Toksiini-antitoksiini süsteemid

Toksiini-antitoksiini süsteemid (TA süsteemid) on bakterite regulatoorsed elemendid, mis koosnevad toksiinist ja antitoksiinist. Neid ekspresseeritakse kõrvuti asetsevatelt ja ühtsele regulatsioonile alluvatelt geenidelt (operonidelt), mida leidub bakterite, arhede ning võib-olla isegi üherakuliste seente plasmiididel ja kromosoomidel. Toksiinid töötavad bakteri enda vastu, kus nad toodetakse. Kõik TA süsteemide toksiinid on valgud. Antitoksiinid võivad esineda valgu või mittekodeeriva RNA-na. Toksiini-antitoksiini moodulid on jaotatud viide klassi lähtuvalt antitoksiini molekulaarsest ehitusest ja tema mõjust vastavale toksiinile. Toksiinid on stabiilsemad kui antitoksiinid. Antitoksiinid on stressitingimustes kiiresti lagundatavad. Vabaks jäänud toksiinil on seetõttu võimalik aktiveeruda ning muuta või takistada erinevaid rakuprotsesse, mis on rakule enamasti kriitilise tähtsusega. Nende protsesside hulka kuuluvad näiteks translatsioon, DNA replikatsioon, tsütoskeleti moodustamine, ATP või rakuseina süntees. Toksiini aktiivsuse tõttu võib rakk kas surra või moodustada antibiootikumidele tolerantseid persisterrakke. Oma mitmekülgsete omaduste tõttu on toksiini-antitoksiini süsteemid leidnud laialdast rakendust biotehnoloogias. Toksiini-antitoksiini moodulite mõistmine võib-olla oluline antibakteriaalsete ravimite väljatöötamisel ja nakkushaigustega võitlemisel.

I tüüp

I tüüpi toksiini-antitoksiini süsteemis reguleerib geeniekspressiooni antisens-RNA. Antisens-RNA on transkribeeritud toksiini kodeerivale järjestusele vastupidises suunas, selle tagajärjeks on kattuvad transkriptid. Antitoksiin paardub toksiini mRNA-ga. Arvatavasti stimuleerib tekkinud RNA kaksikahel toksiliste mRNA-de lagundamist, mille tulemusena väheneb toksiini tootmine. 
Kõik TA süsteemi I tüüpi toksiinid on väga väikesed, umbes 19–38 aminohappejäägi pikkused hüdrofoobsed polüpeptiidid. Senimaani on kõikide Escherichia coli bakterite I tüüpi toksiinidel kirjeldatud sarnane sekundaarstruktuur. Toksiin koosneb ühest α-helikaalsest struktuurist, mis oletatavasti paikneb raku sisemembraanis. Tõenäoliselt moodustub seal membraanipotentsiaali häiriv poor, mis takistab ATP sünteesi.

II tüüp

Toksiini-antitoksiini süsteemidest on II tüüpi kõige enam uuritud. Toksiin ja antitoksiin on mõlemad valgud. II tüüpi TA süsteemid on väga varieeruvad: toksiinid ja antitoksiinid erinevad nii struktuurilt, primaarjärjestuselt kui ka toimemehhanismilt ja moodustavad eraldi valguperekondi. Kuigi see tüüp on väga mitmekesine, omavad peaaegu kõik II tüüpi esindajad mitmeid ühiseid tunnuseid. Esiteks, igat toksiini-antitoksiini süsteemi kodeerib kahest väiksest geenist koosnev operon. Eranditeks on kolme geeniga toksiini-antitoksiini operonid nagu ω-ε-ζ ja pasABC. Toksiini ja antitoksiini geenid kas kattuvad mõne aluspaari ulatuses või on mõne nukleotiidiga eraldatud. Teiseks, moodustavad toksiin ja vastav antitoksiin stabiilse kompleksi blokeerimaks toksiini talitlust. Kuna antitoksiin on vähem stabiilne kui toksiin, peab esimest pidevalt tootma. Vastasel juhul avalduks toksiini mürgine toime. Stressitingimustes lagundavad proteaasid antitoksiine. Toksiinid vabanevad antitoksiini kontrollist, mille tulemusena peatub raku kasv või rakk sureb. Ühiseks II tüüpi TA süsteemide jooneks on ka TA kompleksi omadus enda operoni transkriptsiooni reguleerida. TA kompleks seondub TA operoni promootori piirkonna DNA-ga ja käitub transkriptsiooni repressorina. Kui antitoksiini lagundamise tulemusena TA komplekside hulk rakus väheneb, vabaneb TA operon repressioonist. Toksiini ja antitoksiini süntees taastub. Lisaks paikneb enamikul juhtudel antitoksiini geen operonis toksiini geenist ülesvoolu. Kuigi võib tunduda, et antitoksiini süntees oleks eelistatud, on ka mitmeid erandeid, kus toksiini geen asub enne antitoksiini oma.

III tüüp

TA süsteemide III tüübi antitoksiiniks on sarnaselt I tüübi moodulitele sRNA. Siiski on kahe mooduli toimemehhanism erinev. Praeguseks on teada mitmeid TA süsteemi kolmanda tüübi esindajaid. Esimeseks kirjeldatud kompleksiks oli ToxN-ToxI, kus ToxN on endoribonukleaas (ensüüm, mis lõhustab RNA ahela fragmentideks) ja ToxI RNA antitoksiin. TA moodul avastati Pectobacterium carotovoum’i plasmiidilt. Algselt arvati, et tegemist on bakteriofaagide vastase kaitsesüsteemiga. 
Erinevalt I tüüpi TA süsteemidest seondub antitoksiin otse valguga, mitte mRNA-ga. Toksiini geene on leitud mitmesuguste bakterite, sealhulgas inimeste ja loomade patogeenide, teistel plasmiididel ja kromosoomidel. Ei ole teada, kas need toksiinid on samuti antitoksiini RNA-de reguleeritud.

IV tüüp

TA süsteemi IV tüübi puhul on antitoksiin valk, mis kaitseb toksiini sihtmärki. TA süsteem koosneb toksiinvalgust yeeV(ctbB) ja antitoksiinist yeeU(ctbA). Toksiin yeeV blokeerib tsütoskeleti valkude MreB ja FtsZ polümerisatsiooni ning takistab seega rakujagunemist. Antitoksiin yeeU stabiliseerib MreB ja FtsZ polümeere ja nende teket. Täpset molekulaarset mehhanismi, mis selgitaks, kuidas yeeU toksiini aktiivsust häirib, pole veel teada. 
Kõikide teiste TA süsteemide toksiinid ja antitoksiinid toimivad vastastikku kas RNA või valgu tasemel. IV tüüp on ainus TA süsteem, milles toksiin ja antitoksiin otseselt kokku ei puutu.

V tüüp

Hiljuti arvati bakteri Escherichia coli GhoS-GhoT toksiini-antitoksiini moodul TA süsteemide V tüübi hulka. GhoT toksiini geeni aktiivsust reguleerib post-transkriptsiooniliselt valguline antitoksiin GhoS. GhoS on järjestusspetsiifiline endoribonukleaas, mis lagundab GhoT mRNA-d. See ainulaadne toksiini inaktiveerimine eristab V tüüpi muidu geneetiliselt sarnasest II tüüp TA süsteemist. Lisaks on GhoS antitoksiin stabiilne ning ei suuda oma operoni transkriptsiooni ise reguleerida.
Väikse hüdrofoobse GhoT toksiini ületootmine lõhub rakumembraani. Lõpuks bakter lüüsub ning moodustuvad tühjad bakterikestad. Bakteri Escherichia coli GhoS-GhoT moodul on seni ainuke kirjeldatud TA süsteemide V tüübi esindaja. GhoS ortolooge on leitud teistes bakteriperekondades nagu Serratia ja Erwinia.

Toksiini-antitoksiini süsteemide füsioloogilised funktsioonid

TA süsteeme on bakteri Escherichia coli puhul uuritud mitmetes stressitingimustes: toitainete puudus, antibiootikumi juuresolek, DNA kahjustamine, kuumašokk. Mitmed uuringud tõestavad, et kromosomaalsed TA süsteemid osalevad prokarüootide füsioloogiliste protsesside aeglustumises. Vastuolu tekitab küsimus, kas need muutused on taastuvad või algatavad programmeeritud raku surma. TA süsteemide olulisus persisterite fenotüübis on seevastu tuvastatud. Persisterid on fenotüübiliselt erinev subpopulatsioon bakterikultuuris, kes on antibiootikumide suhtes vähem tundlikud.

Toksiini-antitoksiini süsteemide rakendused

TA süsteemid on kasutusel biotehnoloogias ja molekulaarbioloogias. Peamiseks kasutusalaks on plasmiidide säilitamine suures bakteri rakukultuuris.
On välja pakutud, et toksiini-antitoksiini süsteemid võivad olla antibakteriaalse ravi uueks uurimisvaldkonnaks. TA süsteemide toksiinide antibakteriaalset aktiivsust on võimalik ära kasutada rakkude tapmiseks või antibiootilise ravi toetamiseks. Selleks on tarvis aktiveerida toksiin, mille tarvis välditakse TA komplekside moodustamist või lõhutakse olemasolevad TA kompleksid. Sama efekt on võimalik saavutada antitoksiini lagundamise või sünteesi häirimise teel.