LES TXINES PRTEIQUES BACTERIENNES Deux types de toxines bactériennes Romain Volmer ENVT r.volmer@envt.fr 1) le LPS = endotoxine constituant de la membrane externe des bactéries Gram nature lipopolysaccharidique libéré pendant la croissance et les divisions bactériennes produit en grande quantité lors de la dégradation des bactéries 2) les toxines protéiques synthétisées par les bactéries Gram + et Gram - protéines de haut poids moléculaire habituellement sécrétées par les bactéries vivantes ou lors de la lyse Émile Roux Gaston Ramon Classification des toxines protéiques bactériennes Classification en fonction de : bactérie productrice de la toxine toxine diphtérique (Corynebacterium diphteriae), toxine tétanique (Clostridium tetani) type de cellule cible de la toxine action sur une variété é de type cellulaire l : cytotoxine action plus spécifique : neurotoxine, leucotoxine, hépatotoxine, entérotoxine type d activité de la toxine adénylate cyclase ( production d AMPc) de Bordetella pertussis lécithinase de Clostridium perfringens Biographies très succinctes : Emile Roux : http://www.pasteur.fr/infosci/archives/rou0.html Gaston Ramon : http://www.pasteur.fr/infosci/archives/ram0.html mécanisme d action de la toxine = classification que nous allons décrire Mécanismes d action des toxines toxines de type I : pas internalisées, agissent en se fixant sur des protéines membranaires. toxines de type II : destruction des membranes cellulaires Toxines de type I Exemple des superantigènes Structure tridimensionnelle de l association entre le superantigène SpeA1 et le TCR et le CMH II TCR toxines de type III ou toxines A-B : elles comportent deux parties A et B B = liaison à un récepteur cellulaire spécifique et internalisation A = partie enzymatique qui agit sur des protéines intracellulaires Exotoxine A de Streptococcus pyogenes (SpeA1) = superantigène SpeA1 toxines injectées : injectées directement dans les cellules eucaryotes par l appareil de sécrétion de type III des bactéries CMH II Papageorgiou et al., EMB Journal 1999 1
Toxines de type II = toxines détruisant les membranes cellulaires Toxines de type II : activité phospholipase Fonctions : C - CH 2 C - CH C - CH 2 C - CH échappement à la réponse immunitaire H 3- + toxine H 3P 4 2 C P R H 2 C H + phospholipase RH diffusion des bactéries source de nutriments pôle hydrophile toxine liaisons hydrophobes phospholipase pôle hydrophile membrane stable membrane instable lyse cellulaire Toxines de type II : formation d un pore Toxines de type II : formation d un pore Exemple de l alpha-hémolysine de Staphylococcus aureus milieu extracellulaire : osmolarité faible toxine formant un pore ions Toxine Facteur de virulence important de S. aureus : gène chromosomique présent dans la plupart des souches de S. aureus spectre très large milieu intracellulaire : osmolarité élevée H 2 gonflement de la cellule et lyse Pouvoir pathogène in vivo : létale à dose faible (µg) dermonécrotique neurotoxique Toxines de type II : formation d un pore Exemple de l alpha-hémolysine de Staphylococcus aureus Alpha-hémolysine de Staphylococcus aureus Heptamère : structure tridimensionnelle Mécanisme d action : excrété sous forme de monomère liaison aux membranes cellulaires formation d un dun heptamère pore membranaire Engelmann, Science 1999 2
Toxines de type III = toxines binaires ou toxines A-B Toxines en deux parties : A + B B = liaison à un récepteur cellulaire spécifique et capacité d internalisation cellulaire A = partie enzymatique qui agit sur des protéines intracellulaires Nombreuses associations possibles entre A et B Toxines de type III : mécanismes d action Trois étapes : 1. Excrétion : A et B sont excrétées ensemble ou peuvent s associer dans le milieu extracellulaire 2. Liaison cellulaire : B se fixe sur un récepteur A B S ou ou 3. Internalisation : accès de A au cytoplasme Liaison covalente ou non-covalente entre A et B Toxines de type III : toxine binaire A-B Exemple des toxines de Bacillus anthracis Toxines de type III : toxine binaire A-B Exemple des toxines de Bacillus anthracis Deux parties A enzymatiques : LF (facteur létal) : protéase qui clive des protéines importantes pour la signalisation cellulaire EF (facteur oedématogène) : adénylcyclase qui produit de l AMPc et provoque un déséquilibre hydrique Une partie B : PA (antigène protecteur) : indispensable pour la reconnaissance des récepteurs cellulaires et l internalisation de LF et EF Ces trois protéines sont codées par des gènes portés par le plasmide px1 Excrétion : LF et EF ne sont pas excrétés en même temps que PA Liaison cellulaire : Fixation de PA à son récepteur active une enzyme clivage d une partie de PA formation d un heptamère de PA fixation de LF et EF PA + LF PA + EF Toxines de type III : toxine binaire A-B Internalisation : Exemple des toxines de Bacillus anthracis Toxines injectées Injection de protéines bactériennes directement dans les cellules eucaryotes grâce à l appareil de sécrétion de type III. Appareil de sécrétion de type III : «seringue» bactérienne Abrami et al., Trends in Microbiology 2005 J.E. Galán, A. Collmer, Science 21 May 1999 3
Comparaison endotoxine et toxines protéiques Comparaison endotoxine et toxines protéiques Endotoxines Toxines protéiques Endotoxines Toxines protéiques Composant de la paroi des bactéries Gram -, libéré lors de la lyse des bactéries et également lors de la croissance des bactéries Nature lipopolysaccharidique Composant toxique : le lipide A Produites par les bactéries bactéries Gram + et Gram vivantes ou lors de la lyse Nature protéique, habituellement poids moléculaire élevé Composant de la paroi des bactéries Gram -, libéré lors de la lyse des bactéries et également lors de la croissance des bactéries Nature lipopolysaccharidique Composant toxique : le lipide A Produites par les bactéries bactéries Gram + et Gram vivantes ou lors de la lyse Nature protéique, habituellement poids moléculaire élevé Thermostable Détruit par la chaleur Formation d anatoxines par l action dénaturante de la chaleur et du formol Thermostable Détruit par la chaleur Formation d anatoxines par l action dénaturante de la chaleur et du formol Puissant pyrogène (induit l interleukine 1) cf. soluté apyrogène = «sans LPS» Non pyrogène Puissant pyrogène (induit l interleukine 1) cf. soluté apyrogène = «sans LPS» Non pyrogène Activité toxique généralisée et non spécifique Puissant toxique, pourvu habituellement d une activité spécifique Activité toxique généralisée et non spécifique Puissant toxique, pourvu habituellement d une activité spécifique Lipide A faiblement antigénique Pas d anticorps neutralisants Fort pouvoir antigénique (cf. anatoxines) Induction d anticorps neutralisants Lipide A faiblement antigénique Pas d anticorps neutralisants Fort pouvoir antigénique (cf. anatoxines) Induction d anticorps neutralisants Toxines protéiques = Puissant toxique, pourvu habituellement d une activité spécifique Toxines puissantes : poisons biologiques les plus puissants Les neurotoxines botuliques et tétaniques Activité spécifique : Activité enzymatique de type protéase très spécifique Botulisme Toxines produites par les bactéries du genre Clostridium Clostridium botulinum produit 7 neurotoxines : 8 toxines botuliques (A-F) Botulisme Clostridium tetani produit 1 neurotoxine : 1 toxine tétanique Tétanos Étiologie : Contamination alimentaire Intoxination : maladie due à l ingestion de toxines botuliques produites par Clostridium botulinum Toxi-infection infection : ingestion de spores de Clostridium botulinum Toxines ou spores dans les cadavres d animaux qui sont consommés volontairement ou accidentellement (fourrages) par les animaux 4
Botulisme Tétanos Prof. W. Klee Tierärztliche Fakultät München Films disponibles : http://www.vetmed.uni-muenchen.de/med2/skripten/videos/v10-2-1.mpg http://www.vetmed.uni-muenchen.de/med2/skripten/videos/v10-2-3.mpg Contamination d une plaie par des spores de Clostridium tetani En condition anaérobie, multiplication de Clostridium tetani Prof. W. Klee Tierärztliche Fakultät München n Film disponible : http://www.vetmed.uni-muenchen.de/med2/skrip pten/videos/v8-8-1.mpg Tétanos Botulisme et tétanos Deux affections neurologiques «opposées» : Botulisme : paralysie flasque Tétanos : paralysie spastique Et pourtant les toxines botuliques et la toxine tétanique sont très proches Dr C. Villemonte (ENVT) Mécanisme d action Les sept toxines botuliques (A à G) et la toxine tétanique ont une structure très proche : Activité enzymatique de la partie enzymatique L activité protéase très spécifique : cible + sites de clivage clivage de protéines indispensables pour le recyclage des vésicules synaptiques L H H N H C N C S S = toxines binaires : partie L : métalloprotéase dépendant du Zn 2+ partie H : H C liaison aux cellules cibles et endocytose H N translocation de L dans le cytoplasme Lacy et al., J. Mol. Biol. 1999 synaptobrévine syntaxine SNAP-25 BLCAGE DE LA LIBERATIN DE NEURTRANSMETTEURS Humeau et al., Biochimie 2000 5
La toxine botulique B et la toxine tétanique ont exactement la même cible : synaptobrévine. Elles clivent cette protéine au niveau du même résidu. Mœlle épinière Fibre musculaire Substance grise Racine dorsale Ganglion dorsal Synapse neuromusculaire Pourquoi : botulisme paralysie flasque & tétanos paralysie spastique? Racine ventrale Neurone moteur Neurone inhibiteur tétanos paralysie spastique blocage de la libération du neurotransmetteur au niveau du neurone inhibiteur central Muscle botulisme paralysie flasque blocage de la libération d acétylcholine au niveau de la jonction neuromusculaire Neurone inhibiteur Passage transynatique Applications thérapeutiques des toxines botuliques Toxine tétanique : activité au niveau de la synapse inhibitrice centrale Transport rétrograde de la toxine tétanique Toxine tétanique Vésicules synaptiques Neurone moteur Synapse neuromusculaire Toxine botulique : activité au niveau de la synapse neuromusculaire Injection (< 10-12 mol) de toxine botulique : efficacité de quelques mois environ pour la toxine A traitements des contractures et douleurs musculaires blépharospasme, p strabisme traitements des atteintes du système nerveux : nerf VII, dysfonctionnement appareil urinaire transpiration axillaire excessive cosmétique 6