فعالیت چندوجهی لیستریولایزین O در لیستریا مونوسیتوژنز

چکیده

سیتولایزین های وابسته به کلسترول (CDCs)، یک خانواده بزرگ از توکسین های ایجاد کننده منفذ می باشند که توسط تعداد زیادی از پاتوژن های باکتریایی گرم مثبت تولید می شوند. این توکسین ها در فضای خارج سلولی آزاد می شوند و به صورت مونومرها یا دایمرهای محلول در آب هستند که به غشاهای غنی از کلسترول باند می شوند و درون کمپلکس های بزرگ منافذ، روی هم سوار می شوند (یا گرد هم می آیند). بسته به غلظتشان، ماهیت سلول و غشا میزبان هدف آنها (سیتوپلاسمی یا درون سلولی)، CDC ها می توانند پاسخ های سلولی بسیار متنوعی را ایجاد کنند. در بین CDC ها، لیستریولایزین O (LLO)، که یک فاکتور سرایت مهم در پاتوژن درون سلولی لیستریا مونوسیتوژنز می باشد، در چندین مرحله از چرخه زندگی درون سلولی باکتری درگیر می باشد و خصوصیات منحصر به فردی را نشان می دهد. مشخص شده است که به دنبال ورود لیستریا مونوسیتوژنز به سلول های میزبان، LLO، واکوئل های دورنی را منقطع می کند، و باکتری را قادر می سازد که به درون سیتوزول سلول میزبان برگردانده شود. LLO سپس توسط باکتری های سیتوزولی استفاده می شود و به این ترتیب از سلولی به سلول دیگر منتشر می شود، و از در معرض قرار گیری باکتری با محیط خارج سلولی اجتناب می کند. اگرچه، LLO دائما در طی سیکل زندگی درون سلولی لیستریا مونوسیتوژنز تولید می شود اما چندین فرایند، سمیت آن را محدود می کنند تا بقا سلول های آلوده را تضمین کنند. قبلا تصور می شد که فعالیت LLO محدود به میانجی گری فرار واکوئلی در طی ورود باکتری و انتشار سلول به سلول آن می باشد. این ایده، توسط ارائه مدارکی که نشان می دادند که LLO یی که توسط لیستریا مونوسیتوژنز خارج سلولی ترشح می شود، غشای پلاسمایی سلول میزبان را سوراخ می کند، و پاسخ های مهمی را در سلول میزبان به راه می اندازد، با چالش مواجه شد. در این فصل، یک دیدکلی در رابطه با فعالیت درون سلولی LLO و نقش های چندگانه ای که به LLO ترشح شده توسط لیستریا مونوسیتوژنز خارج سلولی نسبت داده می شود، ارائه شده است. 

لیستریا مونوسیتوژنز یک باکتری گرم مثبت بی هوازی می باشد که عامل مسبب لیستریوزیس، که یک بیماری مهلک است می باشد، این بیماری با نرخ خیلی بالایی از مرگ و میر در انسان ها (20-30%) و بسیازی دیگر از گونه های مهره داران همراه است. این باکتری در سال 1926، توسط E.G.D Murray از خرگوش های بیمار جدا شد و در اوایل 1980 به عنوان عامل یک بیماری شدید انسانی ناشی از غذا شناسایی شد. لیستریا مونوسیتوژنز در همه محیط ها حضور دارد، به طوری که آن در خاک، آب، و گیاهان دیده می شود و اغلب یک طیف وسیعی از غذاهای خام و فراوری شده را آلوده می کند. تطبیق پذیری این ارگانیسم، به دلیل توانایی رشد آن در یک طیف وسیعی از دماها (1-45 درجه سانتی گراد) و PH (4.4 – 9.6)، در غلظت های بالای نمک (تا بالاتر از 10% سدیم کلرید) و پایداری آن در محیط خشن شکم حیوانات می باشد.

نتیجه گیری

LLO به عنوان یک توکسین چند جنبه ای پدیدار شده است که چرخه زندگی درون سلولی لیستریا مونوسیتوژنز را در انواع مختلف سلول ها تنظیم می کند و پاسخ های سیستم ایمنی ذاتی و اکتسابی را تحت تاثیر قرار می دهد. مطالعات خیلی بیشتری برای ترسیم (تعیین) بهتر مکانیسم های فعالیت این توکسین مورد نیاز می باشد. به ویژه، اینکه چطور LLO، تخریب واکوئل های اندوسیتوزی لیستریا مونوسیتوژنز را تسهیل می کند، هنوز نا مشخص می باشد. LLO ترشح شده توسط باکتری های خارج سلولی نیز بیولوژی چندین نوع از سلول ها، از جمله سلول های اپی تلیالی و لنفوسیت های T را هدف می گیرند و تحت تاثیر قرار می دهند. LLO خارج سلولی ممکن است چندین مرحله از چرخه زندکی درون سلولی لیستریا مونوسیتوژنز، از جمله ورود باکتری، فرار واکوئلی، و همانندسازی موثر درون سلولی را کنترل کند. LLO خارج سلولی همچنین ممکن است تعداد زیادی از انواع سلولی که توسط باکتری آلوده نشده اند را نیز تحت تاثیر قرار دهد. برای مثال، LLO می تواند تولید پیام رسان های التهابی و مسیر مرگ سلولی را مستقل از تهاجم به سلول میزبان، تحت تنظیم خود قرار دهد. یک چالش مهم در این زمینه، تمایز قایل شدن بین فعالیت های خارج سلولی از فعالیت های داخل سلولی LLO در محیط in vivo و تعیین اینکه آیا پاسخ های سلول میزبان به LLO که در مدل های کشت سلولی مشاهده می شود یک نقش قابل توجه را در طی بیماری زایی بازی می کند یا نه، می باشد. یک جنبه جذاب از LLO، نقش دوگانه آن در طی آلودگی می باشد: اگرچه LLO برای بیماری زایی ضرروی نمی باشد، اما آن یک مولکول ایمونوژنیک است که در نهایت موجب کشته شدن لیستریا مونوسیتوژنز توسط میزبان ایمونوکامپتنت می شود. به دلیل مجموعه منحصر به فرد خصوصیات آن، LLO به عنوان یک ابزار امیدوار کننده برای توسعه یاور های (اجونت) واکسن ظهور پیدا کرده است. به هرحال، پایه مولکولی فعالیت تنظیم کننده ایمنی LLO، به مقدار کمی درک شده است. به دست آوردن دانش درباره فعل و انفعال بین LLO و سلول های میزبان، یک پایه پژوهشی سودمند را درباره بر هم کنش های پاتوژن – میزبان، توکسین های ایجاد کننده منفذ، مصونیت و همچنین طراحی واکسن ها ایجاد خواهد کرد.

Abstract

The cholesterol-dependent cytolysins (CDCs) are a large family of pore-forming toxins that are produced by numerous Gram-positive bacterial pathogens. These toxins are released in the extracellular environment as water-soluble monomers or dimers that bind to cholesterol-rich membranes and assemble into large pore complexes. Depending upon their concentration, the nature of the host cell and membrane (cytoplasmic or intracellular) they target, the CDCs can elicit many different cellular responses. Among the CDCs, listeriolysin O (LLO), which is a major virulence factor of the facultative intracellular pathogen Listeria monocytogenes, is involved in several stages of the intracellular lifecycle of the bacterium and displays unique characteristics. It has long been known that following L. monocytogenes internalization into host cells, LLO disrupts the internalization vacuole, enabling the bacterium to replicate into the host cell cytosol. LLO is then used by cytosolic bacteria to spread from cell to cell, avoiding bacterial exposure to the extracellular environment. Although LLO is continuously produced during the intracellular lifecycle of L. monocytogenes, several processes limit its toxicity to ensure the survival of infected cells. It was previously thought that LLO activity was limited to mediating vacuolar escape during bacterial entry and cell to cell spreading. This concept has been challenged by compelling evidence suggesting that LLO secreted by extracellular L. monocytogenes perforates the host cell plasma membrane, triggering important host cell responses. This chapter provides an overview of the well-established intracellular activity of LLO and the multiple roles attributed to LLO secreted by extracellular L. monocytogenes.

Listeriolysin O is a Major Virulence Factor of L. monocytogenes Listeriosis

The Gram-positive, facultative anaerobe Listeria monocytogenes is the causative agent of listeriosis, a life-threatening disease associated with a very high rate of mortality in humans (20–30 %) and numerous other vertebrate species [1, 2]. This bacterium was isolated from diseased rabbits in 1926 by E. G. D. Murray and was recognized as the cause of a severe human foodborne illness in the early 1980s [3–5]. L. monocytogenes is ubiquitous in the environment, where it is found in soils, water, and plants, and frequently contaminates a large variety of raw and processed foods. The versatility of this organism comes from its ability to grow at a wide range of temperatures (1–45 °C) and pH (4.4–9.6), at high concentrations of salts (up to 10 % NaCl), and to resist the harsh environment of the animal gut [6–9].

Concluding Remarks

LLO has emerged as a multifunctional toxin that regulates the intracellular life-cycle of L. monocytogenes in diverse cell types and affects the innate and adaptive immune responses. Many more studies are necessary to better delineate the mechanisms of action of this toxin. In particular, how LLO facilitates the disruption of the endocytic vacuoles containing L. monocytogenes is still unclear. LLO secreted by extracellular bacteria also targets and affects the biology of multiple cell types, from epithelial cells to T lymphocytes. Extracellular LLO may control several stages of the L. monocytogenes intracellular lifecycle including bacterial internalization, vacuolar escape, and efficient intracellular replication. Extracellular LLO may also affect many cell types that the bacterium does not infect. For example, LLO can modulate the production of inflammatory messengers and cell death pathways independently of host cell invasion. A major challenge in the field is now to distinguish the extracellular from intracellular activities of LLO in vivo, and to determine which, if not all, of the host cell responses to LLO observed in cell culture models play a substantial role during pathogenesis. A fascinating aspect of LLO is its dual role during infection: whereas LLO is indispensable for pathogenesis, it is a major immunogenic molecule that ultimately elicits Listeria monocytogenes killing by the immunocompetent host. Due to its unique set of properties, LLO has emerged as a promising tool for the development of vaccine adjuvants. However, the molecular basis of the LLO immunomodulatory activity is poorly understood. Gaining knowledge on the interplay between LLO and host cells will importantly benefit basic research on pathogen-host interaction, pore-forming toxins, immunity, as well as the design of vaccines.

چکیده

لیستریولایزین O یک فاکتور سرایت مهم در لیستریوزیس لیستریا مونوسیتوژنز می باشد.

لیستریولایزین O یک نقش مهم را در چرخه زندگی درون سلولی لیستریا مونوسیتوژنز بازی می کند

تنظیم بیان و فعالیت لیستریولایزین O

بیان لیستریولایزین O

مکانیسم های انباشته شدن (سرهم بندی) کمپلکس منفذی CDC

تنظیم فعالیت LLO توسط PH، اکسیداسیون و کلسترول

لیستریولایزین O، یک توکسین شکل دهنده منفذ درون سلولی می باشد، که سمیت سلولی کاهش یافته ای دارد.

LLO، فرار (رها شدن) لیستریا مونوسیتوژنز از واکوئل های اندوسیتوزی را تسهیل می کند

فرار از واکوئل اولیه

بازده فرار، وابسته به نوع سلول می باشد و با توجه به وضعیت فعالیت سلول متفاوت است.

فرار از واکوئل ثانویه

مکانیسم های کاهش سمیت لیستریولایزین O

تجزیه وابسته به PH لیستریولایزین O

بیان لیستریولایزین O و تجزیه در سیتوزول

آیا لیستریولایزین O سیتوزولی موجب آسیب به غشا پلاسمایی یا ارگانل ها می شود؟

لیستریولایزین O یک توکسین شکل دهنده منفذ خارج سلولی می باشد.

لیستریولایزین O آزاد شده توسط لیستریا مونوسیتوژنز خارج سلولی، چندین مسیر سیگنالینگ را فعال می کند

لیستریولایزین O غشای پلاسمایی سلول میزبان را سوراخ می کند

سلول های میزبان، غشا پلاسمایی خودشان را ترمیم می کنند.

لیستریولایزین O خارج سلولی یک مولکول سیگنالینگ نیرومند می باشد

تطبیق پذیری سیگنالینگ یون های کلسیم و پتاسیم

فعال سازی MAPKs

ساموئیلاسیون

نقش های لیستریولایزین O خارج سلولی در ورود و فرار واکوئلی لیستریا مونوسیتوژنز

لیستریولایزین O خارج سلولی برای فعال کردن ورود (درونی سازی) لیستریا مونوسیتوژنز کافی می باشد

لیستریولایزین O خارج سلولی، بازده فرار واکوئلی را کنترل می کند

اثرات لیستریولایزین O خارج سلولی روی هومئوستازی و رونویسی ارگانل

اختلال شبکه اندوپلاسمی

قطعه قطعه شدن گذرای (ناپایدار) شبکه میتوکندریایی

نقش های لیستریولایزین O خارج سلولی در التهاب و مسیرهای مرگ سلولی

برنامه ریزی مجدد رونویسی توسط تغییرات هیستونی

فعال سازی ایمنی ذاتی و اکتسابی

فعال سازی مسیر مرگ سلولی توسط لیستریولایزین O خارج سلولی

نتیجه گیری

Abstract

Listeriolysin O is a Major Virulence Factor of L. monocytogenes Listeriosis

Listeriolysin O Plays a Critical Role in the L. monocytogenes Intracellular Lifecycle

Regulation of Listeriolysin O Expression and Activity

Listeriolysin O Expression

Mechanism of Assembly of the CDC Pore Complex

Regulation of LLO Activity by pH, Oxidation, and Cholesterol

Listeriolysin O is an Intracellular Pore-Forming Toxin with Reduced Cytotoxicity

LLO Facilitates L. monocytogenes Escape from the Endocytic Vacuoles

Escape from the Primary Vacuole

The Efficiency of Escape is Cell-Type Dependent and Varies with the Cell Activation State

Escape from the Secondary Vacuole

Mechanisms Reducing the Cytotoxicity of Listeriolysin O

pH-Dependent Denaturation of Listeriolysin O

Listeriolysin O Expression and Degradation in the Cytosol

Does Cytosolic Listeriolysin O Cause Organelle and/or Plasma Membrane Lesions?

Listeriolysin O is an Extracellular Pore-Forming Toxin

Listeriolysin O Released by Extracellular L. monocytogenes Activates Multiple Signaling Pathways

Listeriolysin O Perforates the Host Cell Plasma Membrane

Host Cells Repair their Plasma Membrane

Extracellular Listeriolysin O is a Potent Signaling Molecule

Roles of Extracellular Listeriolysin O in L. monocytogenes Internalization and Vacuolar Escape

Extracellular Listeriolysin O is Sufficient to Activate L. monocytogenes Internalization

Extracellular Listeriolysin O Controls the Efficiency of Vacuolar Escape

Effects of Extracellular Listeriolysin O on Organelle Homeostasis and Transcription

Perturbation of the Endoplasmic Reticulum

Transient Fragmentation of the Mitochondrial Network

Roles of Extracellular Listeriolysin O in Inflammatory and Cell Death Pathways

Transcriptional Reprogramming via Histone Modifications

Activation of Innate and Adaptive Immunity

Activation of Cell Death Pathways by Extracellular Listeriolysin O—L

Concluding Remarks