar hevige episode van braken en diarree ervaren - de poging van de darm om de Sag te verdrijven voordat deze schade aanricht aan het immuunsysteem. Als een Sag in de bloedbaan terechtkomt en als de patiënt geen neutraliserend antilichaam heeft van eerdere blootstelling, dan zal de Sag een plotselinge en diepgaande T-celstimulatie induceren die een cascade van cytokinen genereert, resulterend in symptomen zoals hoge koorts, hoofdpijn, braken, hypotensie, pijn en huiduitslag, waardoor de aandoening wordt veroorzaakt die bekend staat als het toxische shocksyndroom. Deze levensbedreigende ziekte wordt vaak geassocieerd met jonge vrouwen die een intra-vaginale infectie hebben ontwikkeld van een stafylokokkenstam die het Sag Toxic Shock Syndrome Toxin (TSST) [2],[3] produceert. Diepe weefselinfecties door Streptococcus pyogenes kan ook vergelijkbare krachtige verzakkingen produceren die dodelijke schokken kunnen veroorzaken [1]. Interessant is dat de Sag-geïnduceerde immuunrespons niet gericht is op de bacteriën zelf, maar dat Sags eerder een niet-specifieke T-cel- en cytokine-gemedieerde immuunrespons sturen die op de een of andere manier helpt bij bacteriële overleving. Hoewel veel cytokinen worden geproduceerd als reactie op een enkele Sag, wordt acute toxiciteit toegeschreven aan de overmatige productie van drie T-celcytokinen: Interleukine-2 (IL-2), Interferon-γ (INF-γ) en in het bijzonder Tumornecrosefactor α (TNF-a) [4],[5].

Misschien wel het meest opvallende kenmerk van Sags is hun extreme potentie: veel van de meer dan 30 verschillende stafylokokken en streptokokken Sags stimuleren diepgaande proliferatie en cytokineproductie in tot 20% van alle perifere T-cellen, bij concentraties in kweek die 1 femtomolair benaderen (10 −15 mol/l). Dit is vooral opmerkelijk omdat T-cellen niet direct betrokken zijn bij de directe verdediging tegen deze bacteriën. Waarom S. aureus en S. pyogenes zo'n krachtige T-celrespons zou moeten produceren, is nooit duidelijk opgelost. Eén hypothese stelt dat verzakkingen belangrijk zijn in de zeer vroege stadia van kolonisatie wanneer de bacteriën moeite hebben om een ​​niche te vestigen. Door lokale T-cellen te stimuleren, kunnen Sags de rekrutering en activering van hun echte vijand onderdrukken - neutrofielen en macrofagen, die de bacteriën zouden vernietigen. Sags moeten daarom effectief zijn bij verdwijnend lage concentraties en het is alleen wanneer de bacteriekolonie goed ingeburgerd raakt en de Sag-productie niet afsluit, dat de toxische gevolgen: ontstaan ​​- een toestand die van weinig nut kan zijn voor de bacteriën en nog minder voor de gastheer.

Normaal gesproken worden microbiële antigenen geïnternaliseerd door antigeenpresenterende cellen, verteerd en vervolgens gepresenteerd als kleine peptiden op het celoppervlak, samengebonden met Major Histocompatability Complex klasse II (MHC klasse II) moleculen. De combinatie van MHC en peptide wordt vervolgens herkend door T-celreceptoren (TcR's) tot expressie gebracht op T-cellen, waardoor een immuunrespons wordt gestimuleerd die specifiek is voor dat peptide-antigeen. In de afgelopen twee decennia hebben echter veel elegante onderzoeken aangetoond dat alle Sags één ding heel goed doen: ze kapen T-celantigeenherkenning door MHC klasse II en TcR direct te verknopen, waardoor het antigeenpresenterende stadium wordt omzeild en een veel groter , ongepaste immuunrespons. Alle Sags hebben daarom ten minste twee afzonderlijke bindingsplaatsen - een voor MHC klasse II en een andere voor de β-keten van TcR [6]. Mutagenese-onderzoeken hebben deze locaties in kaart gebracht voor een aantal verschillende Sags en co-kristalstructuren van Sags gebonden aan MHC klasse II of TcR hebben hun locatie bevestigd [7],[8]. Wat het meest verrassend was, is de verscheidenheid aan bindingsmodi die door individuele Sags worden gebruikt (Figuur 1). Bijvoorbeeld Staphylococcus enterotoxine B (SEB) en C (SEC) cross-link MHC klasse II -keten en TcR -keten. Streptokokken pyrogeen exotoxine C (SPEC) bindt aan de andere kant van MHC klasse II en crosslinkt TcR -keten terwijl Staphylococcus Enterotoxine A (SEA) zowel α- als β-keten bindingsplaatsen op MHC klasse II bindt om TcR te crosslinken β-keten. Staphylococcus enterotoxine H (SEH) is de enige Sag die bindt aan een TcR -keten (Figuur 1) [9]. Dus hoewel Sags een zeer vergelijkbare eiwitstructuur delen, heeft elk zijn eigen manier van binding aan MHC en TcR ontwikkeld - en deze opmerkelijke bindingsdiversiteit biedt duidelijk S. aureus en S. pyogenes een belangrijk overlevingsvoordeel.

In de eerste structuur is SEC3 (vergelijkbaar met SEB) gebonden aan de geconserveerde MHC klasse II -keten en heeft het een Vβ8-domein [18],[19]. Merk op hoe de TcR geen contact maakt met het normale peptide/MHC-oppervlak zoals tijdens normale peptideherkenning. In de tweede structuur bindt TSST op dezelfde locatie als SEC3 maar in een andere oriëntatie. TSST is zeer specifiek voor de menselijke Vβ2 TcR [20],[21]. In de derde structuur is de streptokokken Sag SPEC gebonden aan de andere kant van MHC klasse II en ligeert humaan Vβ2 TcR [8],[22] maar in een heel andere oriëntatie dan TSST. De vierde structuur is van staphylococcus enterotoxine H (SEH) gebonden aan de β-keten van MHC klasse II maar ligeert een TcR via zijn Vα27-domein - de enige Sag waarvan bekend is dat deze een TcR α-keten aangaat [9]. In elk van de structuren is de locatie van de CD28-binding geïdentificeerd door Arad et al. [16] wordt weergegeven door rode ruimtevullende bollen. Let op zijn positie ver weg van zowel TcR als MHC klasse II in een geschikte positie om een ​​CD28-molecuul in een tetrameer membraancomplex in elk van de vier Sag-oriëntaties te betrekken.

Hoewel dit Sag-MHC-TcR-trimeermodel van Sag-activering universeel wordt geaccepteerd [6], zijn er verschillende verbijsterende aspecten van Sag-gedrag die nooit helemaal zijn gegeleerd, wat erop wijst dat iets anders hun extreme potentie en toxiciteit beter zou kunnen verklaren. De bindingsaffiniteiten die Sags vertonen voor TcR en MHC klasse II zijn bijvoorbeeld meestal vrij zwak - in het lage micromolaire bereik, maar Sags stimuleren bij concentraties die enkele miljoenen keren lager zijn dan dit [1]. Verzakkingen zijn ook enkele ordes van grootte minder krachtig voor T-cellen van muizen dan menselijke T-cellen, zelfs wanneer ze worden gepresenteerd op menselijke MHC-klasse II [10] - een discrepantie die nooit volledig is verklaard. Het muteren van de TcR-bindingsplaats op Sags creëert mutanten die geen mitogeniteit hebben maar toch significante toxiciteit behouden, vooral in combinatie met kleine hoeveelheden van het Gram-negatieve bacteriële pyrogeen Lipopolysaccharide (LPS). Dit is een bijzonder dodelijke combinatie, wat suggereert dat mitogeniciteit en toxiciteit afzonderlijke mechanismen kunnen gebruiken [1]. Ten slotte vereisen volledige activering en cytokineproductie dat T-cellen een tweede co-stimulerend signaal ontvangen via het CD28-molecuul, maar er was geen bewijs dat CD28 effectief werd ingeschakeld tijdens Sag-activering. Toch reageren T-cellen die defect zijn in CD28 veel minder op Sag en CD28-deficiënte muizen zijn volledig resistent tegen Sag-toxiciteit en produceren geen TNF-α of INF-γ [11],[12]. Het is bekend dat CD28 op zichzelf een krachtig signaal aan T-cellen kan leveren. Dit wordt het best benadrukt door de ongelukkige klinische proef uit 2006 van het gehumaniseerde anti-CD28 monoklonale antilichaam TGN1412 van de firma TeGenero: onverwacht kregen alle zes gezonde vrijwilligers een bijna fatale toxische shock onmiddellijk na injectie van een kleine hoeveelheid TGN1412 [13]. In een verhelderende brief in de New England Journal of Medicine David Corry en Dorothy Lewis van het Baylor College of Medicine bespraken dit ongelukkige incident en stelden een verband voor tussen de anti-CD28-toxiciteit die in deze proef werd waargenomen en Sags: "... samen geven deze waarnemingen aan dat T-cellen geactiveerd door superantigeenbinding aan zowel CD28 als antigeen receptor mediëren het toxische shocksyndroom” [14],[15]. Nieuw bewijs, gepresenteerd in dit nummer van PLoS Biologie, suggereert dat ze gelijk hadden!

Een artikel in dit nummer van PLoS Biologie [16] heeft het Sag staphylococcal enterotoxine B (SEB) zorgvuldig opnieuw onderzocht en volgt op een eerdere studie die voor het eerst peptide-antagonisten van SEB-toxiciteit identificeerde [14]. SEB is het best bekend om zijn voedselvergiftigingsvermogen, en hoewel het een relatief zwak menselijk T-celmitogeen is in vergelijking met andere Sags, produceert het grote hoeveelheden IL-2, TNF-α en INF-γ wanneer het wordt toegevoegd aan menselijke perifere bloedcellen en doodt muizen die vooraf gesensibiliseerd zijn met het levertoxine D-galactosamine [17]. Naast MHC klasse II en TcR hebben Arad et al. [16] ontdekte dat SEB een derde bindingsplaats heeft voor - je raadt het al - CD28. Dit is een openbaring en achteraf gezien volkomen logisch, omdat het een veel duidelijkere reden biedt voor de extreme potentie en toxiciteit van SEB en mogelijk andere Sags. Deze bevindingen benadrukken ook een nieuwe rol voor CD28 in microbiële pathogeniteit. De auteurs laten zien dat SEB bindt aan een oplosbare vorm van CD28 via een relatief geconserveerd gebied dat verschilt van zowel de MHC klasse II-bindingsplaats als de TcR-bindingsplaats (weergegeven door de rode bollen in figuur 1) [14]. Ze gebruiken korte synthetische peptiden die zowel de SEB- als de CD28-regio's nabootsen om de door SEB geïnduceerde cytokineproductie door T-cellen effectief te blokkeren. Om hun zaak te versterken, muteren de auteurs de voorspelde CD28-bindingsplaats op SEB en laten ze zien dat deze mutant IL-2, TNF-α en INF-γ in T-cellen niet stimuleert. Van SEB is ook aangetoond dat het bindt aan cellen die zijn getransfecteerd met CD28 die ofwel MHC klasse II ofwel TcR missen. Ten slotte gebruiken ze de techniek van peptide-faagdisplay om nieuwe synthetische peptiden te genereren die zijn gescreend op het remmen van SEB-binding aan CD28-Fc. Deze peptiden, evenals peptiden die rechtstreeks zijn afgeleid van CD28, beschermen muizen tegen SEB-geïnduceerde letaliteit. Belangrijk is dat de auteurs laten zien dat dezelfde CD28-bindingsplaats kan worden gevonden op andere Sags zoals SEA en TSST en dat de synthetische peptiden die SEB remmen ook de door SEA en TSST geïnduceerde cytokineproductie remmen [14]. Dit suggereert dat CD28 een algemeen doelwit is voor alle bacteriële Sags. Aan de andere kant van het complex wordt de SEB-bindingsplaats op CD28 toegewezen aan een gebied dat nodig is voor homo-dimerisatie en dat verschilt van de B7-bindingsplaats. CD28 kan daarom worden gebonden door zowel SEB als B7 in het resulterende membraancomplex (Figuur 2).

In een model dat consistent is met de kristalcomplexen die in figuur 1 worden getoond, levert CD28 het essentiële 2e co-stimulerende signaal via afzonderlijke B7-ligatie. CD28 is essentieel voor Sag-toxiciteit [11],[12]. In het nieuwe model dat rechts wordt voorgesteld, maakt CD28 deel uit van een groter, stabieler complex dat direct door Sag is geligeerd. Dit nieuwe model verklaart veel beter de extreme potentie en cytokine-toxiciteit die wordt waargenomen bij Sags. In theorie zou dit tetramere complex stabieler zijn als het bij elkaar wordt gehouden door 3 interacties in plaats van 2.

Hoewel deze ontdekking het mechanisme van Sag-toxiciteit aanzienlijk verduidelijkt, zijn er enkele knagende vragen die voortkomen uit dit onderzoek waaraan verder moet worden gewerkt. Het geïdentificeerde lineaire gebied - SEB150–161- is voornamelijk een lusstructuur die de β8-streng verbindt met het eerste bit van de sterk geconserveerde α4-helix die zich in de kern van alle stafylokokken- en streptokokkenverzakkingen bevindt. Het 14-meer-gebied dat in deze onderzoeken wordt gebruikt - VQTNKKKVTAQELD - is redelijk geconserveerd in andere Sags en bevindt zich op een vlak dat verschilt van de MHC-klasse II- en TcR-bindingsplaatsen (Figuur 1). Het probleem is dat de meeste aminozuurzijketens in deze sequentie zijn begraven in de natieve SEB-structuur, waarbij slechts 4 van de 14 zijketens zijn blootgesteld aan het oplosmiddel en dus beschikbaar zijn om in contact te komen met CD28. Op dit moment is het moeilijk in te zien hoe een lineair synthetisch peptide van dit gebied CD28-binding kan blokkeren wanneer de structuur waarmee het concurreert niet toegankelijk is voor oplosmiddelen. Een andere merkwaardige bevinding is de functionele mutant SEB-T150A.K152A, die er niet in slaagt cytokinen in T-cellen te induceren, maar in feite bindt aan oplosbaar CD28 met een hogere affiniteit dan natief SEB. Dit is het tegenovergestelde van wat zou worden verwacht, maar zou kunnen worden verklaard door een model waarbij optimale signalering via CD28 slechts tijdelijke interactie met SEB vereist. De auteurs hebben zich alleen gericht op cytokine-genexpressie en bescherming tegen dodelijke toxische shock als middel om SEB-activering te beoordelen. Het zou leuk zijn geweest om te zien of de proliferatie van T-cellen ook in dezelfde mate wordt beïnvloed als de productie van cytokines. Als dat niet het geval is, zou dit suggereren dat T-celproliferatie voornamelijk wordt gemedieerd door TcR-ligatie, terwijl de overmatige cytokinetoxiciteit het gevolg is van CD28-ligatie.

Zoals bij elke onthullende ontdekking worden er meer vragen opgeworpen dan beantwoord - vragen die zeker in toekomstige studies aan de orde zullen komen. Het lijdt geen twijfel dat een nieuw model dat Sags in het midden van een groot membraancomplex plaatst dat bestaat uit MHC klasse II, TcR en nu CD28, de komende maanden uitgebreid zal worden getest. In dit stadium kan men zich echter alleen maar verbazen over de buitengewone efficiëntie van deze kleine eiwittoxines om de drie meest cruciale moleculen te betrekken bij de herkenning van T-celantigeen. Waarom ze dit precies doen, is de volgende vraag, maar gezien deze nieuwe CD28-verbinding zijn er nu nieuwe benaderingen voor het ontwikkelen van therapieën tegen toxische shock.


Bacteriële superantigenen en superantigeenachtige toxines

Superantigenen (SAgs) zijn de krachtigste T-celmitogenen die ooit zijn ontdekt. Door gelijktijdig te binden aan het belangrijkste histocompatibiliteitsklasse II-molecuul op het oppervlak van antigeenpresenterende cellen en aan de T-celreceptor (TcR) op T-cellen, veroorzaken SAgs een sterke oligoklonale expansie van T-cellen en de afgifte van enorme hoeveelheden pro-inflammatoire cytokinen. Tot nu toe zijn bacteriële SAgs gevonden in Streptococcus pyogenes (Groep A Streptococcus), Groep C Streptococcus, Groep G Streptococcus, verschillende soorten Staphylococcus, Yersinia pseudotuberculosis, en Mycoplasma artritis. De streptokokken- en stafylokokken-SAgs vormen een grote familie van structureel verwante toxines die een gemeenschappelijke voorouder lijken te hebben. Dit hoofdstuk geeft een gedetailleerd overzicht van de structuur, biologische functie en klinische associaties van bacteriële SAgs. Daarnaast bespreken we de stafylokokken superantigeen-achtige (SSL) eiwitten, een nieuwe toxinefamilie van Staphylococcus aureus die structureel verwant zijn aan SAgs, maar zich richten op verschillende delen van de aangeboren immuunrespons.


Toxic shock syndrome en bacteriële superantigenen: een update

Toxic shock syndrome (TSS) is een acute ziekte die wordt gekenmerkt door koorts, de vorming van huiduitslag en hypotensie die kan leiden tot meervoudig orgaanfalen en dodelijke shock, evenals desquamatie bij patiënten die herstellen. De ziekte wordt veroorzaakt door bacteriële superantigenen (SAG's) die worden uitgescheiden door Staphylococcus aureus en groep A-streptokokken. SAG's omzeilen de normale antigeenpresentatie door te binden aan klasse II belangrijke histocompatibiliteitscomplexmoleculen op antigeenpresenterende cellen en aan specifieke variabele regio's op de bètaketen van de T-celantigeenreceptor. Door deze interactie activeren SAG's T-cellen in een orde van grootte boven antigeenspecifieke activering, wat resulteert in massale cytokine-afgifte waarvan wordt aangenomen dat deze verantwoordelijk is voor de meest ernstige kenmerken van TSS. Deze review richt zich op klinische en epidemiologische aspecten van TSS, evenals op belangrijke ontwikkelingen in de genetica, biochemie, immunologie en structurele biologie van SAG's. Uit de evolutionaire relaties tussen deze belangrijke toxines, stellen we voor dat er vijf verschillende groepen SAG's zijn.


Toxic Shock Syndrome en bacteriële superantigenen: een update

AbstractToxic shock syndrome (TSS) is een acute ziekte die wordt gekenmerkt door koorts, de vorming van huiduitslag en hypotensie die kan leiden tot meervoudig orgaanfalen en dodelijke shock, evenals desquamatie bij patiënten die herstellen. De ziekte wordt veroorzaakt door bacteriële superantigenen (SAG's) die worden uitgescheiden door Staphylococcus aureus en groep A streptokokken. SAG's omzeilen de normale antigeenpresentatie door te binden aan klasse II belangrijke histocompatibiliteitscomplexmoleculen op antigeenpresenterende cellen en aan specifieke variabele regio's op de β-keten van de T-celantigeenreceptor. Door deze interactie activeren SAG's T-cellen in een orde van grootte boven antigeenspecifieke activering, wat resulteert in massale cytokine-afgifte waarvan wordt aangenomen dat deze verantwoordelijk is voor de meest ernstige kenmerken van TSS. Deze review richt zich op klinische en epidemiologische aspecten van TSS, evenals op belangrijke ontwikkelingen in de genetica, biochemie, immunologie en structurele biologie van SAG's. Uit de evolutionaire relaties tussen deze belangrijke toxines, stellen we voor dat er vijf verschillende groepen SAG's zijn.


Figuur Locaties

figuur 3 Lintdiagrammen van de kristalstructuur voor bacteriële superantigenen. Individuele superantigenen zijn vertegenwoordigd uit Groepen I-IV: Groep I, toxisch shocksyndroom toxine-1 (TSST-1) Groep II, staphylococcus enterotoxine (SE) serotype B (SEB) Groep III, SEA Groep IV, streptokokken pyrogeen exotoxine C (SPE C). Het N-terminale domein wordt weergegeven in rood en het C-terminale domein wordt weergegeven in blauw. Een zinkion (roze) wordt getoond voor zowel SEA als SPE C dat zich bevindt in de bindingsplaats van het klasse II-molecuul met hoge affiniteit voor histocompatibiliteit.


Staphylococcus superantigenen en ziekte

Voedselvergiftiging door stafylokokken

De eerste ziekte die verband hield met de stafylokokken-SAg's was SFP, en het bewijs dat een stafylokokkentoxine de ziekte veroorzaakte dateert uit 1930, toen filtreerbare supernatanten van een gele stafylokokken SFP in menselijke vrijwilligers konden induceren (Dack et al., 1930 Jordanië, 1930). De rol van de stafylokokken-SAgs bij door voedsel overgedragen ziekten is onlangs in detail besproken (Argudin et al., 2010 Hennekinne et al., 2011) en zal hier niet worden besproken.

Giftige schock syndroom

De andere menselijke ziekte die duidelijk wordt veroorzaakt door de stafylokokken-SAgs is TSS. Deze ziekte werd in 1927 door Franklin Stevens beschreven als stafylokokken roodvonk (Stevens, 1927), en werd in 1978 door Todd en collega's de naam 'toxisch shocksyndroom' genoemd om een ​​systemische ziekte te beschrijven bij zeven kinderen veroorzaakt door niet-invasieve S. aureus (Todd et al., 1978). De pathogenese van TSS is te wijten aan een door SAg geïnduceerde cytokinestorm als gevolg van de massale activering van T-cellen bij individuen die geen neutraliserende antilichamen tegen het specifieke SAg hebben [besproken in (McCormick et al., 2001)]. De ziekte is een capillair leksyndroom waarbij patiënten koorts, huiduitslag, hypotensie, multi-orgaanbetrokkenheid en herstellende desquamatie ontwikkelen (McCormick et al., 2001). S. aureus kan de menstruele vorm van TSS veroorzaken, die in het verleden voorkwam bij jonge vrouwen in combinatie met tampons met een hoog absorptievermogen, en niet-menstruele TSS, die kan optreden bij vrijwel elke S. aureus infectie, hoewel zelden door bacteriëmie (McCormick et al., 2001). Hoewel de meeste stafylokokken-SAg's functioneel in staat zijn om TSS bij proefdieren te induceren, zijn historisch slechts enkele geselecteerde SA-ags in verband gebracht met de ziekte. Dit is enigszins verrassend gezien de grote collectie van deze extreem krachtige gifstoffen. De TSST-1 SAg werd in 1981 gekoppeld aan de menstruele vorm van TSS (Bergdoll et al., 1981 Schlievert et al., 1981), hoewel het ook duidelijk is dat andere SAgs, voornamelijk TSST-1, SEB en SEC, in staat zijn van het veroorzaken van de niet-menstruele vorm (Bohach et al., 1990 McCormick et al., 2001).

Tijdens het begin van de jaren tachtig was er een groot aantal gevallen van menstruele TSS bij jonge vrouwen in verband met het gebruik van tampons met een hoog absorptievermogen (Shands et al., 1980) en de geschatte incidentie van alle vormen van TSS was op dat moment 13,7/100.000 ( Osterholm en Forfang, 1982). Halverwege de jaren tachtig, na het verwijderen van deze producten van de marker, en na voorlichtingscampagnes en productetikettering, daalde de totale incidentie tot 0,53/100.000 met een sterftecijfer van % (Gaventa et al. , 1989). Een recente populatiegebaseerde surveillance voor TSS in Minnesota tussen 2000 en 2006 toont aan dat dit percentage relatief stabiel was en dat TSST-1 in de meeste gevallen nog steeds de belangrijkste oorzaak was (DeVries et al., 2011). Merk op dat hoewel de door de gemeenschap verworven MRSA-klonale stam USA300 dramatisch is toegenomen in prevalentie in de VS, deze stam niet veel gevallen van TSS lijkt te veroorzaken (DeVries et al., 2011). Hoewel de totale incidentie van TSS laag lijkt, is er gesuggereerd dat ernstige door SAg gemedieerde ziekte ondergerapporteerd blijft (DeVries et al., 2011), zowel vanwege de strikte CDC-casusdefinitie (Centers for Disease Control and Prevention, 2011) als snelle en passende medische hulp die de meest ernstige vormen van SAg-intoxicatie zou voorkomen. TSS is inderdaad nog steeds een groot probleem, en gevallen van niet-menstruele TSS-patiënten met brandwonden bij kinderen kunnen extreem gevaarlijk zijn als ze niet vroeg worden herkend (White et al., 2005).

Afgezien van de meer openlijke vormen van door SAg gemedieerde ziekten, is er significant bewijs dat SAgs ook een rol kunnen spelen bij een aantal andere ziekten en deze zullen hieronder worden besproken.

Kawasaki ziekte

De ziekte van Kawasaki (KD) werd voor het eerst beschreven door Tomisaku Kawasaki in 1967 (Van Crombruggen et al., 2011) en is nu de belangrijkste oorzaak van verworven hartaandoeningen bij kinderen uit ontwikkelde landen. KD is een acute, zelfbeperkende vasculitis, die meestal de kransslagaders aantast en waarvan wordt gedacht dat deze wordt veroorzaakt door een infectieus agens bij genetisch gevoelige personen (Yeung, 2010). Hoewel de etiologie van KD niet bekend is, is er overtuigend bewijs dat bacteriële SAgs erbij betrokken zijn en causaal kunnen zijn in verband met genetische factoren van de gastheer (Matsubara en Fukaya, 2007). Ten eerste heeft de klinische presentatie van KD kenmerken die doen denken aan TSS, waaronder koorts, een afschilferende uitslag en erytheem van de slijmvliezen. SAg produceren S. aureus en S. pyogenes zijn geïsoleerd uit KD-patiënten en seroconversie met anti-SAg-antilichamen is ook aangetoond. Misschien wel het sterkste bewijs van SAg-betrokkenheid is echter de demonstratie van Vβ scheeftrekken bij KD-patiënten (Abe et al., 1992). Een aantal studies hebben gevonden dat voornamelijk V㬢-expansie (Leung et al., 1995b) een link geeft naar TSST-1 of SpeC die beide V㬢-specifiek zijn (Rahman et al., 2011). Anderen hebben echter uitbreiding van verschillende Vβ-families gevonden (Nomura et al., 1998 Yoshioka et al., 1999), wat mogelijk andere SAgs met verschillende Vβ-profielen impliceert. Behandeling van KD omvat het gebruik van intraveneus immunoglobuline (IVIG) (Newburger et al., 1986), en het is algemeen bekend dat IVIG SAg-neutraliserende antilichamen bevat (Darenberg et al., 2004 Schrage et al., 2006). Hoewel er geen direct bewijs is dat de betrokkenheid van SAg suggereert, bestaat er ook het Kawasaki-achtige syndroom, dat in tegenstelling tot KD voornamelijk voorkomt bij volwassenen met ernstige immunosuppressie, waaronder HIV/AIDS (Stankovic et al., 2007).

Chronische rhinosinusitis

Chronische rhinosinusitis (CRS) is een groep aandoeningen die wordt gekenmerkt door een ontsteking van de neus en neusbijholten gedurende ten minste 3 maanden (Van Crombruggen et al., 2011). CRS kan voorkomen met of zonder neuspoliepen, en het verzamelde bewijs is nu overtuigend dat S. aureus SAgs kunnen, althans in sommige gevallen, bijdragen aan CRS met neuspoliepen (Van Zele et al., 2004). Bij deze ziekte wordt gedacht dat SAgs de cytokinerespons scheeftrekken naar een TH2-fenotype dat zowel eosinofilie als de productie van polyklonaal IgE induceert, wat op zijn beurt verder kan worden gekoppeld aan astma (Bachert et al., 2010). Er is geen enkele SAg specifiek geassocieerd met deze ziekte (Van Zele et al., 2008 Heymans et al., 2010), en zoals opgemerkt (Van Crombruggen et al., 2011), een causaal verband met S. aureus niet is vastgesteld.

Atopische dermatitis

Atopische dermatitis (AD) vertegenwoordigt een chronische en terugkerende T-cel-gemedieerde inflammatoire huidaandoening met IgE-gemedieerde sensibilisatie voor allergenen. AD treft meestal zuigelingen en jonge kinderen, maar kan aanhouden tot in de volwassenheid, of kan zich eerst bij volwassenen ontwikkelen als late-onset AD. AD heeft zowel genetische als omgevingsbijdragen, maar bijna alle AD-patiënten worden gekoloniseerd door S. aureus. Dit is waarschijnlijk te wijten aan zowel de beschadigde huidbarrière als de verminderde immuunrespons van de gastheer. Significant bewijs wijst ook op een belangrijke rol voor de stafylokokken-SAgs bij het verergeren van de ziekte [besproken in (Schlievert et al., 2010)]. Het is al lang bekend dat SAgs de skin homing receptor cutaan lymfocyt-geassocieerd antigeen (CLA) op T-cellen induceren om deze cellen naar de huid te rekruteren (Leung et al., 1995a). Zeer recent bewijs geeft aan dat skin homing, fenotypisch Treg (CD4+ FoxP3+) cellen van AD-patiënten daadwerkelijk een TH2-fenotype als reactie op SEB-stimulatie (Lin et al., 2011). AD-patiënten kunnen ook anti-SAg IgE-antilichamen ontwikkelen die de aandoening verder kunnen verergeren (Leung et al., 1993 Bunikowski et al., 1999 Lin et al., 2000). AD wordt vaak behandeld met glucocorticoïden en het is aangetoond dat SAgs resistentie tegen glucocorticoïden induceren in PBMC's (Hauk et al., 2000). A recent study that examined essentially the entire staphylococcal SAg family found that isolates from steroid resistant AD patients contained significantly more SAgs genes than isolates from non-steroid resistant patients or menstrual isolates provoking the idea that steroid treatment may actually select for SAgs in these strains (Schlievert et al., 2008).

Guttate psoriasis

Guttate psoriasis is an acute form of psoriasis mediated by autoreactive T cells that typically develops in young adults and children. This inflammatory skin disease is typically preceded by streptococcal pharyngitis, and the streptococcal SAgs, in particular SpeC, and V㬢 + T cells have been implicated (Leung et al., 1995c). Some associations have also been made with S. aureus and chronic plaque psoriasis (Sayama et al., 1998 Balci et al., 2009).


Bacterial superantigens turn our immune cells to the dark side

A subpopulation of immune cells that normally fend off pathogens can turn against the host during certain infections, a new study publishing on June 20 in the open access journal PLOS Biology onthult.

The researchers led by Dr. Mansour Haeryfar at Western University's Schulich School of Medicine & Dentistry, Canada, in collaboration with researchers from France, Australia and the United States, found for the first time that these immune cells, called mucosa-associated invariant T (MAIT) cells, can mount a rapid and robust inflammatory response that may contribute to severe organ damage or even death due to infections that lead to toxic shock syndrome.

Toxic shock syndrome is a life-threatening inflammatory response brought on by exposure to bacterial superantigens, which are toxins harbored and secreted by certain common bacteria, namely Stafylokokken ("staph") and Streptokokken ("strep") bacteria. Counterintuitively, it is not the bacteria or its toxins that make toxic shock fatal, but rather the overzealous inflammatory response triggered and perpetuated by the immune system.

Researchers used both animal models and human cells to demonstrate the hyper-responsiveness of MAIT cells to systemic exposure to bacterial superantigens. The team also demonstrated that as MAIT cells responded to superantigens, they also began to develop signs of exhaustion and failure to participate in antimicrobial host defense. This exhaustion may lead to immunosuppression, which can also have fatal consequences due to increased susceptibility to secondary, opportunistic infections.

"In this context, MAIT cells are actually disease-causing as opposed to protective," said Haeryfar. "We have shown that MAIT cells are the most powerful source of an inflammatory mediator called interferon-?, thus likely contributing to morbidity associated with toxic shock syndrome and similar superantigen-mediated illnesses."

"Based on our findings, we propose that timely and efficient therapies that target MAIT cells will likely benefit the patients by preventing uncontrolled inflammation and also by relieving immunosuppression," said Haeryfar.


Bacterial superantigens turn our immune cells to the dark side

AFBEELDING: Staphylococcus aureus bacteria (colored green) interacting with a human immune cell. This study shows that in conditions like toxic shock syndrome, toxins from such bacteria can trigger one type of. Bekijk meer

A subpopulation of immune cells that normally fend off pathogens can turn against the host during certain infections, a new study publishing on June 20 in the open access journal PLOS Biology onthult.

The researchers led by Dr. Mansour Haeryfar at Western University's Schulich School of Medicine & Dentistry, Canada, in collaboration with researchers from France, Australia and the United States, found for the first time that these immune cells, called mucosa-associated invariant T (MAIT) cells, can mount a rapid and robust inflammatory response that may contribute to severe organ damage or even death due to infections that lead to toxic shock syndrome.

Toxic shock syndrome is a life-threatening inflammatory response brought on by exposure to bacterial superantigens, which are toxins harbored and secreted by certain common bacteria, namely Stafylokokken ("staph") and Streptokokken ("strep") bacteria. Counterintuitively, it is not the bacteria or its toxins that make toxic shock fatal, but rather the overzealous inflammatory response triggered and perpetuated by the immune system.

Researchers used both animal models and human cells to demonstrate the hyper-responsiveness of MAIT cells to systemic exposure to bacterial superantigens. The team also demonstrated that as MAIT cells responded to superantigens, they also began to develop signs of exhaustion and failure to participate in antimicrobial host defense. This exhaustion may lead to immunosuppression, which can also have fatal consequences due to increased susceptibility to secondary, opportunistic infections.

"In this context, MAIT cells are actually disease-causing as opposed to protective," said Haeryfar. "We have shown that MAIT cells are the most powerful source of an inflammatory mediator called interferon-γ, thus likely contributing to morbidity associated with toxic shock syndrome and similar superantigen-mediated illnesses."

"Based on our findings, we propose that timely and efficient therapies that target MAIT cells will likely benefit the patients by preventing uncontrolled inflammation and also by relieving immunosuppression," said Haeryfar.

In your coverage please use this URL to provide access to the freely available article in PLOS Biology: https:/ / doi. org/ 10. 1371/ journal. pbio. 2001930

Citation: Shaler CR, Choi J, Rudak PT, Memarnejadian A, Szabo PA, Tun-Abraham ME, et al. (2017) MAIT cells launch a rapid, robust, and distinct hyperinflammatory response to bacterial superantigens and quickly acquire an anergic phenotype that impedes their cognate antimicrobial function: Defining a novel mechanism of superantigen-induced immunopathology and immunosuppression. PLoS Biol 15(6): e2001930. https:/ / doi. org/ 10. 1371/ journal. pbio. 2001930

Funding: Canadian Institutes of Health Research (CIHR)( http://www. cihr-irsc. gc. ca/ e/ 193. html) (grant number MOP-130465). This work was supported by an operating grant to S.M. Mansour Haeryfar. The funder had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript.

Competing Interests: The authors have declared that no competing interests exist.

Vrijwaring: AAAS en EurekAlert! zijn niet verantwoordelijk voor de juistheid van persberichten die op EurekAlert! door bijdragende instellingen of voor het gebruik van informatie via het EurekAlert-systeem.


Comparative Secretome Analyses of Human and Zoonotic Staphylococcus aureus Isolates CC8, CC22, and CC398

The spread of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) in the community, hospitals and in livestock is mediated by highly diverse virulence factors that include secreted toxins, superantigens, enzymes and surface-associated adhesins allowing host adaptation and colonization. Here, we combined proteogenomics, secretome and phenotype analyses to compare the secreted virulence factors in selected S. aureus isolates of the dominant human- and livestock-associated genetic lineages CC8, CC22, and CC398. The proteogenomic comparison revealed 2181 core genes and 1306 accessory genes in 18 S. aureus isolates reflecting the high genome diversity. Using secretome analysis, we identified 869 secreted proteins with 538 commons in eight isolates of CC8, CC22, and CC398. These include 64 predicted extracellular and 37 cell surface proteins that account for 82.4% of total secretome abundance. Among the top 10 most abundantly secreted virulence factors are the major autolysins (Atl, IsaA, Sle1, SAUPAN006375000), lipases and lipoteichoic acid hydrolases (Lip, Geh, LtaS), cytolytic toxins (Hla, Hlb, PSMβ1) and proteases (SspB). The CC398 isolates showed lower secretion of cell wall proteins, but higher secretion of α- and β-hemolysins (Hla, Hlb) which correlated with an increased Agr activity and strong hemolysis. CC398 strains were further characterized by lower biofilm formation and staphyloxanthin levels because of decreased SigB activity. Overall, comparative secretome analyses revealed CC8- or CC22-specific enterotoxin and Spl protease secretion as well as Agr- and SigB-controlled differences in exotoxin and surface protein secretion between human-specific and zoonotic lineages of S. aureus.

trefwoorden: MRSA Microbiology Pathogens Proteogenomics Secretome Staphylococcus aureus Virulence clonal complexes virulence factor secretion.