Mikrobielles Toxin

Molekülstruktur des Botulinumtoxins, das Toxin des Bakteriums Clostridium botulinum

Mikrobielles Toxin bezeichnet ein Toxin, das von Mikroorganismen (Mikroben) erzeugt wird, d. h. von Bakterien, Protisten oder Pilzen. Eine durch mikrobielle Toxine ausgelöste Erkrankung wird als mikrobielle Toxinose bezeichnet, teilweise auch ohne eine Anwesenheit lebender Mikroorganismen.[1]

Eigenschaften

Mikrobielle Toxine gehören meistens zu den Proteinen, Glykoproteinen, Proteolipiden, Glykolipiden oder Polysacchariden. Proteinbasierte mikrobielle Toxine besitzen oftmals eine enzymatische Aktivität, was ihre Wirkung verstärkt, da ein Toxinmolekül mehrere Zielmoleküle inaktivieren oder aktivieren kann. Die enzymatische Aktivität bewirkt oftmals eine posttranslationale Modifikation. Mikrobielle Toxine werden von Mikroorganismen zur Verbesserung der Vermehrungsbedingungen verwendet, einige davon sind bedeutende Virulenzfaktoren und verstärken die Symptome einer Infektionskrankheit. Daneben kann auch eine Hemmung eines zellulären Moleküls ohne eine enzymatische Wirkung durch eine Bindung erfolgen.[2] Oftmals dienen mikrobielle Toxine den Mikroorganismen durch die Zerstörung von Zellen in einem Wirt der Verbesserung des Nahrungsangebots oder der Zerstörung oder Hemmung von Immunzellen im Zuge einer Immunevasion.[3] Manche mikrobielle Toxine wirken nur durch Aktivierung von Immunzellen, ohne eine eigene Giftwirkung, z. B. einige Endotoxine. Andere mikrobielle Toxine können in Nahrungsmitteln angereichert werden und zu einer Lebensmittelvergiftung führen, z. B. der Botulismus.

Mikrobielle Toxine werden in der Biochemie unter anderem zur Bindung oder Modifikation der Zielmoleküle des jeweiligen Toxins,[4] im Zuge eines Proteindesigns zur Erzeugung von Immuntoxinen, als Adjuvans bei experimentellen Impfstoffen oder als Transgen bei onkolytischen Viren verwendet.[5][6] MvirDB ist eine Datenbank mikrobieller Toxine.[7]

Bakterielle Toxine

Bakterielle Toxine können nach ihrem Auftreten in Endotoxine und Exotoxine eingeteilt werden.

Exotoxine

Exotoxine kommen vor allem außerhalb der Bakterienzelle vor und werden meistens sezerniert, z. B. Diphtherietoxin, Tetanustoxin, Choleratoxin, Botulinumtoxin, α-Hämolysin, Clostridium perfringens α-Toxin, Exotoxin A, Anthraxtoxin, Pertussistoxin, Tracheales Cytotoxin (TCT) aus Bordetella pertussis, das dermonekrotische Toxin aus Bordetella parapertussis und B. bronchiseptica, Shigatoxin, das Shiga-like-Toxin 1, das Shiga-like-Toxin 2, das Pasteurella-multocida-Toxin (PMT), das Cytolethal distending Toxin (CDT) aus Campylobacter coli, das thermolabile Hämolysin und das thermostabile direkte Hämolysin aus Vibrio parahaemolyticus, das vakuolisierende Cytotoxin aus Helicobacter pylori und die porenbildenden Toxine, z. B. Leukozidin.[8] Bakterielle Exotoxine sind in der Datenbank DBETH verzeichnet.[9]

Die Toxine des anaerob im Boden lebenden Bakteriums Clostridium botulinum, die Botulinumtoxine, gehören zu den giftigsten bekannten Toxinen und erzeugen das Krankheitsbild des Botulismus. Botulinumtoxin wird unter anderem zur Behandlung der Hyperhidrosis und in der kosmetischen Chirurgie zur Minderung von Mimikfalten verwendet.[10]

Endotoxine

Endotoxine werden dagegen meistens erst bei einer Zerstörung des Bakteriums im Zuge einer Immunreaktion oder bei einem Zellaufschluss freigesetzt und sind daher unter anderem Bestandteile der mikrobiellen Zellwand oder der äußeren Membran gramnegativer Bakterien (z. B. Lipopolysaccharide). Superantigene und verschiedene PAMP-Endotoxine sind, z. B. bei einer Sepsis oder einer Toxinose, über eine Aktivierung der angeborenen Immunantwort entzündungsfördernd und daher medizinisch relevante Pyrogene, z. B. Lipopolysaccharide.

Toxine von Pilzen

Von lebenden Pilzzellen ausgeschiedene Toxine besitzen im Vergleich zu bakteriellen (proteinbasierten) Exotoxinen meistens eine geringere Molmasse. Aspergillus flavus produziert Aflatoxine, welche zu den am stärksten mutagen wirkenden Toxinen gehören. Analog zu den bakteriellen Endotoxinen wird beim Zelluntergang und -abbau bei Hefen das Polysaccharid Zymosan freigesetzt, welches den TLR-2 des angeborenen Immunsystems aktiviert.

Literatur

• Manfred J. Schmitt, Raffael Schaffrath: Microbial Protein Toxins. In: Topics in Current Genetics, Band 11. Springer 2005, ISBN 978-3-540-23562-0.
• Otto Holst: Microbial Toxins – Methods and Protocols. In: Methods in Molecular Biology, Band 739, Humana 2011, ISBN 978-1-61779-101-7.
• Donald G. Barceloux: Medical Toxicology of Natural Substances Foods, Fungi, Medicinal Herbs, Plants, and Venomous Animals. Wiley 2008, ISBN 978-0-471-72761-3.

Weblinks

• Gordon Research Conference on microbial toxins and pathogenicity. Fachtagung zu mikrobiellen Toxinen (englisch), grc.org; abgerufen am 21. April 2014.

Einzelnachweise

1. Bruce Fisher, Richard P. Harvey, Pamela C. Champe: Microbiology (= Lippincott’s Illustrated Reviews Series). 2. Auflage. Lippincott Williams & Wilkins, Hagerstown MD 2006, ISBN 0-7817-8215-5, S. 348 (englisch). 
2. E. Lemichez, J. T. Barbieri: General aspects and recent advances on bacterial protein toxins. In: Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine, Band 3, Nummer 2, Februar 2013, ISSN 2157-1422, S. a013573; doi:10.1101/cshperspect.a013573, PMID 23378599.
3. Langley et al.: Microbial Toxins: Current Research and Future Trends. Caister Academic Press, 2009, ISBN 978-1-904455-44-8, Staphylococcal Immune Evasion Toxins (englisch). 
4. G. Schiavo, F. G. van der Goot: The bacterial toxin toolkit. In: Nature Reviews Molecular Cell Biology, Band 2, Nummer 7, Juli 2001, S. 530–537; ISSN 1471-0072, doi:10.1038/35080089, PMID 11433367. .give2all.org (PDF).
5. T. Proft (Hrsg.): Microbial Toxins: Current Research and Future Trends. Caister Academic Press, 2009, ISBN 978-1-904455-44-8 (englisch). 
6. Definition of bacterial toxin. In: NCI Dictionary of Cancer Terms. Abgerufen am 13. Dezember 2008. 
7. C. E. Zhou, J. Smith, M. Lam, A. Zemla, M. D. Dyer, T. Slezak: MvirDB–a microbial database of protein toxins, virulence factors and antibiotic resistance genes for bio-defence applications. In: Nucleic Acids Research, Band 35, Database issue, 2007, S. D391–D394; ISSN 1362-4962, doi:10.1093/nar/gkl791, PMID 17090593, PMC 1669772 (freier Volltext).
8. D. M. Gill: Bacterial toxins: a table of lethal amounts. In: Microbiological reviews, Band 46, Nummer 1, März 1982, S. 86–94; ISSN 0146-0749, PMID 6806598, PMC 373212 (freier Volltext).
9. A. Chakraborty, S. Ghosh, G. Chowdhary, U. Maulik, S. Chakrabarti: DBETH: a Database of Bacterial Exotoxins for Human. In: Nucleic acids research, Band 40, Database issue, 2012; ISSN 1362-4962, S. D615–D620; doi:10.1093/nar/gkr942, PMID 22102573, PMC 3244994 (freier Volltext).
10. R. Kukreja, B. R. Singh: Microbial Toxins: Current Research and Future Trends. Caister Academic Press, 2009, ISBN 978-1-904455-44-8, Botulinum Neurotoxins: Structure and Mechanism of Action (englisch).