細胞溶解素

細胞溶解素とは、微生物、植物、動物が分泌する物質で、個々の細胞に対して特異的に毒性があり、^{[1] [2]}多くの場合、細胞を溶解させて溶解させます。特定の細胞に対して特異的な作用を持つ細胞溶解素は、それに応じて名前が付けられています。たとえば、赤血球を破壊してヘモグロビンを放出する細胞溶解素は、溶血素などと呼ばれます。 ^{[3]細胞溶解素は、}毒だけでなく免疫にも関与している可能性があります。

溶血素は、リステリア・モノサイトゲネスなどの特定の細菌によっても使用され、マクロファージの食胞膜を破壊し、細胞の細胞質に逃げ出します。

「細胞溶解素」または「細胞溶解毒素」という用語は、細胞に対して細胞溶解効果を持つ膜損傷毒素 (MDT) を説明するために、アラン・バーンハイマーによって初めて導入されました。 ^[4]発見された最初の種類の細胞溶解毒素は、ヒトなどの特定の感受性種の赤血球に溶血効果を持ちます。このため、「溶血素」は、MDT を説明するために最初に使用されました。1960 年代に、特定の MDT が白血球など赤血球以外の細胞に破壊的であることが証明されました。その後、バーンハイマーは「溶血素」の代わりに「細胞溶解素」という用語を導入しました。細胞溶解素は、細胞を溶解させることなく膜を破壊することができます。 ^{[5]したがって、「膜損傷毒素」(MDT) は、細胞溶解素の基本的な作用を説明します。細胞溶解素は、すべての}細菌タンパク質毒素の 1/3 以上を構成します。細菌性タンパク質毒素は、ヒトに対して非常に有毒である可能性があります。例えば、ボツリヌス菌はヒトに対してヘビ毒よりも3x10 ^{5毒性が強いですが、その毒性}量はわずか0.8x10 ⁻⁸  mgです。^[6]エンテロコッカス・フェカリス、^[7]ブドウ球菌、ウェルシュ菌など、さまざまなグラム陽性菌とグラム陰性菌が、細胞溶解素を病気を引き起こす主な武器として使用します。

細胞溶解素については多様な研究が行われてきました。1970年代以降、40を超える新しい細胞溶解素が発見され、さまざまなファミリーに分類されました。^[8]遺伝子レベルでは、約70の細胞溶解素タンパク質の遺伝子構造が研究され、公開されています。^[9]膜損傷の詳細なプロセスも調査されています。Rossjohnらは、真核細胞に膜穴を作るチオール活性化細胞溶解素であるパー​​フリンゴリシンOの結晶構造を提示しています。膜挿入メカニズムを明らかにする膜チャネル形成の詳細なモデルが構築されています。^{[10] Shaturskyらは、}病原性ウェルシュ菌によって産生されるコレステロール依存性孔形成細胞溶解素であるパー​​フリンゴリシンO（PFO）の膜挿入メカニズムを研究しました。ポリペプチドごとに1つの両親媒性βヘアピンを使用する代わりに、PFOモノマーは2つの両親媒性βヘアピンを含み、それぞれが膜全体に広がっています。ラリーらは、多くのグラム陰性細菌が分泌するMDTファミリーであるRTX毒素の膜透過モデルに焦点を当てました。RTXから標的脂質膜へのタンパク質の挿入と輸送プロセスが明らかになりました。 ^[11]

膜損傷性細胞溶解素は、その損傷メカニズムに基づいて 3 つのタイプに分類できます。

• 細胞溶解素は、真核細胞の二重膜を攻撃し、リン脂質を溶解します。代表的な細胞溶解素には、C. perfringens α-毒素 (ホスホリパーゼ C)、S. aureus β-毒素 (スフィンゴミエリナーゼ C)、Vibrio damsela (ホスホリパーゼD) などがあります。Farlane らは 1941 年に C. perfringens α-毒素の分子メカニズムを発見し、細菌タンパク質毒素に関する先駆的な研究となりました。
• 細胞溶解素は膜の疎水性領域を攻撃し、「洗剤」のように作用します。このタイプの例としては、 Straphylococcus aureus、S. haemolyticus、S. lugdunensis由来の 26 アミノ酸 δ 毒素、 Bacillus subtilis毒素、およびPseudomonas aeruginosa由来の細胞溶解素などがあります。
• 標的細胞の膜に孔を形成する細胞溶解素。このタイプの細胞溶解素は孔形成毒素（PFT）としても知られ、すべての細胞溶解素の中で最も多くを占めています。このタイプの例としては、クロストリジウム・パーフリンゲンス菌由来のパーフリンジオリシンO 、大腸菌由来のヘモリシン、リステリア・モノサイトゲネス由来のリステリオリシンなどがあります。このタイプの細胞溶解素の標的は、一般的な細胞膜からコレステロールや食細胞膜などのより特定の微生物まで多岐にわたります。^[6]

孔形成性細胞溶解素（PFC）は、膜損傷性細胞溶解素全体の約65％を占めています。^[8]最初の孔形成性細胞溶解素は、1972年にマンフレッド・マイヤーによって赤血球のC5 - C9挿入部位で発見されました。 ^[12] PFCは、細菌、真菌、さらには植物など、さまざまな源によって生成されます。^[13] PFCの病原性プロセスでは通常、標的細胞の膜にチャネルまたは孔が形成されます。孔には多くの構造があることに注意してください。ポリンのような構造は、特定のサイズの分子を通過させます。電界は孔全体に不均一に分布し、通過できる分子を選択します。^{[14]このタイプの構造は、}ブドウ球菌α溶血素 で示されています。 ^[15]膜融合によって孔が形成されることもあります。Ca ²⁺によって制御され、小胞の膜融合によりプロテオリピドから水で満たされた孔が形成される。^[16]パーフォリンなどの孔形成細胞溶解素は、細胞傷害性キラーT細胞やNK細胞で感染細胞を破壊するために使用される。

より複雑な孔形成プロセスには、いくつかの PFCモノマーのオリゴマー化プロセスが含まれます。孔形成プロセスは、3 つの基本的なステップで構成されます。最初に、特定の微生物によって細胞溶解素が生成されます。大腸菌によって生成されるコリシンの場合のように、生成生物は、そのような細胞溶解素を放出するために、自身の膜に孔を作成する必要がある場合があります。この段階で、細胞溶解素は水溶性の状態でタンパク質モノマーとして放出されます。^[17]細胞溶解素は、生成する宿主にとっても毒性がある場合が多いことに注意してください。たとえば、コリシンはいくつかの酵素を使用して細胞の核酸を消費します。 [18]このような毒性を防ぐために、宿主細胞は、細胞溶解素が内部に損傷を与える前に結合するための免疫タンパク質を生成します。 [ ^{8 ]}

2 番目のステップでは、細胞溶解素は膜上の「受容体」と一致することで、標的細胞膜に付着します。受容体のほとんどはタンパク質ですが、脂質や糖などの他の分子である場合もあります。受容体の助けを借りて、細胞溶解素モノマーは互いに結合し、オリゴマーのクラスターを形成します。この段階で、細胞溶解素は水溶性モノマー状態からオリゴマー状態への移行を完了します。

最後に、形成された細胞溶解素クラスターは標的細胞の膜を貫通し、膜孔を形成します。これらの孔のサイズは、1～2 nm ( S. aureus α-毒素、E. coli α-溶血素、Aeromonas aerolysin ) から 25～30 nm (ストレプリシンO、ニューモリシン) までさまざまです。

孔の形成方法に応じて、孔形成細胞溶解素は 2 つのカテゴリに分類されます。αヘリックスで孔を形成する細胞溶解素は α-PFT (孔形成毒素) と呼ばれます。βバレル構造で孔を形成する細胞溶解素はβ-PFT と呼ばれます。一般的な α-PFT と β-PFT の一部を以下の表に示します。

孔形成性細胞溶解素の致死効果は、単一細胞内で流入と流出の障害を引き起こすことによって発揮される。Na ⁺などのイオンが通過できる孔は、標的細胞内でイオンバランス能力を超える不均衡を引き起こす。そのため、攻撃を受けた細胞は溶解に拡大する。^[19]標的細胞膜が破壊されると、細胞溶解素を生成する細菌は、鉄やサイトカインなどの細胞内要素を消費することができる。^[8]標的細胞の重要な構造を分解する酵素の中には、障害なく細胞内に侵入できるものがある。

細胞溶解素の 1 つの特定のタイプは、コレステロール依存性細胞溶解素(CDC) です。CDC は多くのグラム陽性細菌に存在します。CDC の細孔形成プロセスでは、標的細胞膜上にコレステロールが存在する必要があります。CDC によって作成される細孔サイズは、細胞溶解素のオリゴマー化プロセスのため、大きく (25～30 nm) なります。接着段階ではコレステロールが必ずしも必要ではないことに注意してください。たとえば、インターメディリシンは、標的細胞に付着するときにタンパク質受容体の存在のみを必要とし、細孔形成にはコレステロールが必要です。^[20] CDC による細孔の形成には、上で分析した手順に加えて、追加の手順が含まれます。水溶性モノマーがオリゴマー化して「プレポア」複合体と呼ばれる中間生成物を形成し、次に β バレルが膜に浸透します。^[20]

• 溶血（微生物学）
• チオール活性化細胞溶解素
• イソギンチャク細胞傷害性タンパク質