Miv Principali Batteri Patogeni

Microbiologia PRINCIPALI BATTERI PATOGENI Antonio Nenna

PRINCIPALI BATTERI PATOGENI

shigella

listeria

legionella pneumophila

escherichia coli

streptococcus

o pyogenes

o mutans

o pneumoniae

treponema pallidum

corynebacterium diphtheriae

pseudomonas aeruginosa

clostridium

o perfringens

o difficile

o tetani

o botulinum

bacillus anthracis

vibrio cholerae

salmonella


SHIGELLA La Shigella attraversa la barriera epiteliale tramite transcitosi (dovuta alla polimerizzazione dell’actina) attraverso le cellule M, e incontra i macrofagi residenti nella sottomucosa. Il batterio evita la degradazione nei magrofagi inducendo apoptosi tramite segnali proinfiammatori. I batteri liberi invadono quindi le cellule basolaterali. I segnali proinfiammatori attivano il sistema immunitario tramite le cellule NK e linfociti, che inducono distruzione tissutale facilitando l’introduzione di altri batteri. I linfociti, comunque, contribuiscono a terminare l’infezione fagocitando i batteri. Shigella deriva da un E. Coli non patogeno, tramite l’acquisizione di plasmidi di virulenza e isole di patogeneticità, oltre a perdita di loci genetici che impedivano la virulenza. Fattori di virulenza di Shigella: - SHI-1: serin-proteasi per IgA, enterotossina (=> accumulo interstiziale di fluido, diarrea acquosa) - SHI-2: sideroforo (=> acquisizione di ferro, immunità alla colicina, soppressione del segnale dei linfociti T) - SHI-3: aerobactina (=> acquisizione di ferro) - SHI-O: modifiche dell’antigene O (=> evasione della risposta immune) - SRL: sistema di trasporto del ferro, acetiltransferasi, βlattamasi (=> resistenza alla tetraciclina, ampicillina, streptomicina) Il plasmide di virulenza di Shigella di 200kb codifica per 100 geni e altrettante sequenze di inserzione. Il nucleo del plasmide è una regione conservata di 31kb, che è necessaria e sufficiente per l’invasione nei macrofagi. I geni si possono dividere in quattro gruppi: 1) Proteine secrete tramite sistema di secrezione di tipo III (T3SS) che manipolano la cellula ospite in favore del batterio: servono all’invasione e alla sopravvivenza nell’ospite e controllano la secrezione delle sostanze proinfiammatorie (modulando la risposta immunitaria in favore del batterio). Queste proteine (Ipa) sono anche antigeni immunodominanti, poichè il dominio N-terminale ricco di leucine (LRR) che funzionano da PMAP e scatenano la risposta immunitaria. 2) Proteine che servono alla secrezione delle proteine effettrici, cioè generano l’espressione sulla membrana di Ipa, e vengono chiamate Mxi-Spa. Il locus Mxi-Spa codifica per le componenti del T3SS, per la traslocazione delle proteine effettrici dal citoplasma batterico alla cellula ospite. 3) regola l’attivita del secondo tramite fattori di trascrizione VirB e MxiE. 4) chaperonine Ipg, che stabilizzano i substrati del T3SS nel citoplasma batterico.


Tutte i fattori di virulenza codificati dai plasmidi sono strettamente controllati dai segnali ambientali. I fattori che scatenano maggiormente l’espressione dei fattori di virulenza sono la temperatura di 37° (quindi l’uptake nell’ospite), il pH, l’osmolarita e la concentrazione di ferro.

Il fattore attivante per la trascrizione del plasmide è VirF, il quale stimola: - VirB, che induce la trascrizione dei geni della famiglia Osp per la prima parte delle proteine di T3SS - MxiE, per la seconda parte delle proteine di T3SS (per rimossa inibizione di un fattore del 1° set). Il T3SS Mxi-Spa di Shigella permette il passaggio diretto di sostanze dal batterio al citoplasma della cellula bersaglio, attraversando peptidoglicano, membrana esterna e membrana cellulare dell’ospite.


Meccanismo di movimento intracellulare.

Meccanismo di induzione dell’apoptosi nei macrofagi.


LISTERIA MONOCYTOGENES Listeria monocytogenes è una batterio gram-positivo saprofita ma è capace di trasformarsi in agente patogeno dopo l’ingestione in ospiti suscettibili. Questo batterio media il suo passaggio da saprofita a parassita attraverso la modulazione dell’attività di alcune proteine associate alla virulenza (PrfA). E’ ubiquitario nell’ambiente, e vive nella vegetazione in decomposizione. Negli immunocompetenti, la malattia causata è una gastroenterite autolimitante, ma negli immunocompromessi e nelle donne gravide è capace di fare infezioni sistemiche (meningite, encefalite, infezioni fetali). L. monocytogenes non è sporigeno, ma persiste per molto tempo all’interno del cibo. E’ la disponibilità di nutrienti che scatena i segnali per vivere da saprofita o da patogeno. Quando hanno molta disponibilità, non usano la glicolisi, ma la via dei pentosi fosfato per il metabolismo degli zuccheri. Al contrario, quando il batterio è fuori dalla cellula, l’espressione di PrfA è diminuita. La via di ingresso all’organismo è dovuta al consumo di cibo contaminato; il batterio poi sfugge alle difese dell’ospite e continua a moltiplicarsi; il passaggio al circolo sanguigno è associato a complicanze sistemiche.

Geni regolati da PrfA

La capacità di L. monocytogenes di avere accesso al citosol e infettare le cellule stimolando una forte risposta T-dipendente ha portato ad utilizzare questo batterio come vettore per diversi vaccini; PfrA viene attivato in maniera costitutiva tramite differenti mutazioni e poi il batterio è inoculato.


LEGIONELLA PNEUMOPHILA Legionella pneumophila è un batterio gram-negativo, intracellulare facoltativo. Dopo l’ingresso tramite aerosol, è fagocitato dai magrofagi alveolari ma impedisce la fusione del fagosoma con il lisosoma. I geni che permettono di vivere all’interno del macrofago sono Icm (intracellular multiplication) e Dot (defective organelle trafficking). Le rispettive proteine fanno parte di T4SS e sono richieste per la virulenza, poichè permettono al batterio di trovare il reticolo endoplasmatico rugoso, utilizzato come sede della replicazione nel macrofago. Dopo l’uptake del batterio in un vacuolo, si ha la crescita intracellulare, con replicazione all’interno del vacuolo o nel citoplasma della cellula ospite dopo la distruzione del vacuolo. Ci sono tre problemi: - i lisosomi sono un ambiente inospitale per i batteri - il microrganismo deve acquisire sussistenza all’interno del vacuolo - il microrganismo deve combattere contro la restrizione dello spazio quando si divide nel vacuolo L. pneumophila risolve questi problemi poichè dirotta il traffico di proteine cellulari a formare un vacuolo contenente patogeni, che è camuffato e possiede una riserva di membrane, da utilizzare per il batterio. Quindi L. pneumophila modula il traffico dei vacuoli e stabilisce una nicchia replicativa. Questa evasione viene realizzata mediante l’interferenza con Arf1, una GTPasi che controlla l’assemblaggio di COP1, utilizzata per indirizzare le vescicole nel citoplasma.

apparato di trascolazione Dot/Icm


ESCHERICHIA COLI E. coli tipicamente colonizza il tratto gastrointestinale dei neonati alcune ore dopo la nascita; i batteri commensali convivono con l’ospite per decadi senza problemi, e sono i batteri anaerobi facoltativi più abbondanti nell’intestino. Questo perfetto commensalismo è dovuto alla capacità del batterio di utilizzare gluconato in modo molto efficiente, e quindi occupa una nicchia metabolica molto specifica. Le patologie da E. coli commensali avvengono solo in immunocompromessi o in paienti con rottura delle normali barriere anatomiche (peritonite). Comunque, alcuni cloni hanno acquisito specifici fattori di virulenza che permettono di causare malattia. Questi fattori di virulenza sono codificati da elementi genetici mobili. I sierogruppi hanno in comune solo l’antigeneO del LPS, mentre i sierotipi hanno in comune l’antigeneO del LPS e l’antigeneH dei flagelli. Tutti, tranne EIEC, sono microrganismi extracellulari. Quindi colonizzano la mucosa, evadono le risposte immunitarie, si moltiplicano e causano danni. Gli E. coli patogeni si distinguono in tre categorie:

quelli che causano malattie enteriche (diarrea) o enteropatogeno (EPEC) o enteroemorragico (EHEC) o enterotossigeno (ETEC) o enteroaggregativo (EAEC) o enteroinvasivo (EIEC) o aderenziale (DAEC)

quelli che causano infezioni del tratto urinario (UTI) o uropatogenico (UPEC)

quelli che causano sepsi e meningite o meningopatogenico (MNEC)


EPEC: aderisce agli enterociti dell’intestino tenue e distrugge la struttura di microvilli, inducendo una lesione da attacco. Le modifiche del citoscheletro delle cellule infettate inducono la risposta infiammatoria e la diarrea. EHEC: aderisce agli enterociti del colon; elabora la tossina di Shiga (Stx) e può essere mortale. ETEC: adescisce agli enterociti dell’intestino tenue e induce diarrea acquosa tramite le tossine termostabile (ST) e termolabile (LT) EAEC: adescisce sia nel tenue che nel colon e elabora numerose tossine EIEC: invade le cellule epiteliali, evade la fagocitosi e si muove nella cellula lungo i filamenti di actina. Il batterio può muoversi lateralmente attraverso contatto cellulare o uscire e rientrare nelle cellule tramite la membrana basale. DAEC: effettua una caratteristica trasduzione del segnale che causa la crescita di estroflessioni cellulari digitaliformi, che avvolgono il batterio. In accordo con il fatto che i fattori di virulenza di E. Coli sono codificati da DNA estraneo, vengono anche regolati da fattori plasmidici, come la proteina Ler, che stimola i geni per T3SS di EPEC e EHEC. Il gene stx che codifica per la tossina di Shiga è trascritto da un promotore che controlla anche l’espressione del fago litico lamba; ciò lega l’espressione della tossina con la funzione litica che permette il rilascio della tossina. Questo collegamento permette l’induzione della trascrizione sia della tossina sia dei fattori litici.


FATTORI DI ADESIONE Gli E. coli patogeni possiedono specifici fattori di adesione che permettono di colonizzare siti normalmente disabitati, come l’intestino e l’uretra. Spesso queste adesine sono pili (fimbrie) o fibrille. Anche proteine della membrana esterna, come l’intimina, possono fungere da adesine. Queste strutture di superficie scatenano vie di trasduzione del segnale per il riarrangiamento del citoscheletro. I membri della famiglia Dr delle adesine (espresse da DAEC e UPEC) si legano al fattore di acceleraione del decadimento (DAF), che causa l’attivazione della PI3K e l’espressione sulla superficie cellulare di MHC1. La proteina IcsA di EIEC causa la polimerizzazione dei filamenti di actina e permette al batterio di muoversi nel citoplasma. Il LPS di E. coli (come quello di altri gram-negativi) si lega a TLR4, scatenando l’attivazione della cascata citochinica che può portare a shock settico e morte. La flagellina, il principale componente dei flagelli, si lega a TLR5, che attiva IL8 e la risposta infiammatoria. TOSSINE tossina termolabile (LT) => + cAMP tossina termostabile A (STa) => + cGMP tossina termostabile B (STb) => + Ca++ tossina di Shiga (Stx) => distruzione di rRNA tossina citoscheletrica (CDT) => attività Dnasica => blocco della divisione cellulare tossina inibente (Cif) => inibizione di Cdk1 => blocco della divisione cellulare tossina necrotizzante (CNF) => deaminazione di Rho, Rac e Cdc42 => alterazioni del citoscheletro, necrosi (poichè MAP stimola la formazione di estroflessioni e distrugge il potenziale di membrana dei mitocondri) Le diverse tossine sono trasportate dal citoplasma batterico al citoplasma dell’ospite mediante molti meccanismi. LT è una classica AB-tossina, secreta mediante T2SS. Altre hanno attività di autotrasporto, perchè parte della tossina forma un poro nella membrana esterna che permette all’altra parte di raggiungere lo spazio extracellulare. Altre vengono iniettate mediante T3SS nel citoplasma dell’ospite. L’emolisina di UPEC utilizza T1SS per l’esportazione, tramite TolC. Non sono descritti T4SS per gli E. coli patogeni, tranne quelli coinvolti nel trasferimento dei plasmidi per coniugazione.



ENTEROPATHOGENIC E. COLI (EPEC) EPEC è stato il primo E. coli patogeno ad essere riconosciuto; rimane una causa potenzialmente fatale di diarrea infantile nei paesi emergenti. Il meccanismo di azione è di tipo “attaching-and-effacing”: il batterio si lega all’epitelio intestinale e causa molti cambiamenti del citoscheletro, come l’accumulo di actina al di sotto della zona di aderenza del batterio. La capacità di produrre queste modifiche è codificata da un’isola di patogeneticità, chiamata “locus for enterocyte effacement” (LEE). Il LEE codifica per una proteina della membrana esterna chiamata intimina, che media l’attacco di EPEC agli enterociti e stimola la risposta T-dipendente della mucosa, causando iperplasia delle cripte intestinali. Una delle proteine effettrici (Tir) è inserita mediante T3SS nella membrana dell’ospite, dove funziona da recettore per l’intimina. Questo è quindi un esempio di patogeno che fornisce sia il ligando che il recettore per il legame. Inoltre Tir recluta Arp che causa la polimerizzazione dei filamenti di actina; inoltre è capace di downregolare la formazione di estroflessioni citoplasmatiche. Un’altra proteina secreta effettrice è EspF, che causa apoptori e modifica le tight junctions. Inoltre EPEC contiene il plasmide EAF, che codifica per un pilus per T4SS, chiamato BFP, che media l’aderenza alle cellule ospite. Quindi EPEC inizialmente aderisce agli enterociti tramite un’adesina (BFP, EspA, intimina,...) e attiva T3SS per molte proteine (Tir, Esp, Map) che sono traslocate nella cellula ospite e attivano la protein-chinasi-C (PKC), fosfolipasiC (PLC) e MAPK, che aumentano la perbeabilità per la perdita di giunzioni cellulari. NFkB è attivato per produrre IL8, che causa la migrazione dei leucociti nel lume intestinale e l’attivazione del recettore per l’adenosina. La diarrea risulta da molti meccanismi, come la secrezione attiva di ioni, l’aumento della permeabilità, infiammazione intestinale e perdita di potere assorbente sulla superficie a causa della diminuzione dei microvilli.

ENTEROHAEMORRAGIC E. COLI (EHEC) EHEC causa diarrea sanguinolenta (colite emorragica), diarrea senza sangue e sindrome emolitica uremica (HUS). Il principale reservoir è il tratto intestinale dei bovini, e inizialmente fu associato ad hamburger non cotti. Dopo fu trovato anche in altri alimenti, come latte, lattuga e acqua. Richiede una dose infettante molto bassa (circa 100 cellule). Il principale fattore di virulenza è la tossina di Shiga (Stx), formata da cinque frammentiB che si legano al recettore (Gb3) e un singolo frammentoA che taglia rRNA, causando la fine della sintesi proteica. Stx è prodotta nel colon e viaggia tramite il sangue fino ai reni, dove danneggia le cellule endoteliali e occlude i vasi, tramite tossicità diretta e produzione locale di citochine, causando glomerulonefrite. Stx inoltre produce apoptosi degli enterociti, con diarrea (con o senza sangue), colite emorragica, necrosi e perforazione intestinale. EHEC inoltre contiene un’isola LEE che codifica T3SS, con effettori analoghi a quelli prodotti da EPEC.

ENTEROTOXIGENIC E. COLI (ETEC) ETEC causa diarrea acquosa, che può essere autolimitante o molto grave. E’ anche la causa della diarrea del viaggiatore. ETEC colonizza la mucosa dell’intestino tenue ed elabora enterotossine, che causano le secrezioni intestinali. La colonizzazione è dovuta a fimbrie di colonizzazione (CF: CFA, CS, PCF), e ne esistono più di venti differenti. Le enterotossine si distinguono in due gruppi: termolabili (LT) e termostabili (ST), e possono venire espresse una sola o entrambe. LT è strettamente correlata, per struttura e funzione, alla tossina colerica (CT) espressa da V. cholerae, con analogia aminoacidica dell’80%. E’ una tossina A-5B, e il frammentoB utilizza come recettore i gangliosidi GM1 e GD1, mentre il frammentoA è responsabile dell’attività enzimatica: è una ADP-ribosil trasferasi che trasferisce ADP-ribosio da NAD alla subunità alfa di una proteinaG stimolatoria che regola l’adenilato ciclasi. Ciò causa l’attivazione permanente della adenilato ciclasi, con aumento di cAMP e attivazione delle chinasi cAMP-dipendenti, con attivazione di canali e acquaporine sul versante luminale dell’enterocita. Uno di questi canali è il CTFR (cystic fibrose transmembrane conductance regulator), che, quando fosforilato, aumenta la secrezione di cloro nel lume e causa diarrea. LT stimola anche la sintesi di prostaglandine e il sistema nervoso enterico, che stimolano la secrezione e inibiscono l’assorbimento. ST è una famiglia contenente STa e STb, che differiscono sia nella struttura che nel meccanismo di azione. Solo le tossine STa sono state associate a malattie nell’uomo. STa è un peptide di 2kDa che contiene circa


18 aa, sei dei quali sono cisteine che formano ponti intramolecolari. Il recettore è la guanilato ciclasi della membrana; il legame di STa all’enzima stimola l’attività, portando ad aumento di cGMP intracellulare che attiva le chinasi cGMP-dipendenti e, alla fine, aumenta la secrezione. Stranamente, la guanilato ciclasi intestinale è il recettore di un ligando endogeno di analoga funzione, ma ovviamente minore potenza, la guanilina; la guanilina ha struttura simile a STa, e la tossina sembra esser una caso di mimetismo molecolare. STb, al contrario, aumenta i livelli di calcio intracellulare, stimolando il rilascio di prostaglandine e serotonina, che contribuiscono alla secrezione ionica nel lume intestinale. STa sopprime la proliferazione delle cellule tumorali del carcinoma del colon, mediante la trasduzione del cGMP; quindi l’alta prevalenza di ETEC nei paesi in via di sviluppo sembra avere un effetto protettivo contro lo sviluppo di questo cancro.

ENTEROAGGREGATIVE E. COLI (EAEC) EAEC sono causa di diarrea persistente in adulti e bambini. EAEC è definita come un E. coli che non produce LT o ST, e che aderisce a HEp2, in un pattern autoaggregativo, nel quale i batteri si legano tra loro a formare una conformazione a muraglia. La patogenesi dell’infiammazione è sconosciuta, ma si ritiene sia analoga agli altri E. coli, causando cambiamenti del citoscheletro, con arrotondamento delle cellula per il taglio della proteina spectrina.

UROPATHOGENIC E. COLI (UPEC) UPEC causa infezioni del tratto urinario molto frequentemente. Molti fattori aiutano la colonizzazione, e molte tossine sono prodotte (emolisina, fattore citotossico necrotizzante, proteasi Sat). Per questi fattori dovuti a isole di patogeneticità, il batterio può colonizzare anche in ospiti immunocompetenti. Tra 4 e 24 ore dopo l’infezione, l’ambiente della vescica seleziona l’espressione della fimbria di tipo1, che si lega ai residui di mannosio delle cellule uroepiteliali. Il legame stimola apoptosi e esfoliazione.

patogenesi delle infezioni urinarie di UPEC


STREPTOCOCCUS Molti streptococchi sono gram-positivi che fanno parte della flora commensale, ma possono anche causare serie infezioni, che variano da faringiti a fasciti o meningiti.

STREPTOCOCCUS PYOGENES Lo S. pyogenes è un GAS, tra i patogeni più versatili (da asintomatico, a faringiti, impetigine, scarlattina, fascite necrotizzante, shock settico, febbre puerperale). Inoltre causa sequele post-infettive (febbre reumatica, glomerulonefrite). Produce molte molecole che funzionano da adesine, come l’acido lipoteicoico, la proteinaM e Sfb1. Lo streptococco beta-emolitico di gruppo A (GAS) ha tre possibilità patogenetiche: - invasione (faringotonsillite, infezioni cutanee, fascite necrotizzante, cellulite, batteriemia, endocardite) - scarlattina / sindrome da shock tossico [tossine pirogeniche] - malattie post-streptococciche (malattia reumatica e glomerulonefrite post-streptococcica) I GAS causano malattie sistemiche poichè funzionano da superantigeni


La capsula di acido ialuronico può legarsi a CD44, e questo legame causa riarrangiamenti del citoscheletro con l’apertura delle giunzioni intracellulari, facilitando l’accesso ai tessuti sottostanti. La proteinaM è utilizzata per evitare l’opsonizzazione, l’attivazione del complemento e la fagocitosi. Numerose proteine di superficie somigliano a proteine self, e per questo non vengono riconosciute dal sistema immunitario. La streptolisinaO (SLO) è una citolisina colesterolo-dipendente; è simile alla pneumolisina dello S. pneumoniae. SLO è litica per le cellule che contengono colesterolo, interferisce con la fagocitosi, aumenta la secrezione di citochine e induce l’apoptosi. La streptolisinaS (SLS) è una delle citotossine più potenti, e viene consegnata alle cellule dell’ospite mediante contatto diretto; induce necrosi dei tessuti molli e causa ulcere. Le esotossine piogeniche (Spes) sono superantigeni codificati da batteriofagi, e sono associati alla sindrome da shock tossico dovuta allo streptococco (analoga di quella da TSST1 da S. aureus). Si legano quindi a MHC2 e alla subunità V-beta del TCR, causando rilascio massivo di citochine infiammatorie, che causano ipotensione e insufficienza multiorgano (MOF). La proteina GRAB media il contatto tra il GAS e alfa2-macroglobulina, che protegge il batterio dalla degradazione proteolitica. Altri fattori di virulenza sono le Dnasi, streptochinasi, C5a-peptidasi, ialuronidasi e l’esotossina SpeB; queste proteasi possono tagliare le immunoglobuline. SpeB può anche generare IL1, chinina e istamina.

patologie associate a GAS


STREPTOCOCCUS MUTANS S. mutans è la causa principale di carie; possiede molti fattori che gli permettono di accumularsi nel biofilm dentale, producendo e tollerando gli acidi che causano la carie.

S. mutans utilizza due metodi di aggancio: - metodo saccarosio-indipendente: aderisce alle agglutinine o ad altri batteri tramite adesine (SpaP) - metodo saccarosio-dipendente: la glucosil-trasferasi media il legame ai denti tramite la sintesi di glucano La fermentazione è la principale fonte di energia per S. mutans. La via glicolitica porta a acido lattico, formiato, etanolo ed acido acetico. La risultante acidificazione dell’ambiente è responsabile dei danni della carie. L’organismo, dovendo crescere in questo ambiente, è acido-tollerante; ciò è dovuto alla presenza di una ATPasi che mantiene il pH batterico di 7,5. Gli streptococchi β-emolitici di gruppo B (GBS) sono emoliti quando crescono su agar, a causa della produzione di emolisina. Ciò porta a danni epiteliali ed endoteliali, stimolo della NOS nei macrofagi, rilascio di IL8 e stimoli proapoptotici. La patogeneticità dei GBS è dovuta alla capacità di colonizzare retto e vagina delle donne gravide; l’abilità di evitare le difese dell’ospite e la produzione di fattori di virulenza.


STREPTOCOCCUS PNEUMONIAE (PNEUMOCOCCUS) Lo pneumococco è portato in maniera asintomatica dal 60% della popolazione; sotto certe condizioni, può causare otite media, polmonite, batteriemia e meningite. Uno dei principali fattori di virulenza è la capsula polisaccaridica, che ha funzione antifagocitica. Inoltre, produce altre molecole che sono associate alla patogenesi: - pneumolisina (una emolisina che forma canali, della stessa famiglia di SLO); questa tossina non ha un segnale specifico per la secrezione, ma è rilasciata da autolisine e agisce aumentando la produzione di sostanze proinfiammatorie come TNFα, IL1, IL8, NO, PG e LT; inoltre attiva la fosfolipasi nelle cellule endoteliali ed è tossica per l’endotelio; inoltre inibisce le difese non specifiche tramite l’evasione a fagociti e complemento. Può causare danno alle cellule ependimali del cervello e indurre apoptosi (tramite alterazioni della permeabilità al calcio) e meningite. La pneumolisina si lega a TLR4. La pneumolisina quindi ha due attività patogeniche principali: l’abilità di formare pori e l’abilità di inattivare il complemento - proteine di superficie (choline-binding protein, LPXTG-anchored protein): PspA inibisce l’attivazione del complemento e riduce le clearance complemento-mediate; PspC permette l’adesione al rinofaringe e causa l’aggregazione dei recettori per le immunoglobuline, che causano la traslocazione degli pneumococchi attraverso l’epitelio polmonare. Sono presenti anche ialuronidasi, neuraminidasi. - perossido di idrogeno L’antigene di superficie dello pneumococco (PsaA) è parte di un trasportatore ABC per il trasporto di manganese; mutanti PsaA- hanno minore capacità di legarsi alle cellule e hanno meno virulenza. La membrana plasmatica è importante nel mediare il legame con gli pneumociti: la fosfatidilcolina si lega al recettore del fattore attivante piastrinico (PAF), che viene up-regolato durante la risposta infiammatoria o durante infezioni virali (e ciò spiega la facilità della polmonite come comorbilità).

Lo streptococcus pneumoniar (pneumococco) è un esempio di azione batterica invasiva (invasione e moltiplicazione nei tessuti). Lo pneumococco aderisce e colonizza il nasofaringe tramite il CbpA (choline binding protein) che si lega a N-acetil-galattosio o acido sialico; NanA (neuraminidase) aumenta l’aderenza mediante esposizione dei recettori di superficie. La proteasi-IgA1 protegge lo pneumococco dalle IgA.


Il batterio attraversa per transcitosi la mucosa e raggiunge il torrente ematico. Dopo la batteriemia, lo pneumococco evade la fagocitosi mediata da complemento grazie alle proteine di superficie PspA e PspC; inoltre la pneumolisina riduce l’opsonizzazione. L’invazione del liquor cefalorachidiano richiede l’adesione all’endotelio e la variazione delle componenti antigeniche (per adattarsi all’ambiente differente). Raggiunto questo santuario anatomico, dotato di poche Ig e complemento, il batterio sopravvive. L’autolisi dello pneumococco (autocrina o dovuta ad antibiotico) scatena la risposta pro-infiammatoria, che causa danno cerebrale.


TREPONEMA PALLIDUM Il treponema pallidum, agente eziologico della sifilide, è un batterio gram-negativo che fa parte della famiglia delle spirochete. La loro membrana esterna ha uno spessore minore rispetto agli altri gram-negativi, e la loro struttura elicoidale è spinta da un flagello periplasmico. MEMBRANA ESTERNA La membrana esterna dei gram-negativi generalmente è molto resistente agli agenti chimici, mentre quella delle spirochete è estremamente sensibile ai detergenti. La relazione tra la membrana esterna e il peptidoglicano è alla base delle proprietà fisiche. Negli altri gram-negativi, il peptidoglicano è giustapposto alla membrana esterna, e legato in maniera stretta, covalentemente tramite la lipoproteina di Braun, e non covalentemente tramite le proteine associate al peptidoglicano (porine, OmpA). Nelle spirochete, la membrana esterna non è collegata con il peptidoglicano. La membrana esterna contiene proteine di bassa densità differenti da quelle degli altri gram-negativi, contenente pochi antigeni, che permette di evadere la risposta immunitaria. Nel versante interno della membrana esterna è presente un’altra membrana cellulare, che aggiunge integrità strutturale e evita che la rotazione del flagello causi la rottura della membrana esterna. FLAGELLO Sono caratterizzate da morfologia elicoidale e da flagelli confinati nello spazio periplasmico. Le caratteristiche ultrastrutturali delle spirochete sono responsabili dei meccanismi patogenetici. T. pallidum possiede un flagello periplasmico che origina da un corpo basale citoplasmatico e termina prima della membrana basale, rimanendone separata da periplasma che si allarga per ospitare il flagello. Il peptidoglicano è più vicino alla membrana citoplasmatica nelle regioni con il flagello, suggerendo che i filamenti comprimono lo strato di mureina. Dal lato interno della membrana citoplasmatica, la proteina CfpA si organizza a formare cilindri, che decorrono paralleli ai flagelli periplasmatici. L’interazione tra il peptidoglicano e la proteina MotB stabilizza il complesso nella membrana citoplasmatica, fornendo la piattaforma sulla quale il rotore e il flagello generano la forza. La porzione che genera energia nel flagello, lo statore, deve essere immobilizzato all’interno della membrana citoplasmatica per produrre forza. Nei gram-negativi, si lega alle subunità di MotB disposte radialmente nello strato di peptidoglicano, a formare un collare. Il movimento del flagello causa il ripiegamento dell’intera cellula. L’attrito tra il flagello e la membrana esterna causa la rotazione della membrana esterna in senso orario. Al contrario, il peptidoglicano e la membrana cellulare rimangono circa fissi rispetto al flagello, poichè il flagello è fissato alla membrana cellulare. L’attrito tra la membrana esterna e l’ambiente causa la rotazione della cellula in senso antiorario; quindi la cellula avanza come un cavatappi.

ricostruzione della struttura del treponema pallidum


densità elettronica in funzione della distanza dalla membrana plasmatica


CORYNEBACTERIUM DIPHTERIAE

Prodotta da corynebacterium diphteriae (actinobatteri, alto contenuto CG, parete con acidi glicolici, simile al bacillus tuberculosis), la tossina della difterite è una esotossina di tipo AB (B è antirecettore, A penetra nella cellula). E’ prodotta come un unico polipeptide precurcore di 60 kDa, che viene attivato dal taglio della tripsina, in presenza di zolfo (che agisce da agente riducente). La tossina entra nella cellula target direttamente o tramite endocitosi mediata da recettore (proteina che lega l’eparina), e i frammenti di separano per la rottura del ponte disolfuro intercatena. La subunitàA catalizza la ADP-ribosilazione del fattore di allungamento dei ribosomi (EF2), utilizzando NAD come substrato (da dove toglie ADP-ribosio per legarlo all’elongation factor). Nel 1913, Schick creò un test cutaneo per valutare l’immunizzazione da difterite. La tossina causa una reazione infiammatoria quando viene iniettata in maniera transcutanea; dopo 48 h, un test positivo (reazione infiammatoria) indica che il paziente è suscettibile all’infezione, mentre un test negativo (assenza di infiammazione) indica immunità (presenza di anticorpi che neutralizzano la tossina). Nel 1929, Ramon converte la tossina in tossoide mediante trattamento con formaldeide, creando il vaccino anti-difterite. Nel 1951, Freeman dimostrò che i ceppi patogeni di C. diphtheriae sono lisogenici, poichè infettati da un fago, mentre quelli non patogeni non sono lisogenici; quindi, il gene per la tossicità doveva essere trasportato da un batteriofago. Nel 1960 Pappenheimer dimostrò che la tossina inibisce la sintesi proteica bloccando il trasferimento di tRNA sul ribosoma. La difterite è una malattia del tratto respiratorio superiore caratterizzata da faringite, febbre e formazione di pseudomembrane sulle tonsille e sul faringe; può sviluppare verso una patologia sistemica. La lesione può portare a necrosi del tratto respiratorio superiore, che causa perdite di plasma sanguigno e formazione di coaguli di fibrina che si dispongono a formare pseudomembrane sugli organi colpiti. I batteri rimangono nel tessuto infettato, ma producono tossine che possono raggiungere la via ematica, e causare problemi in cuore, reni, surreni, fegato e milza. E’ generalmente una malattia pediatrica, con formazione di risposta immunitaria per tutta la vita. La patogenesi della difterite include due fenomeni distinti: - invasione del tessuto, con colonizzazione e proliferazione batterica (non si conosce il meccanismo) - tossigenesi, produzione batterica della tossina; causa la morte della cellula per l’inibizione della sintesi proteica; la tossina non è l’unico fattore di virulenza, poichè è importante una bassa concentrazione di ferro e la presenza di un fago lisogenico sul cromosoma batterico. Normalmente, i geni del fago sono repressi da una proteina batterica, e il repressore è attivato dal ferro. Le tossine sono sintetizzate solo da batteri lisogenici in condizioni di mancanza di ferro (il ferro è un corepressore per la tossina). Il fago contiene i geni strutturali per la tossina. La tossina difterica è una tossina bivalente, sintetizzata come singola catena polipeptidica contenente il frammentoA (attivo) e il frammentoB (legame). La tossina si lega a un recettore specifico (HB-EGF, proteina legante l’eparina del fattore di crescita dell’epidermide) e penetra nelle cellule mediante endocitosi recettoriale. L’acidificazione dell’endosoma causa il dispiegamento delle proteine e la fuoriuscita dal vacuolo. Il frammentoA, nel citoplasma, diviene attivo e trasferisce ADP-ribosio dal NAD al fattore di allungamento EF2, che inibisce la funzione della sintesi proteica; l’attacco di ADP-ribosio avviene su un unico residuo di histidina, chiamato “diftamide”. Prodotta da Corynebacterium diphtheriae, un batterio gram-positivo anaerobio facoltativo, è responsabile della difterite respiratoria e cutanea. La tossina (DT) è l’unico fattore di virulenza secreto (non c’è l’endotossina visto che il batterio è gram-positivo) e la dose letale è 0,1 μg. Dalla tossina è stato estratto un tossoide, sul quale si basa l’attuale vaccino per la difterite, efficace e sicuro. La tossina è secreta come polipeptide da 535 aa; il dominio N-term rappresenta il frammentoA, mentre il dominio C-term rappresenta il frammentoB (funzionalmente diviso in recettoreR e traslocatoreT).


La tossina viene attivata dalle cellule eucariotiche mediante una proteasi, rimanendo connessa da un ponte disolfuro, e poi viene endocitata. L’adicificazione dell’endosoma, tramite vATPasi attivano le “daghe della morte” del traslocatoreT, che sposta il frammentoA dal vacuolo al citoplasma, dove catalizza la ADP-ribosilazione del EF2 per inibire la sintesi proteica. Il recettore per la tossina diftericaè la proteina HB-EGF (heparin-binding epidermal growth factor), e l’affinità di legame è aumentata da CD9. EF2 è una proteina trasportatrice che idrolizza GTP, essenziale per l’allungamento della sintesi proteica, poichè trasporta il tRNA-aminoacido sul ribosoma 80S. EF2 riceve ADP-ribosio su una istidina modificata post-traduzionalmente chiamata diftamide. Questa modifica è conservata e presente dagli archea agli uomini, ma assente nei batteri, costituendo un meccanismo protettivo per i batteri (non viene inattivata la EF-G batterica poichè non possiede diftamide). L’eliminazione della diftamide causa la mancanza di attività della tossina sulla cellula ospite. EF2 con ADP-ribosio sul diftamide causa una interazione anormale codone-anticodone nell’areaP del ribosoma, causando mutazioni frameshift che distruggono le proteine.


PSEUDOMONAS AERUGINOSA

Pseudomona aeruginosa è un batterio gram-negativo patogeno opportunistico associato a infezioni ospedaliere multiresistenti, incluse polmonite, UTI, ferite chirurgiche e sepsi in individui immunocompromessi. A differenza della difterite, non sono presenti vaccini. La colonizzazione è facilitata da numerosi fattori: falgello, pili, adesine, fattori secreti (emolisine, lipasi,...). Inoltre, produce ExoA, ExoS, ExoT, ExoU e ExoY. Le tossine secrete mediante T3SS sono mantenute in conformazione dallo chaperone Chap. ExoY: adenilato ciclasi, aumenta cAMP e causa modifiche del citoscheletro ExoU: fosfolipasi, genera tossicità acuta ExoT, ExoS: RhoGAP (proteina attivante la RhoGTPasi) e dominio ADP-ribosiltransferasico L’attività ADP-ribosiltrasferasica di ExoS dipende dalla presenza di FAS, un fattore attivante, ed è diretta verso Ras, inibendo la trasduzione del segnale della via Ras-Rap-Map-MapK, causando morte necrotica della cellule.

struttura e meccanismo di azione di ExoS


L’attività ADP-ribosiltrasferasica di ExoT è diretta verso le proteine regolatorie delle chinasi (Crk); se modificate, sono incapaci di interagire con altre proteine, e questo blocca le vie di segnalazione di Rac e Rap, impedendo la fagocitosi e promuovendo l’apoptosi. Meccanismi simili sono utilizzati che da Yersinia YopH (downregulation della fagocitosi mediata da Crk) e Shigella flexneri (attiva la famiglia Abl delle tirosin chinasi per facilitare l’invasione batterica tramite l’inattivazione della fagocitosi dovuta a Crk). ExoA: l’esotossinaA dello P. aeruginosa è praticamente invertita rispetto alla tossina difterica, ma non contiene il ponte disolfuro: il dominio N-term rappresenta il frammentoB (con R e T), il dominio C-term rappresenta il frammentoA. Il recettore è una proteina correlata al recettore per LDL, e l’endocitosi porta la tossina verso il reticolo endoplasmatico e da qui si libera nel citoplasma


CLOSTRIDIUM

I clostridi sono bastoncelli gram-positivi, sporigeni, con metabolismo fermentativo (butirrato, acetato, butanolo, acetone, CO2, H2). Non crescono in condizioni aerobiche (sono anaerobi), e le cellule vegetative sono uccise dall’esposizione a O2, sebbene le spore possano sopravvivere. Producono molti enzimi extracellulari che degradano macromolecole; infatti i clostridi sono importanti nei cicli della biodegradazione. La loro virulenza deriva unicamente dalle tossine prodotte.

CLOSTRIDIUM PERFRINGENS C. PERFRINGENS: causa ferite e infezioni chirurgiche che portano alla gangrena gassosa. Produce emolisine, enzimi extracellulari (proteasi, lipasi, collagenasi,...) e una enterotossina (importante nell’avvelenamento alimentare). Tossine di clostridium perfrigens (labili all’ossigeno)

tossina target azione

A membrana fosfolipasiC

B membrana formazione del canale

E membrana formazione del canale

I actina ADP-ribosilazione

K matrice collagenasi

L matrice proteasi

M matrice ialuronidasi

perfringolisina colesterolo formazione di canale (RTX)

Nan membrana sialidasi

meccanismo di azione della perfringolisinaO di C. perfringens: una concentrazione alta di tossina (vicino al

focus infettivo) causa citolisi; come la concentrazione diminuisce, gli effetti sono minori e includono inibizione dei fagociti


CLOSTRIDIUM DIFFICILE C. DIFFICILE: è la principale causa della diarrea da antibiotici e della relativa colite pseudomembranosa. Vengono prodotte due tossine: la tossinaA è una enterotossina (accumulo di fluidi nell’intestino) e la tossinaB è una tossina citopatica, estremamente letale. C. difficile è la principale causa di diarrea associata ad uso di antibiotici. Le due tossine maggiori, TcdA e TcdB, possono essere rinvenute in ELISA nelle feci dei pazienti.

TcsH: tossina emorragica TcsL: tossina letale Tcnα: tossina alfa, è caratteristica poichè utilizza UDP-N-Ac-glucosammina e non UDP-glucosio come substrato per la glicosilazione. TcdA e TcdB sono glucosil-trasferasi che inattivano Rho, Rac e Cdc42 utilizzando UDP-glucosio come donatore. Sono codificate da una regione cromosomica e sono espresse nella fase di crescita esponenziale e nella fase stazionaria. Se iniettate, causano colite pseudomembranosa, accumulo di fluidi, infiammazione e diarrea. Il dominio C-term di TcdA e TcdB contiene corte ripetizioni di oligopeptidi (CROPs), che servono all’interazione e al legame con il recettore. TcdB è simile a TcsL, e ciò spiega la cross-reattività degli antisieri; le differenze maggiori si hanno nel dominio N-term, responsabile della specificità del substrato. TcdA è simile a TcsH. Quindi l’attività enzimatica è codificata dal dominio N-term, mentre l’attività recettoriale è dovuta al dominio C-term tramite i CROPs. Le sequenze CROP variano in lunghezza fino a 50 aa, ma contengono triadi di consenso idrofile, che indicano le regioni esposte al solvente; queste regioni sono simili alle regioni di Streptococcus mutans, dove fungono da proteine che legano zuccheri. TcdA e TcdB sono entrambi codificati dallo stesso locus di patogeneticità di 19,6 kb; i locus sono vicini e trascritti nella stessa direzione; oltre a queste due tossine, sono presenti altri tre ORF (open reading frame) che contribuiscono alla regolazione della produzione di tossina e al rilascio: - TcdC è downstream a TcdA e viene trascritto nella direzione opposta delle due tossine, e la sua espressione è alta all’inizio della fase esponenziale e diminuisce quando la colonia si trova nella fase stazionaria; ciò suggerisce che TcdC funziona come regolatore negativo della produzione di tossine. - TcdD è upstream a TcdB, ed è espresso in parallelo con i geni delle tossine, poichè aumenta l’espressione dei promotori dei geni delle tossine; inoltre è analogo ai regolatori positivi di tetano (TetR) e botulino (BotR); TcdD è un fattore sigma alternativo della RNA polimerasi che si attiva in risposta a segnali ambientali; è quindi un regolatore positivo dell’espressione delle tossine. - TcdE è tra TcdA e TcdB, è facilita il riascio delle tossine tramite modifiche di permeabilità della membrana cellulare. Quindi l’espressione di TcdA e TcdB è dimiuita da TcdC (regolatore negativo), aumentata da TcdD (regolatore positivo) e facilitata nel rilascio da TcdE (funzione canale). In condizioni di assenza di biotina, la crescita di C. diffice è ridotta, e in questa condizione di stress viene stimolata la produzione di tossine. TcdA e TcdB sono dirette verso la famiglia Ras di piccole GTPasi, modificandole per glicosilazione; questa modificazione irreversibile inattiva queste piccole proteine regolatorie, causando alterazioni nella trasduzione del segnale. Il dominio N-term è enzimatico, il dominio C-term è recettoriale.


Per esplicare il loro effetto citotossico, le tossine devono essere internalizzate nell’ospite tramite endocitosi e richiedono l’acidificazione dell’endosoma per entrare nel citosol. Il legame con il recettore è il primo passo della virulenza: la tossina lega il disaccaride Gal-NacGlc presente su molte cellule (infatti il trattamento con la galattosidasi riduce il legame di TcdA). TcdB può intossicare molte cellule, quindi il suo recettore deve essere ubiquitario.

L’effetto finale delle tossine è la modificazione del citoscheletro, che scatena la morte cellulare. Ciò avviene perchè le tossine trasferiscono glucosio (glicosilazione) da UDP-glucosio ad alcune proteine GTPasiche (Rho, Rac, Cdc42). Quindi le tossine sono delle glucosil-trasferasi capaci di inattivare piccole GTPasi nelle cellule infettate. Rho regola la formazione di fibre da stress, la motilità e l’adesione. Rac e Cdc42 sono implicate nella formazione di filopodi e lamellipodi (estensioni strutturali che permettono il movimento delle cellule) Rho è un regolatore primario dell’actina del citoscheletro, ed è trovato in tutte le cellule eucariotiche; dopo la sintesi, viene modificata e attaccata al versante citoplasmatico della membrana plasmatica, per esercitare la attività GTPasica. Nell’alternanza tra le forme con GTP (attiva) e con GDP (inattiva) si regola l’attività dell’actina, tramite proteine intermedie. Lo scambio tra GDP e GTP è dovuto a fattori citiplasmatici; la Rho-GTP attivata (intrinsecamente e tramite proteine GTPasi-attivanti) idrolizza GTP, rimuovendo il γP e tornando nello stato inattivo. Rac e Cdc42 hanno meccanismi analoghi. Impedire la trasduzione di Rho con le proteine effettrici altera la struttura del citoscheletro. La glicosilazione operata da Tcd su Rho, Rac o Cdc42 impedisce il legame con GTP o blocca l’interazione con le proteine effettrici a valle, bloccano la trasduzione del segnale. TcdA e TcdB alterano dal signaling intracellulare all’ultrastruttura, causando morte cellulare. La perdita di integrità strutturale è dovuta alla diminuzione di F-actina nelle cellule, che causa modifiche della superficie e dei microfilamenti, come la rottura delle giunzioni intercellulari. Rho, Rac e Cdc42 regolano inoltre il ciclo cellulare, come le fosfolipasi; con l’infezione, il conseguente aumento della permeabilità della membrana aumenta lo stato infiammatorio (osservato nella colite pseudomembranosa). Inoltre, le tossine possono anche stimolare l’apoptosi, poichè l’inattivazione di Rho causa l’attivazione della caspasi3, componente chiave della cascata apoptotica. TcdA inoltre stimola la produzione di citochine, che contribuisce all’infiammazione nella colite pseudomembranosa; la tossina, tramite la via NFkB, attiva IL8 e causa la produzione di ROS ad opera degli enterociti, che aumenta lo stato infiammatorio.


CLOSTRIDIUM TETANI C. TETANI: è l’agente eziologico del tetano. Produce spore terminali all’interno di uno sporangio terminale, da cui la somiglianza con le bacchette di tamburo. Sebbene sia gram-positivo di struttura, può colorarsi in modo differente in base alla fase vitale. Il tetano è altamente fatale negli uomini (mortalità fino all’80%). La malattia è causata dalla tossina (“tetanospasmina”) prodotta dalla riattivazione delle spore che entrano in una ferita. Si utilizza il tossoide per l’immunizzazione della popolazione. Si presenta con spasmi e rigidità muscolare, fino alla paralisi dei muscoli respiratori. Il segno patognomonico del “trisma” (lockjaw) è dovuto allo spasmo del massetere. Il tetano neonatale causa la metà dei morti di tetania. Si distinguono 11 specie di tetano in base agli antigeni presenti sui flagelli, e differiscono nella capacità di produrre la tossina. La tetanospasmina è codificata da un plasmide, è prodotta dalle cellule in crescita esponenziale e rilasciata nella lisi cellulare (germinazione della spora). Il batterio sintetizza la tossina tetanica come catena polipeptidica da 150 kDa (tossina progenitrice) che è tagliata da una proteasi batterica in una catena pesante (frammentoB, 100 kDa) e in una catena leggera (frammentoA, 50 kDa), che rimangono connessi da un ponte disolfuro. La proteasi è trovata in tutte le colture di C. tetani. Il frammentoB si lega al recettore, mentre il frammentoA media l’azione enzimatica (come sempre). La tossina è termolabile, e viene distrutta con trattamento a 56° per 5’, ed è labile all’ossigeno. La tossina purificata è rapidamente convertita a tossoide a 0° in presenza di formalina. La tetanospasmina inizialmente si lega ai terminali nervosi periferici, ed è trasportata all’interno dell’assone, fino ai gangliosidi degli interneuroni presinaptici; blocca il rilascio di neurotrasmettitore inibitorio (glicina) che permette il feedback negativo sul motoneurone, tramite il taglio proteolitico della sinaptobrevina2. La guarigione dalla malattia usualmente non conferisce immunità; la profilassi immunitaria è svolta con il tossoide tetanico, tramite tre iniezioni.


CLOSTRIDIUM BOTULINUM C. BOTULINUM: è un bastoncello anaerobio che forma spore sub-terminali (a differenza delle spore terminali del C. tetani). Essendo diffuso variamente, spesso si trova nel tratto intestinale di uccelli, mammiferi e pesci. Le tossine sono di sette tipi differenti (A-G), acquisite mediante fagi o plasmidi. Nel botulismo alimentare il batterio è ingerito con il cibo; la tossina è assorbita dal duodeno e dal digiuno, e passa verso il flusso sanguigno, attraverso il quale raggiunge le sinapsi neuromuscolari; la tossina si lega al terminale presinaptico e blocca il rilascio di ACh, che è rischiesto per l’attivazione della placca neuromuscolare. La tossina botulinica è una tossina preformata, quindi agisce rapidamente, e la malattia è una intossicazione (non una infezione), ed è simile all’avvelenamento con stafilococco. Il botulismo alimentare deriva dal cibo non cotto contenente spore; l’ambiente anaerobico del cibo in scatola può aumentare la produzione di spore. I sintomi classici iniziano 18-36 h dopo l’ingestione, con debolezza, vertigini e secchezza delle mucose, con rari nausea e vomito. Le complicanze neurologiche sono: visione confusa, difficoltà nella deglutizione, difficoltà nella parola, paralisi flaccida discendente e paralisi respiratoria. Il botulismo infantile può stabilirsi poichè la flora intestinale è ancora assente, e quindi il clostridio può vegetare come normale flora batterica; la formazione di spore causa la malattia (tra cui la SIDS, sudden infant death syndrome). La tossina botulinica è simile nella funzione a quella tetanica, ma ne differisce poichè è diretta verso cellule differenti. Colpisce il terminale presinaptico dei motoneuroni, impedendo il rilscio di ACh, e causa la caratteristica paralisi flaccida. Viene sintetizzata e matura allo stesso modo della tossina tetanica, e anche il target è analogo (sinaptobrevina2). Dopo il taglio proteolitico, la sinapsi è danneggiata in modo irreparabile, ed è quindi necessaria la formazione di una nuova sinapsi. La tossina botulinica può essere trasformata in tossoide, ed esistono antitossine efficaci nel botulismo acuto. Il botulismo può essere prevenuto mediante adeguate pratiche di sterilizzazione. Le spore sopravvivono alla bollitura (100° ad 1 atm) ma sono uccise dall’autoclave. I cibi contenenti bolle gassose (dovute alla fermentazione dei clostridi, principalmente CO2) non devono essere aperti o assaggiati.

analogie e differenze tra tossina tetanica e tossina botulinica


BACILLUS ANTHRACIS

Il bacillus anthracis è un bastoncello gram-positivo sporigeno aerobio/anaerobio facoltativo. L’antrace è una malattia degli animali erbivori domestici; gli uomini si infettano incidentalmente quando mangiano carne infetta o lavorano il pellame degli animali. Si distinguono due forme di antrace: - antrace cutaneo: acquisito tramite lesioni cutanee o mucose (ferite) che vengono inoculate con spore; le spore germinano e formano un caratteristico edema gelatinoso sulla superficie, che evolve in papula dopo 12-36 h, che evolve in vescicola e poi in pustola, che porta ad un’ulcera necrotica che permette la disseminazione dell’infezione, con setticemia. L’essudato linfatico sopraggiunge in 7 giorni; se avviene l’invasione del circolo sanguigno, la setticemia è fatale. - antrace respiratorio: dovuta a inalazione di polvere contenente spore; i batteri vengono assorbiti dai macrofagi alveolari e portati ai linfonodi mediastinici, per poi raggiugnere il circolo sistemico. La malattia si presenta con febbre e dolore toracico, e progredisce rapidamente in patologia sistemica emorragica; fatale se non trattata. L’azione della tossica antracica non è chiara, ma sembra coinvolgere la diminuzione dell’ossigeno disponibile, con shock, aumento della permeabilità vascolare, insufficienza respiratoria e insufficienza cardiaca. L’azione della tossina è scatenata dalla diminuzione della CO2 nell’organismo rispetto all’ambiente. Il bacillo è l’unico a possedere una capsula di amminoacidi (D-glutammato polimerizzato), invece di lipidi, che impedisce l’azione del complemento. Questa capsula è prodotta solo da alcune colonie, ed è responsabile del diverso aspetto in coltura. Oltre alla capsula, il batterio produce tre differenti fattori, ognuno dei quali è termolabile e di peso 90 kDa: - PA, protective antigen: riduce gli anticorpi circolanti; è la subunitàB della tossina completa (per il recettore) e permette l’aggancio di due differenti subunitàA (EF e LF); PA si lega ai recettori sulla superficie cellulare tem8 E cmg2, che interagiscono con LRP6 (una proteina correlata al recettore per LDL), importante per l’endocitosi. Il dominio C-term viene tagliato e diventa un’ansa esposta, che oligomerizza spontaneamente in eptamero (PA7), che riceve gli altri fattori. L’acidificazione dell’endosoma stimola la traslocazione. - EF, edema factor: necessario per produrre edema; è una adenilato ciclasi calmodulina-dipendente (simile alla bordetella pertussis); l’aumento di cAMP altera la permeabilità e genera edema; inoltre ingolfa i macrofagi tramite la deplezione delle riserve di ATP che servono al burst respiratorio che segue la fagocitosi - LF, lethal factor: è essenziale per l’effetto letale della tossina dell’antrace; è una proteasi Zn-dipendente che stimola la produzione di citochine in macrofagi e linfociti tramite l’attivazione delle MAPK. (il dimero EF+LF, senza PA, è inattivo, poichè la tossina non riesce ad entrare nelle cellule) Da questi fattori derivano le due tossine: la tossina edematosa (EF + PA) e la tossina letale (LF + PA).


La tossina è quindi di tipo A-B, e PA è il frammentoB che lega alternativamente EF o LF come frammentoA. Quindi la virulenza del bacillus anthracis è dovuta a: - capsula amminoacidica formata da poli-D-glutammato - componente EF della esotossina (aumento di cAMP) - componente LF della esotossina (protein-chinasi)) B. anthracis scatena una forte risposta infiammatoria legandosi a TLR4 dei macrofagi dell’ospite; le tossine interferiscono con l’immunità, e la cascata MAPK induce il burst respiratorio dei macrofagi con la produzione di citochine proinfiammatorie (per attivazione della via NFkB). LT causa citolisi o apoptosi tramite alterazioni alla permeabilità della membrana, dissipazione del potenziale di membrana dei mitocondri e frammentazione del DNA. L’apoptosi è associata alla via caspasi-dipendente.


Effetto delle tossine di B. anthracis sulle cellule del sistema immunitario

L’infezione, per essere efficace, richiede l’uptake delle spore (che sono resistenti ai ROS dei macrofagi) e la loro germinazione all’interno dei fagociti. Il legame delle spore con TLR4 stimola l’attivazione dei macrofagi, che è richiesta per l’iniziale uptake e per dirigere il macrofago con la tossina verso i linfonodi. Solo dopo la germinazione della spora, il batterio vegetativo produce le tossine, che inibiscono le difese innate e promuovono la morte cellulare, contribuendo alla diffusione batterica.


Nell’infezione da B. anthracis si possono distinguere tre fasi: - fase dell’invasione (effetto tossico paracrino) - fase della proliferazione (effetto tossico locale) - fase della diffusione (effetto tossico sistemico)



VIBRIO CHOLERAE

Il colera è una grave malattia diarroica causata dal Vibrio cholerae, batterio gram-negativo isolato da Kock nel 1883. La carica batterica necessaria è molto alta (a differenza della shigella, con carica batterica bassa). La trasmissione avviene anche mediante acqua o cibo contaminati, ma è principalmente orofecale (poichè si tratta di una malattia adattata all’uomo). Attualmente, la 7^ epidemia di colera si trova ad Haiti, con origine nella regione del Gange (Bangladesh). Il biotipo attuale (El Tor) si distingue per la produzione di emolisina. Una persona normale dopo un’ora di malattia diventa ipotesa e può morire anche dopo 2 o 3 ore (in media, 12 h) per insufficienza renale. La malattia si presenta con diarrea abbondante (fino a 16L/die), causata dalla attività della tossina colerica, che attiva la adenilato ciclasi negli enterociti, causando l’espressione di acquaporine che riversano acqua nel lume intestinale. La perdita di fluidi causa disidratazione, anuria, acidosi e shock. La diarrea è caratterizzara da frammenti epiteliali e muco (diarrea ad acqua di riso). La perdita di potassio, che causa ipokaliemia, può portare arresto cardiaco. Il tasso di mortalità è di oltre il 50%. La variazione antigenica è fondamentale per l’epidemiologia del colera, e tramite l’antigeneO si distinguono 140 sierotipi, quasi tutti non virulenti. Si distinguono tre sierotipi: - Ogawa, con antigeni A e B - Inaba, con antigeni A e C - Hikojima, con antigeni A, B e C Il genoma di V. cholerae è formato da due cromosomi circolari; la maggior parte dei geni per le funzioni essenziali della cellula si trova sul cromosoma maggiore. I plasmidi di resistenza sono componenti stabili del genoma, possono raggiungere i 200 kbp. I principali fattori di virulenza sono le tre enterotossine: la tossina termolabile (CT), la tossina della zonula occludens (Zot) e l’enterotossina accessoria (Ace). I geni per queste tossine sono racchiusi in una “cassetta tossigena”, chiamata Ctx, racchiusa da sequenze ripetute. La cassetta tossigena è codificata da un batteriofago (CTXF), che colonizza il batterio mediante il riconoscimento di proteine di superficie di TcpA (toxin coregulated pili), e si integra in specifici siti di attacco. TcpA è la subunità strutturale maggiore della pilina, che è richiesta per la colonizzazione dell’intestino. Il gene TcpA è espresso in maniera regolata con la tossina tramite la proteina regolatoria ToxR. Altri geni associati a virulenza sono: ToxR, NanH (neuraminidasi) e HlyA (emolisina). Nei plasmidi sono presenti molti fattori di resistenza agli antibiotici, e vengono anche utilizzati per lo studio epidemiologico.

La tossina colerica è una tossina preformata e viene iniettata mediante T3SS negli enterociti. La tossina colerica attiva la adenilato ciclasi nelle cellule dell’epitelio intestinale mediante ADP-ribosilazione, causando aumento dei livelli di cAMP, con secrezione di acqua ed elettroliti nel lume intestinale. L’effetto dipende dall’interazione con il recettore, il ganglioside GM1 presente sulla superficie degli enterociti. Il batterio produce una invasina, la neuroaminidasi, che può degradare il ganglioside, permettendo al batterio di entrare nella cellula. La tossina è formata da 5 frammentiB di 11500 Da, un frammentoA1 da 23500 Da e un frammentoA2 da 5500 Da che collega A1 con B.


Dopo l’ingresso nella cellula, A1 trasferisce ADP-ribosio dal NAD ad una proteina regolatoria dell’adenilato ciclasi, che viene attivata in maniera costitutiva e non può essere inattivata da un’altra proteina inibitoria. Visto che l’idrolisi del GTP presente sulla adenilati ciclasi non può avvenire, l’enzima rimane continuamente attivo, trasformando ATP in cAMP.

Quindi l’effetto netto della tossina è causare cAMP, prodotto in maniera abnormemente alta, che stimola le cellule a pompare cloro nel lume intestinale. Acqua e altri elettroliti (sodio) seguono il cloro, per gradiente osmotico ed elettrico. Quindi le cellule contenenti la tossina pompano acqua, causando diarrea, perdita di elettroliti e disidratazione. Escherichia coli produce una tossina termolabile (LT) che è molto simile alla tossina colerica nella struttura e nella modalità di azione. Il DNA che codifica per LT è di un plasmide, mentre quello per la tossina colerica è di un cromosoma. Molte caratteristiche del vibrione del colera sono importanti nel determinare colonizzazione: questi includono adesine, neuraminidase, motilità, chemiotassi e produzione di tossine. Il batterio è resistente all’acidità gastrica e ai sali biliari, tramite la secrezione di numerosi enzimi (proteasi,...). L’aderenza alla mucosa intestinale è mediata dalla fimbria, che si trova al polo della cellula. Questa fimbria si chiama pilus-tcp (toxin coregulated pili), perchè l’espressione di questi pili è strettamente correlata all’espressione della tossina; il pilus serve anche come meccanismo di propulsione, oltre che di chemiotassi. Inoltre, l’adesione è dovuta a emagglutinine e altri fattori di colonizzazione, che aumentano la forza di interazione con gli enterociti. L’enterotossina colerica è prodotta dal gene Ctx (CtxA per frammentoA, CtxB per frammentoB; entrambi sullo stesso operone). Il mRNA di Ctx ha due siti di legame per i ribosomi, uno upstream di CtxA e uno upstream di CtxB, che viene espresso in modo molto maggiore (fino a 7 volte di più); ciò giustifica la struttura A5B della tossina. Il frammentoA non è intrinsecamente attivo, ma deve essere tagliato nei frammenti A1 e A2, uniti da legame disolfuro. Quando B si lega al recettore GM1, A1 è rilasciata per riduzione del ponte disolfuro e viene attivata. La trascrizione dell’operone CtxAB è regolata da molti segnali: temperatura, pH e osmolarità. Ctx e Tcp sono regolati in parallelo, dagli stessi segnali. ToxR è una proteina transmembrana, che dimerizza e si lega all’operatore di CtxAB, attivando la trascrizione. ToxS è una proteina sensore che fosforila, e quindi converte, ToxR permettendo di dimerizzare e attivare il DNA. ToxT, attivata da ToxR, è una proteina citoplasmatica che funziona da attivatore dell’operone Tcp per la formazione del pilus.


SALMONELLA

I batteri del genere Salmonella sono importante causa di malattie enteriche nei vertebrati. Le salmonelle sono batteri gram-negativi, acquisiti mediante ingestione di acqua o cibo contaminato. Sebbene le condizioni che ridocono l’acidità gastrica aumentano la facilità di infezione (riducono la dose infettante), le salmonelle hanno acquisito una risposta all’acido che permette di sopravvivere nell’ambiente acido dello stomaco. Dopo l’ingresso nell’intestino tenue, i batteri attraversano la mucosa ed evitano l’uccisione mediata da enzimi, sali biliari, IgA secretorie, e raggiungono l’epitelio. L’adesione agli enterociti, necessaria per l’endocitosi, avviene mediante adesine che distruggono l’orletto a spazzola e inducono la formazione di vacuoli. I target preferiti sono le celluleM (cellule epiteliali specializzate che prendono gli antigeni circolanti attraverso pinocitosi e li trasportano alle sottostanti placche di Peyer, contenenti linfociti). Le salmonelle sono anche capaci di distruggere le tight junctions, che contribuisce all’insorgere di diarrea. Alcuni meccanismi di virulenza permettono di sopravvivere all’interno dei macrofagi e questo facilita la replicazione e la disseminazione sul sistema reticolo-endoteliale. Il rilascio di IL8 stimola le reazioni infiammatorie che portano alla distruzione della mucosa, che causa la tipica diarrea infiammatoria. I sierotipi associati con malattie sistemiche entrano nei macrofagi intestinali e disseminano nel sistema reticoloendoteliale; i sierotipi non tifoidi inducono una infiammazione precoce che causa infiltrazione di leucociti nel lume intestinale e diarrea.

Le salmonelle sono capaci di replicarsi in molti tipi cellulari, ma preferiscono i macrofagi. Quando diventano intracellulari, i batteri restano all’interno del vacuolo (fagosoma spazioso, SP), che collabisce a formare una membrana aderente che circonda più batteri, chiamata SCV, che persiste anche per diversi giorni. Questo meccanismo, e non l’inibizione della formazione del fagolisosoma, è alla base della patogeneticità intracellulare. Il T3SS è necessario per la colonizzazione e la patogenesi: media il trasferimento di proteine batteriche di virulenza (effettori) dalla cellula batterica al citoplasma della cellula ospite. All’interno dell’ospite, questi effettori modificano l’architettura del citoscheletro, il traffico di membrana, la trasduzione dei segnali e la produzione di citochine, al fine di promuovere la sopravvivenza e la colonizzazione. I batteri Salmonella codificano due distinti T3SS associati alla virulenza in due isole di patogeneticità (SPI1, SPI2). Il SPI1-encoded-T3SS è attivo al contatto con la cellula ospite e permette di traslocare le proteine batteriche attraverso la membrana plasmatica; è importante per l’invasione di cellule non-fagoticiche, induzione dell’infiammazione intestinale e diarrea. Il SPI2-encoded-T3SS è espresso nel fagosoma e trasloca gli effettori attraverso la membrana del vacuolo; è importante per la sopravvivenza del batterio nel macrofago e l’instaurarsi di una malattia sistemica. SspA e SspC attivano le GTPasi Rho, Rac e Cdc42, che causano riorganizzazione dell’actina nel citoscheletro e internalizzazione del batterio mediante micropinocitosi. La stimolazione di Cdc42 attiva la via delle MAPK (Erk, Jnk, p38), con attivazione dei fattori di trascrizione AP1 e NFkB, che causano la produzione di citochine proinfiammatorie (come IL8, che stimola la migrazione dei leucociti e la risposta infiammatoria che causa diarrea).


cambiamenti nella cellula ospite dovuti a SPI1

formazione di SCV e induzione di SPI2


Le salmonelle riconoscono l’ambiente acido del SCV, con induzione di sistemi regolatori che promuovono la sopravvivenza cellulare tramite il rimodellamento delle proteine di superficie. Questi sistemi regolatori conferiscono resistenza a peptidi antimicrobici e allo stress ossidativo. L’ambiente acido del fagosoma ha una concentrazione di calcio e magnesio di 1mM, e contiene peptidi, ROS e RNS; il sensore PhoQ riconosce queste caratteristiche e scatena la trasduzione del segnale.

meccanismi di piroptosi e apoptosi

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Miv Principali Batteri Patogeni