البروتينات المشكلة للمسام

البروتينات المُشَكِّلة للمسام (بالإنجليزية: Pore-forming proteins) واختصاراً (PFTs)، وتُعرف أيضاً باسم السموم المُشَكِّلة للمسام، هي بروتينات تُنتج عادةً عن طريق البكتيريا، وتشمل عدداً من الذيفانات الخارجية البروتينية، ولكن قد تنتجها كائنات حية أخرى مثل حلزونات التفاح (فصيلة Ampullariidae) التي تنتج بيريفيتيلين-2 أو ديدان الأرض التي تنتج ليسينين. غالباً ما تكون هذه البروتينات سامة للخلايا (أي أنها تقتل الخلايا)، حيث تقوم بإنشاء مسام غير منظمة في غشاء الخلايا المستهدفة.

 الأنواع 
يمكن تقسيم البروتينات المُشكلة للمسام (PFTs) إلى فئتين، اعتماداً على البنية الهيكلية لـ قنواتها عبر الغشائية والتي قد تكون إما لولب ألفا أو برميل بيتا، وتتكون من:

سموم تشكيل المسام من نوع ألفا (Alpha-pore-forming toxins)
 مثال: عائلة هيموليسين E، أكتينوبورين، بورين الوتدية B، الذيفان الخلوي A في الإشريكية القولونية.

سموم تشكيل المسام من نوع برميل بيتا (Beta-barrel pore-forming toxins):
 مثال: ألفا هيموليسين للمكورات العنقودية الذهبية (الشكل 1)، ولوكوسيدين بانتون-فالنتين (PVL)، والعديد من السموم المبيدة للحشرات.

فئات أخرى:

سموم برميل بيتا الكبيرة المُشكلة للمسام:
 MACPF وحالّات خلوية معتمدة على الكوليسترول (CDCs)، وغاسديرمينStructure of Gastermin A channel in the lipid bilayer 

السموم الثنائية (Binary toxins):
 مثال: سم الجمرة الخبيثة، والبلوروتوليسين (Pleurotolysin).

السموم الصغيرة المُشكلة للمسام:
 مثال: غراميسيدين A.

وفقاً لـ قاعدة بيانات تصنيف الناقلات (TCDB)، توجد العائلات التالية من السموم المُشكلة للمسام:

1.C.3 عائلة ألفا هيموليسين (αHL):

1.C.4 عائلة إيروليسين

1.C.5 عائلة ذيفان إبسيلون (ε-Toxin)

1.C.11 عائلة ذيفان RTX الفائقة (ذيفان RTX)

1.C.12 عائلة مجمع الهجوم الغشائي/بيرفورين الفائقة (MACPF)

1.C.13 عائلة لوكوسيدين

1.C.14 عائلة سيتوهيموليسين (Cytohemolysin)

1.C.39 عائلة الحالّات الخلوية المعتمدة على الكوليسترول والمنشطة بالثيول (حالّات خلوية معتمدة على الكوليسترول)

1.C.43 عائلة ليسينين

1.C.56 عائلة قنوات كاتيون HrpZ لـ الزائفة السيرنجية (HrpZ)

1.C.57 عائلة الذيفان الخلوي للمطثيات (ذيفان خلوي للمطثيات)

1.C.74 عائلة الذيفان الخلوي للثعبان (SCT) (سم الثعبان)

1.C.97 عائلة بلوروتوليسين المُشكلة للمسام (Pleurotolysin)

 سموم تشكيل المسام من نوع بيتا 

سُميت سموم تشكيل المسام من نوع بيتا (β-PFTs) بهذا الاسم بسبب خصائصها الهيكلية؛ حيث تتكون في الغالب من نطاقات تعتمد على شرائط بيتا (β-strands). تمتلك هذه السموم تسلسلات متنوعة، وتُصنف بواسطة قاعدة بيانات قاعدة بيانات عوائل البروتينات إلى عدد من العائلات بما في ذلك اللوكوسيدين، وEtx-Mtx2، وتوكسين-10 (Toxin-10)، وإيجيروليسين (aegerolysin). كشفت هياكل علم البلورات بالأشعة السينية عن بعض القواسم المشتركة: حيث يرتبط ألفا هيموليسين للمكورات العنقودية الذهبية ولوكوسيدين بانتون-فالنتين S (PVL) PDB  بصلة هيكلية. وبالمثل، يرتبط إيروليسين وذيفان إبسيلون للمطثيات وMtx2 في عائلة Etx/Mtx2.

تضم سموم β-PFTs عدداً من السموم ذات الأهمية التجارية للسيطرة على الآفات الحشرية. هذه السموم قوية ولكنها أيضاً عالية التخصص لمجموعة محدودة من الحشرات المستهدفة، مما يجعلها عوامل مكافحة بيولوجية آمنة.

تشمل الأعضاء المبيدة للحشرات في عائلة Etx/Mtx2 كل من Mtx2 و Mtx3 من بكتيريا ليسينيباسيلوس سفيريكوس (التي كانت تعرف سابقاً باسم Bacillus sphaericus) والتي يمكنها السيطرة على البعوض الناقل للأمراض البشرية، وكذلك Cry15 وCry23 وCry33 وCry38 وCry45 وCry51 وCry60 وCry64 وCry74 من بكتيريا عصوية تورنجية التي تسيطر على مجموعة من الآفات الحشرية التي يمكن أن تسبب خسائر كبيرة للزراعة.

تظهر السموم المبيدة للحشرات في عائلة Toxin_10 تشابهاً عاماً مع هياكل سموم إيروليسين وEtx/Mtx2 ولكنها تختلف في ميزتين بارزتين. فبينما تتميز جميع هذه السموم بنطاق رأس ونطاق ذيل أكبر وممتد من صفائح بيتا، يتشكل الرأس في عائلة Toxin_10 حصرياً من المنطقة الطرفية الأمينية (N-terminal) للتسلسل الأولي للأحماض الأمينية، بينما تساهم مناطق من جميع أنحاء تسلسل البروتين في نطاق الرأس في سموم Etx/Mtx2. بالإضافة إلى ذلك، تظهر نطاقات الرأس لبروتينات Toxin_10 ميزات شبيهة بـ الليكتين الخاصة بنطاقات الارتباط بالكربوهيدرات. الأهداف الطبيعية الوحيدة المبلغ عنها لبروتينات Toxin_10 هي الحشرات. وباستثناء Cry36 و Cry78، تبدو سموم Toxin_10 وكأنها تعمل كسموم ثنائية مكونة من جزأين. قد تنتمي البروتينات الشريكة في هذه المجموعات إلى مجموعات هيكلية مختلفة، اعتماداً على السم الفردي: يعمل بروتينا Toxin_10 (BinA وBinB) معاً في سم Bin المبيد للبعوض من Lysinibacillus sphaericus؛ ويعتمد بروتين Toxin_10 Cry49 بشكل مشترك على عضو عائلة السموم ثلاثية النطاقات Cry48 لنشاطه ضد يرقات بعوض كيولكس (Culex)؛ ويتفاعل بروتين Toxin_10 Cry35 من Bacillus thuringiensis مع Cry34 من عائلة إيجيروليسين لقتل دودة جذر الذرة الغربية. تم تضمين زوج السموم هذا في النباتات المقاومة للحشرات مثل ذرة SmartStax.

 طريقة العمل 
تصغير|300px|مقارنة هيكلية بين شكل المسام في ألفا-هيموليسين (وردي/أحمر) والشكل القابل للذوبان لـ PVL (أخضر شاحب/أخضر). يُفترض أن القسم الأخضر في PVL "ينقلب" إلى التكوين "الأحمر" كما يظهر في ألفا-هيموليسين. ()

سموم بيتا (β-PFTs) هي بروتينات ثنائية الشكل (dimorphic) توجد كـوحدات جزيئية (monomers) قابلة للذوبان ثم تتجمع لتشكل تجمعات متعددة الوحدات (multimeric) تُكون المسام. يوضح الشكل 1 شكل المسام لألفا-هيموليسين، وهو أول هيكل بلوري لـ β-PFT في شكله المسامي. تتجمع 7 مواحيد من ألفا-هيموليسين لإنشاء مسام على شكل فطر. تجلس "قبعة" الفطر على سطح الخلية، وتخترق "ساق" الفطر غشاء الخلية، مما يجعله نفاذاً (انظر لاحقاً). تتكون "الساق" من برميل بيتا مكون من 14 شريطاً، حيث يساهم كل موحود بشريطين.
هيكل الذيفان الخلوي لـ ضمة الكوليرا  PDB  في شكل المسام هو أيضاً سباعي الوحدات (heptameric)؛ ومع ذلك، يكشف غاما-هيموليسين لـ مكورات عنقودية ذهبية  PDB  عن مسام ثماني الوحدات (octomeric)، وبالتالي بساق مكونة من 16 شريطاً. يُظهر هيكل لوكوسيدين بانتون-فالنتين S  هيكلاً شديد الارتباط، ولكن في حالته المونومرية القابلة للذوبان. يُظهر هذا أن الشرائط المشاركة في تكوين "الساق" تكون في تشكيل مختلف تماماً - كما هو موضح في الشكل 2.

بينما يستطيع سم Bin من Lysinibacillus sphaericus تشكيل مسام في أغشية صناعية وخلايا البعوض المستزرعة، فإنه يسبب أيضاً سلسلة من التغييرات الخلوية الأخرى بما في ذلك امتصاص السم في الجسيمات الداخلية (Endosomes) المعاد تدويرها وإنتاج حويصلات كبيرة للالتهام الذاتي والسبب النهائي لموت الخلية قد يكون موت الخلية المبرمج (الاستماتة). وتُرى تأثيرات مماثلة على بيولوجيا الخلية مع أنشطة Toxin_10 الأخرى لكن أدوار هذه الأحداث في السمية لا تزال بحاجة إلى التثبت منها.

 التجميع 
الانتقال بين المونومر القابل للذوبان والبروتومر المرتبط بالغشاء إلى الأوليغومر (قليل القسيمات) ليس بالأمر الهين: يُعتقد أن β-PFTs تتبع مسار تجميع مشابه لـ CDCs (انظر  لاحقاً)، حيث يجب أن تتجمع أولاً على سطح الخلية (بطريقة تتوسطها المستقبلات في بعض الحالات) في حالة ما قبل المسام. بعد ذلك، يحدث التغيير الهيكلي واسع النطاق حيث يتشكل القسم الذي يمتد عبر الغشاء ويدخل في الغشاء. الجزء الذي يدخل الغشاء، المشار إليه بالرأس، عادة ما يكون غير قطبي وكاره للماء، مما ينتج إدخالاً مناسباً من حيث الطاقة للسم المُشكل للمسام.

 الخصوصية 
ترتبط بعض β-PFTs مثل ذيفان إبسيلون للمطثيات والذيفان المعوي لـ مطثية حاطمة (CPE) بغشاء الخلية عبر مستقبلات محددة - ربما بعض الـ كلودينات لـ CPE، وربما مثبتات GPI أو سكريات أخرى لذيفان إبسيلون - تساعد هذه المستقبلات في رفع التركيز المحلي للسموم، مما يسمح بتكوين الأوليغومرات وتشكيل المسام.

يتعرف مكون BinB من عائلة Toxin_10 لسم Bin في Lysinibacillus sphaericus بشكل خاص على ألفا غليكوزيداز مثبت بـ GPI في المعي المتوسط لبعوض كيولكس وأنوفيليس ولكنه لا يتعرف على البروتين المرتبط الموجود في بعوض الزاعجة (Aedes)، مما يمنح السم خصوصيته.

 التأثيرات القاتلة للخلايا للمسام 
عندما يتشكل المسام، يتعطل التنظيم المحكم لما يمكن وما لا يمكن أن يدخل أو يغادر الخلية. تتدفق الأيونات والجزيئات الصغيرة، مثل الأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات داخل الخلية، إلى الخارج، ويدخل الماء من الأنسجة المحيطة. يمكن أن يؤدي فقدان الجزيئات الصغيرة المهمة للخلية إلى تعطيل تخليق البروتين والتفاعلات الخلوية الحاسمة الأخرى. يمكن أن يؤدي فقدان الأيونات، وخاصة الكالسيوم، إلى تنشيط أو تعطيل مسارات تأشير الخلية بشكل زائف.قد يؤدّي دخول الماء إلى الخلية بشكل غير منضبط إلى تضخّمها بصورة مفرطة، مما يسبّب عملية تُعرَف بتكوُّن الفقاعات الغشائية (blebbing). حيث تتشوه أجزاء كبيرة من غشاء الخلية وتنهار تحت الضغط الداخلي المتزايد. في النهاية، يمكن أن يتسبب هذا في انفجار الخلية. على وجه الخصوص، تخضع كريات الدم الحمراء الخالية من النواة تحت تأثير ألفا-ستا فيلوتوكسين (alpha-staphylotoxin) للتحلل الدموي مع فقدان بروتين الهيموغلوبين الكبير.

 السموم الثنائية 

هناك العديد من الأنواع المختلفة للسموم الثنائية. يشير مصطلح السم الثنائي ببساطة إلى سم مكون من جزأين حيث يكون كلا المكونين ضرورياً للنشاط السمي. تشكل العديد من β-PFTs سموماً ثنائية.

كما نوقش أعلاه، تعمل غالبية بروتينات عائلة Toxin_10 كجزء من سموم ثنائية مع بروتينات شريكة قد تنتمي إلى Toxin_10 أو عائلات هيكلية أخرى. لم تتم دراسة التفاعل بين المكونات الفردية بشكل جيد حتى الآن. السموم الأخرى ذات الصفائح بيتا ذات الأهمية التجارية هي أيضاً ثنائية. وتشمل هذه سم Cry23/Cry37 من Bacillus thuringiensis. US Patent US6063756A تُظهر هذه السموم بعض التشابه الهيكلي مع السم الثنائي Cry34/Cry35 ولكن لا يظهر أي من المكونين تطابقاً مع عائلات Pfam الراسخة وتشترك ميزات بروتين Cry23 الأكبر مع عائلة Etx/Mtx2 أكثر من عائلة Toxin_10 التي ينتمي إليها Cry35.

 السموم الثنائية الإنزيمية 

تتكون بعض السموم الثنائية من مكون إنزيمي ومكون يشارك في تفاعلات الغشاء ودخول المكون الإنزيمي إلى الخلية. قد يحتوي المكون المتفاعل مع الغشاء على نطاقات هيكلية غنية بصفائح بيتا. تتكون السموم الثنائية، مثل سموم الجمرة الخبيثة القاتلة والوذمة (المقال الرئيسي: سم الجمرة الخبيثة)، وسم إيوتا (iota toxin) لـ C. perfringens والسموم القاتلة للخلايا لـ C. difficile من مكونين (ومن هنا جاءت التسمية ثنائية):

مكون إنزيمي – A

مكون مُغيِّر للغشاء – B

في هذه السموم الثنائية الإنزيمية، يسهل المكون B دخول "الحمولة" الإنزيمية (الوحدة الفرعية A) إلى الخلية المستهدفة، عن طريق تكوين مسام متجانسة القسيمات، كما هو موضح أعلاه لـ βPFTs. يدخل المكون A بعد ذلك إلى السيتوسول ويثبط وظائف الخلية الطبيعية بإحدى الوسائل التالية:

 أستلة ADP (إضافة ريبوز ADP) 

أستلة ADP (ADP-ribosylation) هي طريقة إنزيمية شائعة تستخدمها سموم بكتيرية مختلفة من أنواع مختلفة. تقوم سموم مثل سم إيوتا لـ C. perfringens وسم C2 لـ C. botulinum بربط جزء ريبوزيل-ADP ببقايا أرجينين سطحية 177 من الأكتين-G. يمنع هذا الأكتين-G من التجمع لتكوين الأكتين-F، وبالتالي ينهار الهيكل الخلوي، مما يؤدي إلى موت الخلية. تشمل الأعضاء المبيدة للحشرات في عائلة ناقلات ريبوزيل ADP سم Mtx1 من Lysinibacillus sphaericus وسم Vip1/Vip2 من Bacillus thuringiensis وبعض أعضاء مجمع السموم (Tc) من البكتيريا سالبة الجرام مثل أنواع فوتورابدوس وزينورابدوس. المناطق الغنية بصفائح بيتا في بروتين Mtx1 هي تسلسلات شبيهة بـ ليكتين قد تشارك في تفاعلات الغليكوليبيد.

 التحلل البروتيني لكينازات كيناز البروتين المنشط بالميتوجين (MAPKK) 

المكون A للسم القاتل في سم الجمرة الخبيثة هو بروتياز فلزي يعتمد على الزنك، والذي يظهر خصوصية لعائلة محفوظة من كيناز البروتين المنشط بالميتوجين. يؤدي فقدان هذه البروتينات إلى انهيار إشارات الخلية، مما يجعل الخلية غير حساسة للمحفزات الخارجية - وبالتالي لا يتم تحفيز أي استجابة مناعية.

 زيادة المستويات داخل الخلوية من cAMP 

يحفز سم الوذمة في الجمرة الخبيثة تدفق أيونات الكالسيوم إلى الخلية المستهدفة. يؤدي هذا لاحقاً إلى رفع مستويات cAMP داخل الخلايا. يمكن أن يغير هذا بشكل عميق أي نوع من الاستجابة المناعية، عن طريق تثبيط تكاثر الكريات البيض، والبلعمة، وإطلاق السيتوكينات المحرضة على الالتهاب.

 الحالّات الخلوية المعتمدة على الكوليسترول 
تصغير|300px|يسار|إعادة بناء بالمجهر الإلكتروني لشكل ما قبل المسام لنيوموليسين
تصغير|يسار|400px|أ) هيكل بيرفرينغوليسين O و ب) هيكل PluMACPF. في كلا البروتينين، تظهر المجموعتان الصغيرتان من لوالب ألفا التي تنفك وتخترق الغشاء باللون الوردي. ()
CDCs، مثل نيوموليسين (pneumolysin)، من S. pneumoniae، تشكل مساماً يصل حجمها إلى 260 أنغستروم (26 نانومتر)، تحتوي على ما بين 30 و 44 وحدة مونومر. تظهر دراسات المجهر الإلكتروني لنيوموليسين أنه يتجمع في مجمعات بروتينية محيطية متعددة القسيمات كبيرة قبل الخضوع لتغيير في التشكيل تتحول فيه مجموعة من لوالب ألفا في كل مونومر إلى دبابيس شعر بيتا ممتدة ومزدوجة الألفة تمتد عبر الغشاء، بطريقة تذكرنا بألفا-هيموليسين، وإن كان ذلك على نطاق أوسع بكثير (الشكل 3). CDCs متماثلة مع عائلة MACPF من السموم المُشكلة للمسام، ويُقترح أن كلتا العائلتين تستخدمان آلية مشتركة (الشكل 4). تعمل بروتينات MACPF حقيقية النواة في الدفاع المناعي وتوجد في بروتينات مثل بيرفورين والمكون المتمم C9 على الرغم من أن بيريفيتيلين-2 هو MACPF مرتبط بـ ليكتين توصيل وله خصائص ذيفان معوي وسم عصبي تجاه الفئران.

تنتج عائلة من الحالّات الخلوية المعتمدة على الكوليسترول والمحفوظة للغاية، والمرتبطة ارتباطاً وثيقاً ببيرفرينغوليسين من مِطَثِّيَّة حاطمة، بواسطة بكتيريا من رتبة Bacillales وتشمل أنثروليسين (anthrolysin) وألفيوليسين (alveolysin) وسفيريكوليسين (sphaericolysin). ثبت أن سفيريكوليسين يظهر سمية لمجموعة محدودة من الحشرات المحقونة بالبروتين المنقى.

 الوظيفة البيولوجية 
قد تستثمر البكتيريا الكثير من الوقت والطاقة في صنع هذه السموم: يمكن أن يمثل CPE ما يصل إلى 15% من الكتلة الجافة لـ C. perfringens في وقت التبوغ. يُعتقد أن الغرض من السموم هو أحد الأسباب التالية:

الدفاع ضد البلعمة، على سبيل المثال، بواسطة الخلايا البلعمية.

داخل العائل، إثارة استجابة مفيدة لانتشار البكتيريا، على سبيل المثال في الكوليرا. أو في حالة البكتيريا المبيدة للحشرات، قتل الحشرة لتوفير مصدر غني بالمغذيات في الجثة لنمو البكتيريا.

الغذاء: بعد تمزق الخلية المستهدفة وإطلاق محتوياتها، يمكن للبكتيريا أن تقتات على البقايا للحصول على المغذيات أو، كما هو مذكور أعلاه، يمكن للبكتيريا استعمار جثث الحشرات.

البيئة: تساعد الاستجابة المناعية للثدييات في خلق بيئة لا هوائية تتطلبها البكتيريا اللاهوائية.

 قراءات إضافية 

A deadly toxin with a romantic name: Panton-Valentine Leukocidin complex. PDBe Quips

 روابط خارجية 

 المراجع 

تصنيف:بروتينات غشائية محيطية