Issuu

��

INFEKÈNÍ CHOROBY A INTRACELULÁRNÍ PARAZITISMUS BAKTERIÍ Hlavní autor: Prof. RNDr. Ale Macela, DrSc. Autorský kolektiv: Doc. MUDr. Jiøí Stulík, CSc. RNDr. Ilja Trebichavský, CSc. RNDr. Michal Kroèa, Ph.D. Mgr. Sylva Janovská, Ph.D. Recenzenti: Ing. Peter ebo, CSc. Prof. MVDr. Jiøí Smola, CSc. © Grada Publishing, a.s., 2006 Cover Photo © profimedia.cz/CORBIS Ilustrace dodal hlavní autor. Vydala Grada Publishing, a.s. U Prùhonu 22, Praha 7 jako svou XXXX. publikaci Odpovìdný redaktor Mgr. Bo ena Barto ová Sazba a zlom Bla ena Posekaná Poèet stran 216 1. vydání, Praha 2006 Vytiskly Tiskárny Havlíèkùv Brod, a.s. Husova ulice 1881, Havlíèkùv Brod Názvy produktù, firem apod. pou ité v knize mohou být ochrannými známkami nebo registrovanými ochrannými známkami pøíslu ných vlastníkù, co není zvlá tním zpùsobem vyznaèeno. Postupy a pøíklady v této knize, rovnì tak informace o lécích, jejich formách, dávkování a aplikaci jsou sestaveny s nejlep ím vìdomím autorù. Z jejich praktického uplatnìní ale nevyplývají pro autory ani pro nakladatelství ádné právní dùsledky. V echna práva vyhrazena. Tato kniha ani její èást nesmìjí být ádným zpùsobem reprodukovány, ukládány èi roz iøovány bez písemného souhlasu nakladatelství. ISBN 80-247-0664-4 (tištěná verze)

ISBN 978-80-247-6338-5 (elektronická verze ve formátu PDF) © Grada Publishing, a.s. 2011

Obsah Seznam pou itých zkratek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Pøedmluva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Úvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

OBECNÁ ÈÁST. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1 Vztah mikroorganismù a jejich hostitelù je dán koevolucí obou organismù . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2 Adheziny a receptory urèují specifitu vzájemné interakce bakterie a hostitele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3 Bakterie aktivnì pronikají do hostitelských bunìk . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4 Bakterie rozpoznávají prostøedí, ve kterém ijí. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 5 Sekreèní systémy jsou komunikaèním kanálem mezi bakterií a hostitelskou buòkou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 6 Secernované bakteriální molekuly ovlivòují osud interakce mikrob hostitel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 7 Bakterie zabíjejí a opou tìjí vyèerpané hostitelské buòky . . . . . . . . . . . . 65 8 Doslov k obecné èásti. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Literatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

SPECIÁLNÍ ÈÁST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 1 Intracelulární bakterie øídí svùj osud v hostitelské buòce . . . . . . . . . . . . 89 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

2 Brucella melitensis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 2.1 Úvod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 2.2 Interakce s hostitelskou buòkou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 2.3 Molekulární aspekty interakcí mikrobù Brucella melitensis s eukaryotickou buòkou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 3 Francisella tularensis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 3.1 Úvod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 3.2 Interakce Francisella tularensis s hostitelskou buòkou . . . . . . . . . . . 114 3.3 Molekulární aspekty interakcí Francisella tularensis s eukaryotickou buòkou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4 Legionella pneumophila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.1 Úvod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.2 Interakce s hostitelskou buòkou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 4.3 Molekulární aspekty interakcí Legionella pneumophila s hostitelskými buòkami . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 5 Listeria monocytogenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 5.1 Úvod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 5.2 Interakce s hostitelskou buòkou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 5.3 Molekulární aspekty interakcí s eukaryotickou buòkou . . . . . . . . . . . 141 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 6 Mykobakterie komplexu Mycobacterium tuberculosis . . . . . . . . . . . . . . 155 6.1 Úvod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.2 Interakce Mycobacterium tuberculosis s hostitelským organismem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 6.3 Interakce s hostitelskou buòkou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6.4 Znaky mykobakteriální virulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 6.5 Mykobakteriální genom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 6.6 Exprese mykobakteriálního genomu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 6.7 Mykobakteriální proteiny a virulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 6.7.1 Proteiny sekretované do vnìj ího prostøedí . . . . . . . . . . . . . . 164 6.7.2 Slo ky bunìèné stìny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 6.7.3 Enzymy úèastnící se obecného bunìèného metabolismu . . . . 167 6.7.4 Biosyntéza aminokyselin a purinù . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

6.7.5 Pøíjem kovù . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 6.7.6 Proteiny anaerobní respirace a oxidativního stresu. . . . . . . . . 169 6.7.7 Transkripèní regulátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 6.7.8 Dvoukomponentové signální systémy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 6.7.9 Dal í regulátory genové exprese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 7 Salmonella enterica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 7.1 Obecná charakteristika. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 7.2 Interakce bakterií rodu Salmonella s hostitelem . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 7.3 Interakce s hostitelskými buòkami . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 7.4 Molekulární aspekty interakcí mikrobù Salmonella s eukaryotickou buòkou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 7.5 Salmonella a imunitní systém hostitele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Závìr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 Rejstøík . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

Infekèní choroby a intracelulární parazitismus bakterií

Seznam pou itých zkratek ABC protein ATP binding cassette protein Acp acid phosphatase ActA actin binding protein A agr accessory gene regulator AHL N-acyl homoserin lakton Apaf apoptotic protease activating factor Asp asparagová kyselina, respektive její zbytek v sekvenci proteinu ATP adenozin trifosfát CARD caspase recruitment domain ccm cytochrome c maturation CD cluster of differentiation povrchové leukocytární znaky CwhA cell wall hydrolase A DISC death-inducing signaling complex dot defect in organelle trafficking DNA deoxyribonukleová kyselina enh enhanced entry FADD Fas-associated death domain FasL liganda Fas receptoru GALT gut associated lymphatic tissue Gsp global stress protein HilA hiperinvasive locus A His histidin, resp. jeho zbytek v sekvenci proteinu Hly gen pro lysteriolyzin HTH helix-turn-helix jedna z funkèních domén proteinù iap invasion-associated protein icm intracellular multiplication IFN interferon igl intracellular growth locus Inc inclusion membrane protein Inl internalin Ipa invasion plasmid antigen Shigella flexneri kDa kilo Dalton jednotka molekulové hmotnosti LAMP lysosomal associated membrane protein LBP lipopolisacharid binding protein Lcr low-calcium response jeden z transkripèních regulátorù

Seznam pou itých zkratek

LLO LPS LRR lsp lvh LVS MAC MAPK Mfp mil mip mgl MOMP mRNA NTP Omp ORF Paf pag PAS PI Plc p.o. Prf PTP Rab rcp Rel RNA RNI ROI sar SCID

lysteriolyzin O lipopolysacharid leucine rich repeats Legionella secretion pathway Legionella vir homologues live vaccine strain ivý vakcinaèní kmen membrane attacking complex mitogen activated protein kinase mating pair formation macrophage infectivity locus macrophage infectivity potentiator macrophage growth locus major outer membrane protein messenger ribonukleová kyselina nukleosidn-trifosfát outer membrane protein open reading frames otevøený ètecí rámec PrfA-activating factor PhoP-activated gene akronym pro jednu z domén vytvoøenou z názvù jiných proteinù PER, ARNT, SIM pathogenicity island fosfolipáza per os peptide chain releasing factor -1 permeability transition pore small ras-like GTP-binding proteiny rezistance to cationic antimicrobial peptides reticuloendotheliosis onkogen transkripèní faktor ribonukleová kyselina reaktivní dusíkové intermediáty reaktivní intermediáty kyslíku staphylococcal accessory gene regulator severe combined immunodeficiency syndrom syndrom získané kombinované imunodeficience Salmonella-containing vacuole

SCV sec-dependentní nebo sec-závislý závislý na sekreèním signálu (secretory system signal)

Sif Sip SOD SPI SRP Srt Ssp Syc TAT TBC TLR TNF TNFR TPS TTSS tzv. VASP VDAC Vir Yop Ysc

Infekèní choroby a intracelulární parazitismus bakterií

Salmonella induced filaments Salmonella invasion protein superoxid dismutáza Salmonella pathogenicity island signal recognition particles sortáza stringent starvation protein specific Yop chaperone twin-arginine translocation systém tuberkulóza Toll like receptor tumor necrosis factor tumor necrosis factor receptor two-partner secretion system type three secretion system sekreèní systém typu III takzvané vasodilator-stimulated phosphoprotein voltage-dependent anion channel virulence proteins pùvodnì slo ky promiskuitního transportního systému Agrobacterium tumefaciens Yersinia outer protein Yersinia secretion

Poznámka: V seznamu zkratek jsou uvedeny v publikaci opakovanì pou ívané zkratky, ostatní názvy genù èi proteinù jsou uvádìny pouze v textu. U ménì obvyklých zkratek je zvýraznìn pùvod zkratky podtr enou kurzívou.

Pøedmluva

Pøedmluva Tato publikace vznikla na základì potøeby studentù Proteomového centra pro studium intracelulárního parazitismu bakterií zamìøených na genomické a proteomické studie, orientovat se ve funkèních charakteristikách jednotlivých komponent mikroorganismù, které podmiòují utváøení vzájemných vztahù mikroorganismus hostitel a mají vztah k expresi znaku virulence èi podmiòují vznik patogenetických pochodù v hostitelském organismu. Intracelulární bakteriální patogeny jsou rùznorodou skupinou mikroorganismù vyvolávajících velice záva né infekce, proti nim má souèasná medicína pouze omezené mo nosti obrany. Tento fakt pramení z na eho dosud nedokonalého poznání molekulární podstaty parazitických vztahù èlenù této skupiny bakterií na stranì jedné, na stranì druhé z omezených znalostí spektra indukovaných obranných mechanismù hostitele, regulace a exprese bunìèných funkcí vedoucích k protektivní imunitní odpovìdi. Autoøi této publikace se domnívají, e jednou z mo ností, jak pøispìt k lep ímu pochopení vzájemných vztahù intracelulárních bakteriálních patogenù a jejich hostitelù (vèetnì vektorù), je dokonalé zmapování mo ností exprese mikrobních genù za podmínek, které odpovídají v koevoluci vytvoøených vztahù prokaryotických a eukaryotických bunìk a poznání bunìèných struktur èi organel, je se dìjù indukovaných vzájemnou interakcí úèastní. Literární prameny týkající se molekulární podstaty vztahù intracelulárních bakterií a jejich hostitelù jsou velice skoupé na informace umo òující pochopit celý vztah v jeho komplexnosti. Proto byli autoøi tohoto textu nuceni v obecné èásti pou ít k vysvìtlení nìkterých základních dìjù pøi kontaktu mikroorganismu s bunìènými systémy hostitelù odkazy na informace získané ze studia extracelulárních bakterií, u nich jsou tyto vztahy i jednotlivé bunìèné funkèní systémy popsány lépe. Autoøi se domnívají, e poznatky odvozené z jiných bakteriálních patogenù mohou být, vzhledem ke znaèné konzervativnosti molekul a bakteriálních funkèních systémù, u iteèné i k pochopení vztahu intracelulárních bakteriálních patogenù a jejich hostitelù. Ve speciální èásti jsou pak uvedeny pøíklady nìkolika typù intracelulárních bakteriálních patogenù, které se li í ve strategii parazitického vztahu k hostiteli a mají nìkteré unikátní molekulární èi strukturální slo ky, které striktnì definují jejich vztah k bunìèným systémùm hostitelù.

Infekèní choroby a intracelulární parazitismus bakterií

Autoøi této publikace vìøí, e zde ètenáøi najdou u iteèné informace umo òující lep í orientaci ve slo ité problematice vztahù mikroorganismù a makroorganismù týkající se omezené skupiny bakterií s vyhranìným ivotním stylem a doufají, e tyto informace jim usnadní dal í vìdeckou práci v oblasti mikrobiologie, imunologie, epidemiologie èi molekulární biologie.

Úvod

Úvod Vznik bakteriálních infekcí, aè se zdá být z pozice bakterie velice jednoduchý, je slo itý proces, kterého se úèastní jak molekulární struktury bakteriálních bunìk a jejich regulaèní mechanismy, tak strukturní a regulaèní slo ky bunìk hostitelských. Tento multifaktorový proces lze rozdìlit na nìkolik postupných krokù, které jsou charakterizovány úèastí vymezených skupin bakteriálních èi hostitelských molekul. V prvé øadì musí bakterie vstoupit do pøímého kontaktu s hostitelskými bunìènými systémy prostøednictvím adhezních molekul nebo ligandù receptorových struktur. Následují reakce obou ivých organismù zprostøedkované systémy pøenosu signálù, je vedou k alteraci jejich genové exprese i zmìnì signálních systémù samotných. Pro úspì ného patogena je výsledkem tìchto promìn jeho schopnost mno it se v preferovaných tkáních èi nitrobunìèných prostorách hostitele. Zvy ující se mno ství mikrobù èi jejich slo ek v organismu vede k aktivaci obranných reakcí hostitele, které vytváøejí nepøíznivé prostøedí pro dal í setrvání bakterie v hostiteli. Ta se pak brání povrchovou expresí èi sekrecí efektorových molekul, které atak molekulárních a bunìèných hostitelských obranných systémù eliminují. Výsledkem støetu hostitelských a bakteriálních molekulárních systémù obrany je po kození bunìk a tkání hostitelského organismu. Nutno v ak podotknout, e toto po kození mù e být výsledkem jak pùsobení bakteriálních molekulárních slo ek (napø. toxinù), tak dùsledkem neadekvátní obranné reakce hostitele.

OBECNÁ ÈÁST

Vztah mikroorganismù a jejich hostitelù je dán koevolucí obou organismù

K pochopení vztahù prokaryotických a eukaryotických bunìk, jinak øeèeno bakterií a jejich hostitelù, bude u iteèné na poèátku zrekapitulovat evoluèní aspekty tìchto vztahù. Vztahy bakterií a jejich hostitelù lze obecnì rozli it na symbiotické, komenzální a patogenní. Symbiotický vztah byl definován jako vzájemné sou ití dvou rùzných organismù. Z tohoto vztahu má prospìch alespoò jeden ze zúèastnìných organismù (de Bary, 1879). Komenzální vztah znamená sdílení stejného prostoru dvìma ivými entitami bez zjevného prospìchu èi kodì druhého partnera. Patogenní vztah, na rozdíl od vztahu komenzálního, znamená evidentní prospìch jednoho partnera na úkor partnera druhého. Výsledkem patogenního vztahu je pak po kození èi smrt jednoho z partnerù. Obecnì se pøedpokládá, e ivot na Zemi vznikl pøibli nì pøed 3,6 miliardami let. Zhruba pøed 1,5 miliardou let do lo na základì prvních úspì nì realizovaných symbióz eubakterií a archaebakterií ke vzniku bunìèných organel, jádra, mitochondrií a plastidù (Margulis, 1996, Margulis et al., 2000). Tento symbiotický akt nebyl unikátní; pøedpokládá se, e aktù splynutí dvou nejaderných bezmitochondriálních bunìk byla celá øada, z nich pouze nìkteré vedly k postupnému vzniku eukaryotické buòky tak, jak ji známe dnes. I po vzniku eukaryotické buòky logicky docházelo a stále dochází k dal ím interakcím, které snad ji od zaèátku mìly buï symbiotický, komenzální, èi patogenní charakter. Symbiotické vztahy mají významný podíl na evoluci ivých systémù. Pøednì je mo né spatøovat význam symbiotického vztahu bakterií a jejich hostitelù v komplementaci mo ností svých i svých hostitelù ve vyu ití nutrièních zdrojù. To následnì umo nilo bakteriálním hostitelùm osídlovat nejrùznìj í ekologická prostøedí. Druhý význam symbiotismu bakterií a jejich hostitelù z hlediska evoluce ivých systémù je umo nìní diverzifikace hostitelských organismù. Na principu symbiotismu byly vneseny do organismù nìkteré, z hlediska hostitelù nové metabolické dráhy, nové obranné mechanismy èi signální systémy a v krajních pøípadech byly vytvoøeny i nové tkánì nebo umo nìna zmìna jejich rozsahu a funkce. Princip symbiotismu tak provází eukaryotické ivé systémy ji od svého vzniku a prakticky vedle genetické variability (na ní se ostatnì symbiotismus také podílí dìji souvisejícími s horizontálním pøenosem DNA jako je transformace, transdukce a konjugace) je druhým systémem, kterému vdìèí organismy za svoji evoluci.

Obecná èást

Ustálené symbiotické vztahy mezi bakteriemi a jejich hostiteli jsme schopni mapovat na základì pøetrvávajících bunìèných konglomerátù , pøièem se tento vztah nevyhýbá ivoèi ným ani rostlinným taxonùm. Lze uvést celou øadu pøíkladù: symbiotický èi komenzální vztah Amoeba proteus a tzv. X-bakterií s nejasným efektem pro oba organismy, èlenovci a Buchnera spp. (bakterie tvoøí esenciální aminokyseliny) èi Wolbachia spp., pøe výkavci a Bacterioides spp., kdy bakterie vytvoøily mo nost zu itkování celulózy jako nového zdroje ivin do té doby nezu itkovatelného. U rostlin je snad nejznámìj í symbiotický vztah lu tìnin s Rhizobium spp., které fixují dusík a pro které hostitelská rostlina vytvoøila nový orgán koøenové hlízky (pøehled viz napø. Steinert et al., 2000). Patogenní vztahy mezi bakteriemi a jejich hostiteli existují rovnì u celé øady taxonù. Nìkteré améby jsou usmrcovány v prùbìhu intracelulární proliferace mikrobù Legionella pneumophila (Gao et al., 1999) èi Francisella tularensis (Abd et al., 2003). Rovnì vztah prvoka Paramecium caudatum a gramnegativní bakterie druhu Holospora je mo né oznaèit za patogenní (Kaltz, Koella, 2003). Z pochopitelných dùvodù jsou v ak nejznámìj í patogenní vztahy bakterií a obratlovcù, zvlá tì èlovìka. Dnes je známo více ne 200 prokaryotických patogenù schopných infikovat a vyvolat onemocnìní èlovìka. Rùzné patogeny se specializovaly na rùzná vnitøní prostøedí èlovìka. Nìkteré osídlují za ívací trakt (enteropatogenní a enterotoxigenní Escherichia coli, Salmonella spp.), jiné urogenitální trakt (Neisseria gonorrhoeae, Chlamydia trachomatis), jsou schopny mno it se na povrchu kù e (Staphylococcus aureus) èi na sliznici dutiny ústní (Streptococcus spp.). Skupina prokaryotických mikroorganismù je schopna pronikat a do nitra fagocytujících bunìk hostitelù, pøe ít podmínky panující uvnitø jednotlivých intracelulárních prostøedí, cytosolu èi organel hostitelských bunìk, a pomno it se. Z hlediska ivotního stylu je mo né patogenní bakterie zaøadit do tøí skupin: extracelulární bakterie mno ící se na bunìèných povr ích èi mimo kontakt s eukaryotickými buòkami, fakultativní intracelulární bakterie schopné proliferace vnì i uvnitø hostitelských bunìk a koneènì striktní èi obligátní intracelulární bakterie, které jsou schopny mno ení výhradnì uvnitø hostitelských bunìk. Pøíklady lidských bakteriálních patogenù schopných vyu ívat jednotlivé niky pro pøe ití a rozmno ování jsou uvedeny v tabulce 1. Rovnì patogenní vztahy významnou mìrou pøispívají k evoluci selekèním tlakem, který na sebe vzájemnì vyvíjejí oba partneøi. Tyto selekèní tlaky jsou zprostøedkovány komplexem fyzikálních a molekulárních velièin, jimi na sebe oba partneøi pùsobí a kterým se oba pøizpùsobují. Zku enosti ukazují, e pokud je nové infekèní agens introdukováno do citlivé hostitelské populace, vzniklá infekce má v øadì pøípadù dramatický epidemický prùbìh.

Vztah mikroorganismù a jejich hostitelù je dán koevolucí obou organismù

Tab. 1 Pøíklady bakteriálních taxonù vyu ívajících pro pøe ití a proliferaci rùzná prostøedí Clostridium

Staphylococcus

Legionella

Listeria

Rickettsia

Vnìj í prostøedí

Vnìj í bunìèný povrch

Fagozom

Cytosol

Jádro

Prostøedí

Poznámka: Prakticky v echny patogenní bakterie, s výjimkou bakterií produkujících v extracelulárním prostøedí toxiny (viz uvedené Clostridium), kolonizují své hostitele. Vyu ívají vìt inu dostupných extracelulárních i intracelulárních kompartmentù. Clostridium patøí ke skupinì bakteriálních patogenù smrtících pomocí toxinù, které se pøená ejí na hostitele potravou, stafylokoky se mno í na mukózních povr ích, legionelly a listerie patøí do skupiny fakultativních intracelulárních patogenù, rickettsie jsou obligátní nebo také striktní intracelulární patogeny.

V pozdìj ích fázích, kdy ji patogen v populaci del í dobu persistuje, je patrná tendence ke sni ování virulence, a to ze tøí dùvodù. Jednak je to sní ení poètu citlivých jedincù v populaci zpùsobené úmrtností v prùbìhu epidemické fáze infekce, jednak vznikem imunity namíøené proti molekulárním cílùm mikroorganismu, které se podílejí na vyvolání infekce a koneèného patogenetického obrazu onemocnìní. Za pøíklad mù e slou it vnesení spalnièkového viru do izolovaných populací jihoamerických indiánù v 16. století uskuteènìné zprvu nevìdomky migrací relativnì rezistentní západoevropské populace do Ji ní Ameriky. Zpoèátku byla úmrtnost prakticky stoprocentní, dnes se v nevakcinovaných populacích dìtská úmrtnost pohybuje okolo 30 %. Posledním dùvodem, který se v ak spalnièek ji netýká, je spontánní vznik oslabených èi ne ivotaschopných variant patogenního agens pod tlakem zmìnìných podmínek v hostitelské populaci. Atenuace mù e vést a k ustavení rovnováhy ve vztahu k hostiteli, která v ak mù e být kdykoli zmìnìna ve prospìch mikroorganismu buï oslabením individuálního hostitele, èi genetickou zmìnou samotného mikroorganismu navozenou mutací, èi horizontálním pøenosem genù kódujících nové faktory virulence.

Adheziny a receptory urèují specifitu interakce bakterie a hostitele

Adheziny a receptory urèují specifitu vzájemné interakce bakterie a hostitele

Aby mohlo dojít ke vzájemnému kontaktu bakterie a ivého hostitelského systému, tedy k realizaci jistého vztahu dvou odli ných ivých entit zalo ených buï na principu mutualismu, komenzalismu, symbiotismu, èi parazitismu, musí dojít k molekulárním interakcím povrchových komponent bunìèných systémù hostitele s integrálními slo kami bakteriální bunìèné stìny èi extracelulárními bakteriálními produkty. Tyto interakce jsou nezbytné pro extracelulární kolonizaci bunìèných povrchù, indukci vstupu bakterií do bunìèných systémù i k výmìnì signálù èi molekul ovlivòujících v echny následné vzájemné interakce bakterie s hostitelem. Pro intracelulární bakteriální patogeny je pak nutné, aby ji primární kontakt smìøoval k následnému vstupu bakterie do nitra hostitelské buòky. V øadì pøípadù je ji tento primární kontakt signálem pro expresi bakteriálních genù spojených se vznikem patogenetického procesu. Pro bakteriální slo ky zaji ující kontakt s eukaryotickou buòkou se v il název adheziny, pro hostitelské vazebné molekuly receptory (Mangan, Snyder, 1979, Beachey, 1981, Soto, Hultgren, 1999). Bakteriální adheziny jsou chemicky i strukturnì velice rùznorodé od jednoduchých cukrù, po komplexní organelové struktury. Tato rùznorodost vznikla pravdìpodobnì na základì evoluèních tlakù, kterým byly a stále jsou bakterie vystaveny v nejrùznìj ích vnìj ích prostøedích nebo v prostøedí uvnitø hostitelských tkání èi bunìk (St Geme, 1997). Bakteriálními adheziny je urèován tropismus bakterií k nìkterým ivoèi ným druhùm èi cílovým tkáním a je jimi dána i specificita vztahu bakterie hostitel. Bakteriální adheziny jsou strukturnì buï vláknité, velice ohebné povrchové struktury zvané pili nebo fimbrie èi pøímo slo ky bakteriálních bunìèných membrán (tzv. non-pili adheziny). Jejich specifita je znaèná, a proto se na povrchu nìkterých bakterií vyskytuje více typù adhezinù asociovaných s jistým typem onemocnìní èi jeho patogenetickými projevy (viz ní e). Fimbriální adheziny èi pili jsou exportovány a sestavovány na bakteriálním povrchu nìkolikerým zpùsobem. V zásadì byly rozeznány ètyøi mo nosti, jak dopravit komponenty a sestavit architekturu adhezinu na bakteriálním povrchu. Jsou to mechanismy, které v anglosaské literatuøe nesou následující názvy: 1. chaperon-usher pathway, 2. general secretory pathway (tzv. sec-pathway viz ní e kapitolu 5 vìnovanou sekreèním systémùm),

Obecná èást

3. extracellular nucleation-precipitation pathway, a koneènì 4. alternative chaperon pathway. V èe tinì by bylo mo né popsat chaperon-usher pathway jako asistovaný pøenos pøes membránu s pomocí prùvodce a vrátného, general secretory pathway jako obecnou sekreèní cestu, extracellular nucleation-precipitation pathway pak jako mechanismus vnìbunìèné precipitace pøes membránu pøepravených stavebních jednotek adhezinu, a koneènì alternative chaperon pathway jako alternativní chaperonovou cestu, tedy mechanismus pøenosu s asistencí pouze prùvodce. Pro utvoøení si pøedstavy o konstrukci adhezivních struktur a jejich funkcí je nutné vyu ít typických bakteriálních adhezních systémù. Pro asistovaný pøenos pøes membránu s pomocí prùvodce a vrátného (chaperon-usher pathway) jsou typické P-pili èi pili typu I, pro obecnou sekreèní dráhu (general secretory pathway) pak pili typu IV, pro mechanismus vnìbunìèné precipitace (extracellular nucleation-precipitation pathway) struktury oznaèované jako Curli a koneènì pro alternativní chaperonovou cestu (alternative chaperon pathway) pili typu II. Schématické znázornìní zde uvedených typù adhezních struktur a zpùsob jejich konstrukce je uvedeno na obrázku 1a, b, c, d. Asistovaný pøenos pøes membránu (chaperon-usher pathway), vysoce konzervativní cesta vzniku adhezních struktur, byla ji identifikována jako cesta ke tvorbì více ne 20 adhezinù gramnegativních bakterií. Prototypovými adheziny této skupiny se staly P-pili a pili typu I. Pro vytvoøení struktury pili typu 1 je tøeba exprese minimálnì devíti genù umístìných v genovém klastru typu 1 (type 1 gene cluster) vìt iny èlenù skupiny Enterobacteriaceae (Hultgren et al., 1991), pro vytvoøení P-pili je tøeba exprese jedenácti genù organizovaných v tzv. pap operonu (Hultgren, Normark, 1991, Marklund et al., 1992). Oba typy pili mají podobnou strukturu. Jedná se o propojená flexibilní vlákna stoèená do pravotoèivé spirály tvoøící jakousi pru inu s vnìj ím prùmìrem 6 a 7 nm a prùmìrem vnitøní dutiny spirály 1,5 a 2,5 nm, na jejím konci je hrot tvoøený adhezivními podjednotkami pili (Brinton, 1965, Gong, Makowski, 1992, Kuehn et al., 1992, Bullitt, Makowski, 1995). U èlenù skupiny Enterobacteriaceae jsou prototypovými adhezními podjednotkami P-pili proteiny PapG a pilù typu I adhezin FimH (Schembri et al., 2001, Feria et al., 2001). Adhezin P-pili PapG má za cílovou strukturu glykolipidy obsahující Gala(1,4)Gal sekvence na uroepiteliálních buòkách èi erytrocytech (Leffler, Svanborg-Eden, 1980, Striker et. al., 1995), adheziny pili typu I (FimH) se vá í na oligosacharidy obsahující manózu (Krogfelt et al., 1990).