ジフテリア毒素

ジフテリア毒素は、主にジフテリア菌（Corynebacterium diphtheriae）（ただし、Corynebacterium ulceransおよびCorynebacterium pseudotuberculosisも含む）によって分泌される外毒素であり、ジフテリアを引き起こす病原性細菌である。毒素遺伝子は、コリネファージβと呼ばれるプロファージ^{[注釈1 ]}によってコードされている。^{[ 1 ] [ 2 ]}この毒素は、細胞質に侵入してタンパク質合成を阻害する ことにより、ヒトに病気を引き起こす。^{[ 3 ]}

ジフテリア毒素は、ジスルフィド結合で連結された2つのサブユニットからなる535個のアミノ酸の単一ポリペプチド鎖であり、AB毒素として知られています。Bサブユニット（2つのサブユニットのうち不安定な方）が細胞表面に結合することで、Aサブユニット（タンパク質のより安定した部分）が宿主細胞に侵入できるようになります。^{[ 4 ]}

ジフテリア毒素ホモダイマーの結晶構造は2.5オングストロームの分解能で決定された。この構造は3つのドメインからなるY字型の分子を示している。フラグメントAは触媒Cドメインを含み、フラグメントBはTドメインとRドメインから構成されている。^{[ 5 ]}

• アミノ末端触媒ドメインはCドメインとして知られており、珍しいβ+αフォールドを持つ。^{[ 6 ]} Cドメインは、NADからADPリボースを真核生物伸長因子2 （eEF-2）のジフタミド残基に転移させることでタンパク質合成を阻害する。^{[ 7 ] [ 3 ]}
• TドメインまたはTMドメインとして知られる中心転座ドメインは、アミノ末端に2つの追加のヘリックスを持つ多重ヘリックスグロビン様フォールドを持つが、最初のグロビンヘリックスに対応するものはない。このドメインは膜内で展開すると考えられている。^{[ 8 ]} TドメインのpH誘導コンフォメーション変化がエンドソーム膜への挿入を引き起こし、Cドメインの細胞質への輸送を促進する。^{[ 7 ] [ 3 ]}
• Rドメインとして知られるカルボキシ末端受容体結合ドメインは、ギリシャ鍵トポロジーを持つ2枚のシートに9本のストランドからなるβサンドイッチフォールドを持ち、免疫グロブリン様フォールドのサブクラスである。^{[ 6 ]} Rドメインは細胞表面受容体に結合し、受容体介在性エンドサイトーシスによって毒素が細胞内に入ることを可能にする。^{[ 7 ] [ 3 ]}

ジフテリア毒素は、酵素NAD(+)-ジフタミドADP-リボシルトランスフェラーゼ（EC 2.4.2.36 ）と同じ作用機序を持つ。NAD ⁺からADP-リボシル基を転移させることにより、eEF-2中の特異なアミノ酸であるジフタミドのADPリボシル化を触媒する。ジフタミドのADPリボシル化はeEF-2タンパク質を不活性化し、 mRNAの翻訳を阻害する。触媒される反応は以下の通りである。

NAD ⁺ + ペプチドジフタミド${\displaystyle \rightleftharpoons }$ニコチンアミド+ ペプチドN -(ADP-D-リボシル)ジフタミド。

緑膿菌の外毒素Aも同様の作用機序を用いる。

毒性発生に関わる手順は以下のとおりです。

1. 処理
   1. リーダー領域は分泌過程で切断される。
   2. タンパク質分解による切断によってAサブユニットとBサブユニットが分離されるが、これらは細胞質に到達するまでジスルフィド結合によって結合したままである。
2. この毒素はヘパリン結合性上皮成長因子前駆体（HB-EGF）に結合する。^{[ 9 ]： 116}
3. この複合体は宿主細胞によってエンドサイトーシスされる。
4. エンドソーム内部の酸性化は、Aサブユニットの細胞質への移行を誘導する。
   1. ジスルフィド結合が切断される。
   2. Bサブユニットはエンドソーム内に孔として留まる。
5. Aサブユニットは宿主のeEF-2をADPリボシル化する。eEF -2はタンパク質合成に必須であり、Aサブユニットが不活性化されると、宿主はタンパク質を合成できなくなり、死に至る。

ジフテリア毒素は非常に強力です。^{[ 4 ]}人間の致死量は 体重1kgあたり約0.1μgの毒素です。死因は心臓と肝臓の壊死です。^{[ 10 ]}ジフテリア毒素は心筋炎の発症にも関連しています。ジフテリア毒素による二次性心筋炎は、予防接種を受けていない子供にとって最大の危険の1つと考えられています。

ジフテリア毒素は1888年にエミール・ルーとアレクサンドル・イェルサンによって発見されました。1890年、エミール・アドルフ・フォン・ベーリングは弱毒化細菌で免疫した馬の血液を基に抗毒素を開発しました。^{[ 11 ]} 1951年、フリーマンは毒素遺伝子が細菌染色体ではなく、すべての毒素産生株に感染する溶原性ファージ（コリネファージβ）^{[ 2 ]}によってコードされていることを発見しました。^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

デニロイキン・ジフチトックスという薬剤は、抗腫瘍剤としてジフテリア毒素を使用している。

Resimmuneは、皮膚T細胞リンパ腫患者を対象とした臨床試験中の免疫毒素です。これは、 CD3εに対する抗体（UCHT1）に結合したジフテリア毒素（細胞結合ドメインで切断されたもの）を使用しています。^{[ 15 ]}

他のAB毒素と同様に、ジフテリア毒素は、通常は大きなタンパク質に対して不透過性である哺乳類細胞膜を介して外来タンパク質を輸送することに長けている。この独自の能力は、毒素の触媒ドメインの代わりに治療用タンパク質を送達するために再利用することができる。^{[ 16 ] [ 17 ]}

この毒素は、神経科学や癌の研究において、ジフテリア毒素受容体（ヘパリン結合性EGF様成長因子）を発現する特定の細胞集団を除去するためにも使用されている。この受容体を自然に発現しない生物（例えばマウス）に毒素を投与すると、この受容体を発現する細胞集団が選択的に除去される。^{[ 18 ] [ 19 ]}

• 米国国立医学図書館の医学主題見出し（MeSH）におけるジフテリア＋毒素