Medical Microbiology

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外毒素:性状と種類。細菌スーパー抗原と関連する症候群

Exotoxins: characterisation, types. Bacterial super-antigens and associated syndromes

応用トピック
ブドウ球菌感染症と毒素性ショック症候群外科感染症と抗菌薬の役割

🧠 外毒素は「酵素のように基質特異的に効く分泌蛋白」であり、標的とする基質(神経終末・細胞内蛋白合成装置・細胞膜・)が菌種ごとにほぼ1対1で決まっている。 だから菌名から症状を、症状から菌名を逆引きできる——破傷風菌ならならなら水様性下痢、というように。

外毒素とは

外毒素は、グラム陽性・陰性いずれの細菌からも分泌される蛋白質であり、離れた場所にある宿主細胞に作用する。

  • 病原性細菌の細胞外環境に放出されうるポリペプチドからなり、明確な構造と機能を持つ。にコードされることもある
  • 典型的には、にある生菌から分泌される可溶性蛋白質である
  • 蛋白毒素の産生は通常、特定の菌種に限定される(例:破傷風毒素を産生するのはClostridium tetaniのみ、ジフテリア毒素を産生するのはCorynebacterium diphtheriaeのみ)
  • 通常、病原性株のみが毒素を産生し、株は産生しない——つまり毒素そのものがの主要なとなる
  • 細菌の蛋白毒素は、既知の毒物の中でも最強クラスであり、非常に高い希釈度でも活性を示す

外毒素は酵素にいくつかの点で似ている——熱・酸・で失活し、高い生物活性を持ち、作用の特異性を示す。

作用部位による分類

酵素が特定の基質を攻撃するのと同様、細菌の蛋白毒素も利用する基質と作用様式について高い特異性を持つ。基質(宿主側)は組織細胞・臓器・体液の成分でありうる。通常、毒素による傷害部位がその毒素の基質の所在地を示す。「」「」「」「」といった用語は、よく知られた蛋白毒素の標的部位を示すために使われる。

分類 内容
に作用し、でのアセチルコリン放出を妨げ、筋の興奮を阻止してを起こす(例:Clostridium botulinum——
より大きく多様な群で、宿主細胞への特異性・毒性発現の様式も多岐にわたる。のように、ペプチド鎖の伸長を特異的に阻害するものもある
からの水分・電解質の過剰分泌を刺激し、水様性下痢を引き起こす。を乱すことで腹部の攣痛や、のための腸管の短縮も起こしうる
白血球に孔を形成する毒素
赤血球膜に孔を形成する毒素

作用機序による分類

分類 内容
宿主細胞表面に作用する。膜傷害:孔形成により栄養が失われ細胞死に至る。:T細胞を非特異的に活性化させる一群の抗原で、のT細胞活性化と大量のサイトカイン放出を起こし毒素性ショックに至る。体内T細胞の最大20%を活性化しうる(例:Staphylococcus aureus, TSST
ABトキソン:「A」成分が通常は酵素活性を持つ本体(宿主に対する作用部分)、「B」成分が通常は結合部分。蛋白合成の阻害(ジフテリア)、メディエーター・神経伝達物質の過剰産生(破傷風→ACh)、過剰分泌(:Na⁺・Cl⁻→下痢)など
flowchart TD
    A["ABトキソン"] --> B["B成分が<br>宿主細胞受容体に結合"]
    B --> C["細胞内へ取り込まれる"]
    C --> D["A成分が酵素として作用<br>(例: ADP<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ribosylation'>リボシル化</span>)"]
    D --> E["標的蛋白の機能障害<br>(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='protein synthesis inhibition'>蛋白合成阻害</span>・cAMP異常など)"]
    E --> F["細胞機能障害・死"]

スーパー抗原の作用機序

は、抗原ペプチドが通常結合する溝の外側にある部位でMHCクラスII分子に結合する。次いで、のうち、通常のの外側にある部分に結合し、この結合だけでT細胞活性化を引き起こすのに十分である。この特異な結合様式のため、の特異性に関係なく大量のT細胞を活性化できる。

機能

  • T細胞の
  • の制御不能な放出
  • 重篤な自己免疫様反応
  • 活性化されたT細胞の死
flowchart TD
    A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='superantigen'>スーパー抗原</span>"] --> B["MHCクラスII分子<br>(抗原溝の外側)に結合"]
    A --> C["TCR <span class='jp-term jp-term-diagram' title='beta chain'>β鎖</span><br>(通常の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='antigen-binding site'>抗原結合部位</span>の外側)に結合"]
    B --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='antigen specificity'>抗原特異性</span>を問わず<br>T細胞を非特異的に活性化"]
    C --> D
    D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='polyclonal'>多クローン性</span>T細胞活性化<br>+ 大量サイトカイン放出"]
    E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cytokine storm'>サイトカインストーム</span><br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='toxic shock syndrome (TSS)'>毒素性ショック症候群</span>"]

超抗原関連症候群の代表S. aureusのTSST-1によるS. pyogenesによる様の紅斑反応。

トキソイドと治療

とは、と免疫誘導能を保持したまま無毒化された毒素である。ホルマリン・ヨウ素・・ケトン類などの試薬で毒素を処理することで形成を促進できる。混合物は36℃、pH 6〜9で数週間維持される。得られたは、細菌のの主が毒素産生である疾患に対する人工免疫に利用できる。

ジフテリア破傷風に対する免疫獲得剤であり、DPTワクチン(diphtheria-pertussis-tetanus、ジフテリア・百日咳・破傷風混合ワクチン)の一部を構成する。

代表的な外毒素と関連疾患

毒素名 産生菌 作用
毒素(, EF) として働き、内の環状AMP(cAMP)を増加させ、膜にイオン透過性の孔を形成する(溶血)
局所的に内のcAMPを増加させ、膜にイオン透過性の孔を形成する(溶血)
Vibrio cholerae Gタンパク質のADPによりを刺激し、消化管細胞内のcAMPを増加させ水分・電解質の分泌を起こす
E. coli LT毒素 大腸菌大腸菌 と同様の作用
dysenteriae rRNAを酵素的に切断し、感受性細胞での蛋白合成を阻害する
Zn²⁺依存性プロテアーゼとしてでの神経伝達を阻害し、を起こす
Clostridium tetani破傷風菌 Zn²⁺依存性プロテアーゼとして抑制性シナプスでの神経伝達を阻害し、を起こす
(EF-2)のADPにより蛋白合成を阻害する
Gタンパク質のADPによりの抑制を阻害する(感受性細胞でcAMP上昇)
ブドウ球菌 黄色ブドウ球菌黄色ブドウ球菌 リンパ球・マクロファージを含む免疫系をに活性化し、嘔吐を起こす
黄色ブドウ球菌 血管系に作用し、炎症・発熱・ショックを起こす
(SPE、例:毒素) 局所の紅斑反応を起こす

⚠️ はどちらもZn²⁺依存性プロテアーゼだが、標的シナプスが逆であるため症状も正反対になる——抑制性シナプスを阻害して痙性(過緊張)麻痺の興奮性シナプスを阻害してを起こす。

内毒素と外毒素——比較のまとめ

特徴 内毒素 外毒素
化学的性質 。毒性本体はリピドA ポリペプチド(蛋白質)
産生菌 グラム陰性菌のみ(外膜構成成分) グラム陽性・陰性菌両方(分泌される)
放出様式 生菌からの脱落、または時に放出(能動分泌ではない) 増殖中の生菌から能動的に分泌される
比較的が高い 一般に(熱・酸・で失活)
弱い 強い
毒性の強さ 比較的弱い(大量を要する) 非常に強い(極めて低濃度で活性を示す)
不可能 可能(ワクチンに応用できる)
作用の特異性 非特異的(発熱・ショック・DICなど全身性) 高い特異性(特定の受容体・基質、/など)
代表例 大腸菌・髄膜炎菌・などグラム陰性菌のLPS 、TSST-1 など

(内毒素の詳細は内毒素を参照)

まとめ

  • 外毒素はグラム陽性・陰性いずれの菌からも分泌されうる蛋白毒素で、酵素同様に熱・酸・に弱く、が高い。
  • 作用部位によりに、作用機序により細胞外作用型(膜傷害・)と細胞内作用型(ABトキソン)に分類される。
  • はMHCクラスII分子とTCRのに抗原非特異的に結合し、T細胞活性化とを引き起こす(例:TSST-1による)。
  • は無毒化しつつを保った毒素であり、ジフテリア・破傷風ワクチン(DPTワクチンの一部)に応用される。
  • は同じZn²⁺依存性プロテアーゼでも標的シナプスが逆であるため、という正反対の症状を起こす。
  • 内毒素と外毒素は化学的性質・産生菌・放出様式・・毒性の強さのほぼすべての点で対照的であり、この対比は定番の出題ポイントである。