Yazdır

Şigella Türlerinde Aktin Reorganizasyonu

Hanefi Cem GÜL*, Ahmet Bülent BEŞİRBELLİOĞLU*

* Gülhane Askeri Tıp Akademisi, İnfeksiyon Hastalıkları ve Klinik Mikrobiyoloji Anabilim Dalı, ANKARA

ÖZET

Shigella spp. şigelloza yol açan hareketsiz gram-negatif mikroorganizmalardır. Aktin reorganizasyonu Shigella türlerinin hareket yeteneği kazanmasında, dolayısı ile infeksiyon patogenezinde çok önemlidir.

Anahtar Kelimeler: Şigella, Patogenez, İnfeksiyon

SUMMARY

Actin Reorganization in Shigella Species

Shigella spp., the cause shigellosis are immotile gram-negative microorganisms. Actin reorganization is very important for motility and infection pathogenesis with Shigella spp.

Key Words: Shigella, Pathogenesis, Infection

Şigella türleri; kanlı, mukuslu ishal ve tenezm ile seyreden, bazen ciddi klinik tablolara yol açabilen basilli dizanteri hastalığının etkeni gram-negatif bakterilerdir. Dünyada yılda yaklaşık 164.7 milyon şigelloz vakası görülmekte ve büyük çoğunluğu çocuk olmak üzere yaklaşık 1.1 milyon kişi ölmektedir[1].

Normalde hareketsiz olan bu bakteriler, infekte ettikleri bağırsak mukoza hücrelerinin sitoplazması içerisinde yer değiştirebilme ve bir hücreden diğer hücreye geçerek mukozada yayılabilme özelliğine sahiptir. Bu özellik şigellaların patogenezinde çok önemlidir.

Şigellalar gerek sitoplazma içerisindeki, gerekse hücreler arasındaki yer değiştirmelerini "aktin reorganizasyonu" yoluyla sağlar. Yani, diğer bir deyişle aktin reorganizasyonu şigella patogenezinde çok önemli rol oynar. Aktin reorganizasyonu ile ilgili fonksiyonları mutasyona uğratılmış olan şigellaların attenüe oldukları gösterilmiştir[2-5]. Bu mutant suşlar, kolon mukozasında histolojik olarak çok daha zayıf patojenite gösterir ve daha küçük apseler veya ülserasyonlar oluşturur.

Aynı mekanizmayı şigellalardan başka; Listeria monocytogenes, riketsiyalar ve vaccinia virüs de kullanır.

Bu derlemede, şigellaların gerçekleştirdiği aktin reorganizasyonunun ayrıntıları ele alınacaktır. Bu olay karmaşık bir takım moleküller ve sinyaller aracılığıyla gerçekleştiğinden, öncelikle metin içerisinde geçen terimler ile ilgili tanımlara yer verilmiştir.

TANIMLAR

Aktin

Ökaryotik hücrelerdeki tüm hücresel proteinlerin %5'ini oluşturan, hücrelerin üç boyutlu yapısında destek çatı görevi gören ve hücrenin şekil ve yer değiştirmesinde rol oynayan bir protein topluluğudur. Bu topluluğa aktin hücre çatısı (actin cytoskeleton) da denmektedir[6,7]. Hücredeki aktin, iki formda bulunur:

1. Monomerik (G aktin): Bunlar 395 aminoasitten oluşmuş polipeptidlerdir ve sitosolde dağınık halde bulunurlar.

2. Flamentöz (F aktin): Monomerik aktinlerin bir araya gelmesiyle oluşmuş olan fleksibl polimerlerdir. En yoğun bulundukları yer, hücre membranının altındaki korteks bölgesidir.

Monomerik aktin ve flamentöz aktin havuzları dinamik bir denge halindedir. Monomerlerin hızla polimerize olarak flamentöz aktinleri oluşturabilmeleri veya disosiye olarak tekrar monomer hale geçebilmeleriyle hücrede dinamik bir yapı iskeleti oluşur. Hücrenin herhangi bir bölümünde uzama veya psödopod oluşumu gerektiğinde, aktin flamanları bu bölgede plazma membranının altında hızla oluşup toplanarak bu noktada membrana hareket kazandırır. Bu sayede herhangi bir stimulusta hücre; uzama veya genleşme hareketleri yapabilir, yapı, şekil ve yer değiştirebilir.

"Rho Family GTPaz"lar

Bunlar primer olarak aktin organizasyonunda (bu arada çeşitli hücresel olaylarda da) tetikleyici olarak anahtar rol oynayan moleküllerdir. Bu ailenin birçok üyesi vardır. Bunlardan en iyi tanımlanmış ve aktin organizasyonunda rol oynayanları; "Rho", "Rac" ve "Cdc42"dir.

Arp2/3 Kompleks

(Arp: Actin-Related Protein)

Monomerik aktinlerin polimerize olarak flamentöz aktin haline gelebilmeleri için ilk önce "aktin nükleasyonu" olayının gerçekleşmesi gerekir. Aktin nükleasyonu, üç aktin monomerinin bir araya gelerek polimerizasyon için bir nükleus oluşturması olayıdır (Şekil 1)[6]. Diğer aktin monomerleri bu yapıya eklenerek aktin flamanlarını oluşturur.

Hücrede aktin nükleasyonunu tetikleyen tek faktör Arp2/3 kompleksidir.

WASP (Wiskott-Aldrich Syndrome Protein) Ailesi

Bu ailenin üyeleri; Arp2/3 kompleksini uyararak rol oynayan proteinlerdir. Bu üyeler şunlardır:

1. WASP (Wiskott-Aldrich Syndrome Protein),

2. N-WASP (Neural Wiskott-Aldrich Syndrome Protein),

3. WAVE (WASP family verprolin-homologous proteins) (Scar).

Wiskott-Aldrich sendromlu hastalarda WASP ailesi proteinlerini kodlayan genlerde mutasyon saptanmıştır. Bu yüzden bu hastalarda trombosit ve lökositlerdeki aktin organizasyonunda yetersizlikler vardır. Bunun sonucunda da pıhtılaşma bozuklukları ve immünyetmezlik tablosu ortaya çıkar[8].

Kofilinler

Bunlar, aktin flamanlarının depolimerize olmalarında veya belli noktalardan kesilmelerinde rol oynayan proteinlerdir. Böylece polimerize olmakta olan flamanların gereksiz uzamasını engellerler. Aktin monomerlerinin flamandan ayrılarak tekrar monomer havuzuna dönmelerini ve başka flamanların polimerizasyonunda yer alabilmelerini sağlamış olurlar. Ayrıca, flamanları kesme fonksiyonu sayesinde; hareket etmekte olan hücrelerin psödopod oluşan ön ucunda uzayan flamanları keserek aktin monomerlerinin bağlanmasına müsait pek çok uç ortaya çıkmasına ve çok sayıda yeni flamanın hızla uzayarak hücreye motilite kazandırmasına yol açarlar[9].

Profilin

Profilin, bir "actin monomer binding protein"dir ve aktin monomerlerini polimerizasyon bölgesine toplama fonksiyonuna sahiptir.

AKTİN REORGANİZASYONU

Şigellalar, kolon epitel hücrelerini invaze ettikten sonra sitoplazmada aktin reorganizasyonu ile kendilerine bir aktin kuyruğu oluşturur ve bu kuyruğun itme gücü sayesinde sitoplazma içerisinde yer değiştirebilir. Bu yer değiştirme esnasında hücre membranına temas eden bakteri, membranda bir protrüzyona neden olarak, hücreler arası boşluğa hiç çıkmadan komşu hücreye geçer[10,11]. Benzer olaylar ikinci hücrede de gelişir ve böylece bakteri mukoza boyunca yayılarak apse ve ülserasyonlara neden olur (Şekil 2)[6].

Şigellalar epitel hücresi içerisine girdikten sonra; şigellalara ait "IpaB" ve "IpaC" (Ipa= invasion plasmid antigens) olarak bilinen virülans faktörleri tarafından vakuol açılır ve şigella sitoplazmada serbest kalır.

Bundan sonraki aşamada şigellaların aktin reorganizasyonunda rol oynayan en önemli virülans faktörü "IcsA (VirG)" olarak adlandırılan bir dış membran proteinidir. IcsA, 1102 aminoasitten oluşmuş bir proteindir ve hücrede Cdc42'yi taklit ederek aktin reorganizasyonunu başlattığı düşünülmektedir[6]. Bu proteinin ilk 758 aminoasitten oluşmuş olan alfa bölgesi bakteri hücresi dışında eksprese olur ve aktin reorganizasyonunda esas rol oynayan kısımdır (Şekil 3)[6]. IcsA molekülleri şigella hücresinde unipolar olarak konuşlanmıştır. Bu sayede aktin kuyruğu bakterinin her tarafında değil, tek bir ucunda oluşur (Şekil 4).

IcsA, konak hücresi içerisinde WASP ailesi proteinlerinden spesifik olarak sadece N-WASP ile bağlanır. Konak hücresindeki N-WASP ile bakterinin       IcsA'sı arasındaki bu bağlanma özgüllüğü, muhtemelen şigellaların hangi hücreler içerisinde aktini kullanarak hareket edebileceğini belirleyen bir unsurdur[1].

N-WASP, şigellaların aktin reorganizasyonu için elzem bir proteindir ve hücrede aktin nükleasyonunu tetikleyen tek faktör olan Arp2/3 kompleksini uyarır. N-WASP iki farklı formda bulunur. Birincisi, VCA bölgesinin örtülü olduğu inaktif form, ikincisi ise IcsA ile bağlandığında ortaya çıkan ve VCA bölgesinin açık olduğu aktif form (Şekil 5). Uyarılan Arp2/3 kompleksi, N-WASP üzerinde VCA bölgesine bağlanır (Şekil 5). Bu bağlanmadan sonra, aktin nükleasyonu gerçekleşir ve monomerlerin ard arda eklenmesi ile aktin flamanı hızla uzamaya başlar (Şekil 5)[6].

Aynı olay birçok koldan devam ettiğinden, bir süre sonra şigellanın bir ucunda birçok aktin flamanından oluşan bir aktin kuyruğu oluşur ve bakteri, hücre içerisinde hareket edebilmeye başlar.

Aktin polimerizasyonu esnasında, profilin moleküllerinin N-WASP üzerinde "prolin-zengin bölge" olarak adlandırılan bölgeye bağlandığı saptanmıştır. Fakat bu olayın ve profilin moleküllerinin aktin polimerizasyonu üzerindeki rolü ve gerekliliği kesin olarak ortaya konulamamıştır. Yapılan bir çalışmada profilin mutant bakterilerle infekte hücrelerde şigella motilitesinin belirgin olarak azaldığı gösterilmiştir. Aynı çalışmada; "prolin zengin bölge" mutant N-WASP proteinlerinin bulunduğu ortamda şigellalarda aktin kuyruğu oluşumu %90 azalırken, listeriyalarda herhangi bir değişiklik saptanamamıştır[12].

Profiline benzer şekilde; kofilin moleküllerinin de şigellaların aktin reorganizasyonundaki rolü tam olarak anlaşılamamıştır. Ancak, şigellaların aktin kuyruğu boyunca kofilin moleküllerinin varlığı immünfloresan yöntemiyle gösterilmiştir[13].

Şigellaların aktin reorganizasyonunda Cdc42'nin rolü bazı çalışmalarda indirekt olarak gösterilmiş olmasına rağmen halen tartışmalıdır. Yapılan bir çalışmada, şigella ile infekte bir hücreye inaktif Cdc42 mikroenjeksiyonu bakterinin motilitesini yavaşlatmış, aktif Cdc42 mikroenjeksiyonu ise arttırmıştır[14]. Diğer bir çalışmada ise, sitoplazma ekstraktına "Rho family GTPaz" inhibitörü eklendiğinde şigella motilitesi inhibe olurken, aynı ortama pür Cdc42 eklenmesiyle bu inhibisyon kısmen de olsa ortadan kalkmıştır[15].

Şigellalar aktin reorganizasyonunu, hücre içine girişte de kullanır. Konunun ayrıntıları tam olarak anlaşılmamış olmakla beraber; şigellanın "tip III sekresyon sistemi" üyeleri olan proteinlerin, bakteriye ait invazyon plazmid antijenleri olan "IpaA", "IpaB", "IpaC" ve "IpaD"nin epitel hücresi membranına sekrete edilmelerini sağladıkları düşünülmektedir. IpaB ve IpaC epitel hücre membranında bir por oluşumunu sağlar ve daha sonra IpaC etkisiyle aktin polimerizasyonu gerçekleşir. Membranın hemen altında oluşan bu aktin flamanlarının itici etkisi ile, şigella etrafında filopodial bir yapı oluşur ve bakteri hücre içine doğru çekilir (Şekil 6)[1,16].

SONUÇ

Şigellalar yanında; listeriyalar, riketsiyalar ve vaccinia virüs de memeli hücresi içinde hareket edebilmek için aktin moleküllerini ve hücrede zaten var olan sistemleri kendi amaçlarına uygun olarak kullanmaktadır. Ancak bu konu ile ilgili en ayrıntılı çalışmalar şigellalarla yapılmıştır. Şigellaların aktin reorganizasyonu bu konuda bir model teşkil etmesi ve diğer etkenlere oranla şigellalarda virülans üzerine etkisi nedeniyle çok daha fazla önem arz etmektedir.

Aktin reorganizasyonu ve bu reorganizasyonda rol alan moleküllerle ilgili günümüzde birçok konu henüz aydınlatılamamıştır. Ancak son yıllarda yapılan çalışmalarda bu konu ile ilgili önemli bilgilere ulaşılmakta olup; gelecekte bu mikroorganizmaların patogenezini ayrıntılı olarak anlamada ve artık antibiyotik denizinin tükendiği, kayalıklarla karşı karşıya olduğumuz dünyada yeni tedavi/profilaksi ve aşı uygulamalarına ışık tutmada; bu çalışmaların yol gösterici olacağı açıktır.

KAYNAKLAR

  1. Jennison AV, Verma NK. Shigella flexneri infection: Pathogenesis and vaccine development. FEMS Microbiol Rev 2004;28:43-58.
  2. Kotloff KL, Noriega F, Losonsky GA, et al. Safety, immunogenicity, and transmissibility in humans of CVD 1203, a live oral Shigella flexneri 2a vaccine candidate attenuated by deletions in aroA and virG. Infect Immun 1996;64:4542-8.
  3. Lett MC, Sasakawa C, Okada N, et al. VirG, a plasmid-coded virulence gene of Shigella flexneri: Identification of the virG protein and determination of the complete coding sequence. J Bacteriol 1989;171:353-9.
  4. Makino S, Sasakawa C, Kamata K, Kurata T, Yoshikawa M. A genetic determinant required for continuous reinfection of adjacent cells on large plasmid in S. flexneri 2a. Cell 1986;46:551-5.
  5. Sansonetti PJ, Arondel J, Fontaine A, d'Hauteville H, Bernardini ML. OmpB (osmo-regulation) and icsA (cell-to-cell spread) mutants of Shigella flexneri: Vaccine candidates and probes to study the pathogenesis of shigellosis. Vaccine 1991;9:416-22.
  6. Goldberg MB. Actin-based motility of intracellular microbial pathogens. Microbiology and Molecular Biology Reviews 2001;65:595-626.
  7. Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (eds). Moleculer Biology of the Cell. 4th ed. New York: Garland Science, Taylor & Francis Group Co., 2002.
  8. Stradal TE, Rottner K, Disanza A, Confalonieri S, Innocenti M, Scita G. Regulation of actin dynamics by WASP and WAVE family proteins. Trends Cell Biol 2004;14:303-11.
  9. Chan AY, Bailly M, Zebda N, Segall JE, Condeelis JS. Role of cofilin in epidermal growth factor-stimulated actin polymerization and lamellipod protrusion. J Cell Biol 2000;148:531-42.
  10. Ally S, Saver NJ, Loureiro JJ, Snapper SB, Getrler F, Goldberg MB. Shigella interactions with the actin cytoskeleton in the absence of Ena/VASP family proteins. Celluler Microbiology 2004;6:355-66.
  11. Wing HJ, Goldman SR, Ally S, Goldberg MB. Modulation of an outer membrane protease contributes to the virulence defect of Shigella flexneri strains carrying a mutation in the virK locus. Infection and Immunity 2005;73:1217-20.
  12. Mimuro H, Suzuki T, Suetsugu S, Miki H, Takenawa T, Sasakawa C. Profilin is required for sustaining efficient intra- and intercellular spreading of Shigella flexneri. J Biol Chem 2000;275:28893-901.
  13. Gouin E, Gantelet H, Egile C, et al. A comparative study of the actin-based motilities of the pathogenic bacteria Listeria monocytogenes, Shigella flexneri and Rickettsia conorii. J Cell Sci 1999;112:1697-708.
  14. Suzuki T, Mimuro H, Miki H, et al. Rho family GTPase Cdc42 is essential for the actin-based motility of shigella in mammalian cells. J Exp Med 2000;191:1905-20.
  15. Suzuki T, Saga S, Sasakawa C. Functional analysis of Shigella VirG domains essential for interaction with vinculin and actin-based motility. J Biol Chem 1996;271: 21878-85.
  16. Bourdet-Sicard R, Egile C, Sansonetti PJ, Tran Van Nhieu G. Diversion of cytoskeletal processes by Shigella during invasion of epithelial cells. Microbes Infect 2000; 2:813-9.

Yazışma Adresi:

Yrd. Doç. Dr. Hanefi Cem GÜL

Gülhane Askeri Tıp Akademisi

İnfeksiyon Hastalıkları ve

Klinik Mikrobiyoloji Anabilim Dalı

Etlik-ANKARA

E-posta: hcgul@yahoo.com

Makalenin Geliş Tarihi: 03.06.2008   Kabul Tarihi: 02.02.2009

Yazdır