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Prof. Dr. Just

 

 

Zellulärer und molekularer Wirkmechanismus der Clostridium difficile Toxine A und B

 

 

  • Clostridium difficile als Erreger von Darmerkrankungen

 

Clostridium difficile ist ein anaerobes, sporenbildendes Bakterium, das als Auslöser der Antibiotika-assoziierten Diarrhöe und der pseudomembranösen Colitis gilt. Eine intakte, physiologische Darmflora verhindert die Besiedlung mit dem Sporenbildner C. difficile. Wird die Darmflora jedoch durch Breitspektrumantibiotika geschädigt, kann es zu einer Besiedlung des Colons mit C. difficile kommen. Da die Infektion fast ausschließlich im Krankenhaus erfolgt, gilt die C. difficile-assoziierte Diarrhöe als typisch nosokomiale Infektion. Die Symptomatik variiert von der selbstlimitierenden Diarrhöe über schwere wässrig-blutige Durchfälle bis hin zur pseudomembranösen Colitis. Therapeutisch wird C. difficile durch die Gabe der Antibiotika Metronidazol oder Vancomycin eradiziert. Bei der Besiedlung werden zwei Exotoxine, das Enterotoxin (Toxin A) und das Zytotoxin (Toxin B) gebildet. Da im Tiermodell Toxin A allein in der Lage ist, die gleiche Symptomatik wie der Keim auszulösen, wird es als Enterotoxin bezeichnet und gilt als der entscheidende Pathogenitätsfaktor für die Antibiotika-assoziierte pseudomembranöse Colitis. Die Bedeutung von Toxin B im Tiermodell ist unklar, scheint aber der von Toxin A untergeordnet zu sein. Inzwischen mehren sich jedoch die Befunde, dass beim Menschen beiden Toxinen eine vergleichbare pathogenetische Bedeutung zukommt. An kultivierten Zelllinien wirken beide Toxine zytotoxisch, d. h. sie bewirken eine Zerstörung des Zytoskeletts, wobei Toxin B um drei Größenordnungen potenter ist als Toxin A. Beide Toxine sind einkettig, besitzen ein Molekulargewicht von ungefähr 300 kDa, zeigen hinsichtlich ihrer Primärstruktur eine Homologie von 60 %. Sie werden über rezeptorvermittelte Endozytose in die Zielzelle aufgenommen und entfalten intrazellulär ihre biologische Wirkung, die zu einer Zerstörung des Zytoskeletts führt.

 

 

  • Der molekulare Wirkmechanismus der Clostridium difficile Toxine

 

Beide Toxine wurden unter Mitwirkung unserer Arbeitsgruppe als Mono-Glucosyltransferasen identifiziert, die unter Nutzung des ubiquitär vorkommenden Nukleotidzuckers UDP-Glucose als Cosubstrat eine Glucose-Gruppe auf das Zielprotein übertragen. Die Glucose-Gruppe wird O-glycosidisch an die Akzeptor-Aminosäure Threonin-37 von RhoA gebunden. Als zelluläre Zielstruktur wurden die Rho-Proteine identifiziert, die zur Ras-Superfamilie der kleinen GTP-bindenden Proteine gehören. Die Rho-Proteine sind die Hauptregulatoren des Aktinzytoskeletts und der damit verbundenen Zellfunktionen wie Morphologie, Motilität, Zell-Zell-Kontakt, Endo- und Exozytose. Darüber hinaus sind sie auch in die Aktivierung von Transkriptionsfaktoren (c-Jun, NFkB) und in die Regulation des Zellzyklus eingeschaltet. Toxin A und B glucosylieren von den zur Zeit 70 Vertretern der Ras-Superfamilie nur Rho, Rac und Cdc42, die alle zur Rho-Subfamilie gehören. Die Glucose-Gruppe befindet sich in einer funktionell bedeutsamen Region der Rho-Proteine, nämlich der Effektorregion, mit der die Rho-Proteine an die sogenannten Effektoren binden. Diese werden durch die Bindung von Rho aktiviert und übertragen das Rho-Signal nach distal und verstärken es zugleich. Die Glucose verhindert die Bindung an die Effektoren und blockiert damit die Weitergabe des Rho-Signals. Über diesen Mechanismus kann die zytotoxische Wirkung der C. difficile Toxine vollständig erklärt werden.