Gazda-parazita ko-evolúció
Humans as ecosystems •
Humans are more than assembly of human cells: we are not sterile – Ten times more microbial cells!
• • •
Our skin, mucosal surfaces, eyes, mouth, intestines, etc. are colonized by microbes Symbionts, mutualists, opportunists, parasites, pathogens Normal flora: normal microbionta
Bifidobacteria (Lactobacilli)
Streptococcus mutans
Helicobacter pylori
Humans as ecosystems •
• •
The fetus is sterile, colonized during and after birth – maternal faces and vaginal flora – Cesarean section: health disadvantage Mothers milk: Bifidobacterial growth promoting factors First: facultative anaerobes, followed by anaerobes
1. Production of short chain fatty acids (acetic-, lactic-, butyric acid, etc. Low pH, suplying our epithelial cell with energy sterile mice needs 30 % more food! 2. Production of vitamins and cofactors (B12, folic acid, vitamin K, etc.) 3. Inhibiting growth of pathogenic organisms 4. Degradation of (plant) toxins
4. Ontogenetic role: morphogenic effect, educating the immune system
Competition for nutrients • •
The colon is very rich in nutrients, has a constant temperature, low in O2 Antibiotics might cause drastic changes in composition of microbionta
Clostridium difficile
Bacterial species • • • •
Species is well defined in case of vertebrates, plants and many other orgnisms Bacterial genome is highly unstable: continuously lost and aquired genes Man, chimp, bonobo: < 1 % difference in genome E. coli: 20-30 % difference between the genomes of different strains
Solution: 16S RNA sequence analysis should be used Protein synthesis is carrid out by ribosomes All ribosomes are very similar in structure and composition rRNA and rDNA sequences can be amplified by PCR Sequence analysis is relatively simple, very reliable Instead of species: OTU operational taxonomic units
Bacterial species Previously only those bacteria were studied which grew in culture
More than 90 % of bacteria can not be cultured in vitro The sensitivity of PCR-coupled sequencing allows us to study „hiding” bacteria: their relationship can be established, their genes can be sequenced, their capabilities can be estimated „flash eating” Staphylococcus aureus
Different Streptococci grown on agar plate „swimming” Proteus bacteria in culture
The 16S rRNA tree of life Comparing 16S rRNA sequences relationship of all living organisms can be established Even extinct species can fit into this system Worth to realize that „ancient” organisms can tolerate higher temperatures than „modern” species
Bacteria Color code: Proteobacteria Firmicutes Actinobacteria Cyanobacteria Spirochaetes Bacteroidetes Chlamydiae Chlorobi Acidobacteria Chloroflexi Aquificae Fusobacteria Planctomycetes Thermotogales Deinococcus-Thermus
Who is living with us? • •
Skin flora: how to tell? Sampling: swab, scrape, take biopsy
• • •
Swab: 10 000 / cm2 Scrape: 50 000 / cm2 Punch: 1 million / cm2!
• • •
5 human, 10 arms 5373 rRNA samples 113 different OTUs
Who is living with us?
Microbiontas of our skin and of mice ears are very similar
Fungi are usually pathogenic Only a few microscopic (unicellular) yeasts are present in the normal flora Dimorf fungi are usually opportunistic pathogenic agents Aspergillus fumigatus
Histoplasma capsulatum
Candida albicans
Microbiome and health Periodic changes in gut microbionta were detected in allergic patients during the pollen season Probiotic bacerial culture was beneficial in preventing these changes and symptoms
Gut flora of (colon) cancer patients is characteristically different from „normal” microbionta Eczema
atopic skin
Is obesity caused by microbes? Scientific papers suggest that obese people’s flora differ from that of healthy controls Cause or consequence?
Emlősök és parazitáik A gazda-parazita ko-evolúciónak csak az emlősöket és azok vírusait, baktériumait érintő kérdéseit tárgyaljuk.
A kórokozók elleni védelem első vonala a kültakaró és a nyálkahártyák. A bőr felszínét élettelen, elszarusodott sejtek védik, a légutak, emésztőszervek epiteliális sejtjei kb. 2 naponta megújulnak. Ha a kórokozó be akar jutni a szervezetbe, akkor vagy aktív mozgásra alkalmasnak kell lennie (ostor, csilló, stb.) vagy vektorokat (szúnyog, moszkító, kullancs, bolhák, tetvek, legyek, bögölyök, stb.) kell használnia (a sebzéseken, égett felszíneken keresztül való behatolás: fakultatív patogének). A kórokozónak igen gyorsan kell tudni szaporodni, hogy átjusson a védelmi vonalakon (Langerhans sejtek, szöveti makrofágok, neutrofilek)
Védő sejtek, mechanizmusok PAMP (Pathogen-associated molecular pattern) mintafelismerő receptorok A komplement rendszer: ősi proteáz-kaszkád, membrán pórusokat alakít ki Defenzinek, kemokinek, citokinek Ellenanyag molekulák: „neutralizálnak”, megjelölik az ellenségeket (opszonizáció) – aktiválják a komplementet és a falósejteket Falósejtek: monociták, makrofágok, neutrofilek O és N szabadgyök termelés, hipoklorit anion generálás Dendritikus sejtek: a kórokozóra (veszélyre) jellemző molekulák bemutatása, CTL-ek aktiválása Citotoxikus T limfociták (CTL): kórokozó által fertőzött (saját) sejtek pusztítása
NK (természetes ölő-) sejtek: „gyanús” sejtek pusztítása
Virulencia faktorok A betegség okozáshoz szükséges fehérjék a virulencia faktorok A „profi” kórokozók tucatnyi virulencia faktorral rendelkeznek (kevesebb nem elég). S. pneumoniae: kapszula a fagocitózis ellen, S. aureus: protein A, Treponema pallidum – a fibronektin láthatatlanná teszi
adszorpciót-gátló fehérjék Streptococcus Protein M, Staphylococcus Protein A, Salmonella typhi Vi antigén megvédik a sejteket a komplement-okozta lízis és a fagocitózis ellen. Egyes gennykeltő (pyogén) kokkuszok megölhetik a falósejteket. S. pyogenes és a Staphylococcus-ok enzimei " felfújják" a lizoszómákat, sejthalált váltva ki.
Virulencia faktorok A fertőzést elősegítő gének termékeit virulencia faktoroknak nevezzük. A „profi” kórokozók virulencia faktorok tucatjaival rendelkeznek Ilyen faktorok a kapszulák és tokok, amelyek megakadályozzák a falósejtek általi pusztítást. Más anyagok a baktériumot „láthatatlanná” teszik az immunrendszer sejtjei számára: a gazda fehérjéibe burkolják be a kórokozót (Treponema pallidum – szifilisz - fibronektin, Staphylococcus aureus: protein A), vagy poliszaharid nyálkával, géllel veszik körül a sejtet. A vastag sejtfal, LPS, adszorpció-gátló fehérjék (Streptococcus Protein M, Staphylococcus Protein A, Salmonella typhi Vi antigen) képesek megvédeni a baktériumot a komplement fehérjék által kiváltott lízissel szemben. Egyes gennykeltő (pyogen) intracelluláris kokkuszok képesek megölni az őket fagocitáló falósejteket. A S. pyogenes és a patogén Staphylococcus-ok lítikus enzimeket szekretálnak, amelyek a lizoszómák „felrobbantásával” menekülnek ki a falósejtekből
Virulencia faktorok A kórokozók adhezinjei sejtfelszíni molekulákhoz kötődnek, gyakran receptorokat ismernek fel. A kölcsönhatás általában faj- és szövetspecifikus (S. mutans: fog, S. gingivalis: nyálkahártya). A Vibrio, Neisseria és Pseudomonas mannózkötő fimbriális fehérjéket fejlesztett ki E. coli még sziálsav-kötő (S-fimbriákat) is hordoz. Ezek a fehérjék elősegítik a sejtekbe bejutást – receptor-mediált endocitózissal.
Virulencia faktorok Ellentétben az adhezinekkel, az invazinek kívülről ható enzimek, amelyek lokálisan lebontják a védelmi fehérjéket (extracelluláris mátrix, kollagének, keratinok, immunglobulinok, stb.) vagy elbontják a membránt alkotó lipideket. Ezáltal a kórokozó gyorsabban terjed a szövetek között (egyes esetekben még gáztermeléssel találkozunk (gázgangréna). A sejteket pusztító exotoxinok (pl. diftéria) is segítik a terjedést, de ezek nem igazi invazinek. Az invazinek egyik csoportja fehérjebontó enzim, szilárd szövetek lebontására alkalmas (pl. kötőszöveti hialuronsavat bontó Clostridial enzimek, vagy a zselatinázok, stb.) más fehérjék a membrán integritását támadják meg: a lipázok pórusokat képeznek vagy sejtlízist okoznak (Clostridiumok és Gram pozitív kokkuszok lecitinázai, foszfolipázai.
Virulencia faktorok A Gram negatív organizmusok endotoxinja (a lipopoliszaharid, LPS) igen erős immun-aktiválásra képes. Az endotoxin igen erős pirogén, a legtöbb emlősben akár toxikus sokk szindrómát is okozhat, ha szintje elég magas. Az exotoxinok baktériumok által termelt antibiotikumok, a leghatásosabb mérgek közé tartoznak. A sejteket pusztítva a kórokozó gyorsabban terjed a szövetek között (egyes esetekben még gáztermeléssel is találkozunk (gázgangréna). Génjüket gyakran hordozza fág vagy plazmid. A Gram negatív Pseudomonas aeruginosa Exotoxin A-ja az eukarióta fehérjeszintézist képes leállítani A diftéria exotoxin (DT, Corynebacterium diptheriae) egyetlen molekulája is megöli a sejtet, kb. 30 milliószor mérgezőbb a ciánnál. A baktérium akár 5,000 molekulát termel óránként! (Természetes anyag) A szuperantigének (Streptococcus, Staphylococcus, stb.) az immunrendszer abnormális aktiválódásához vezetnek, ami a szervezet tartalékainak kimerüléséhez vezethetnek.
Virulencia faktorok A Gram-negatív enteropatogének sajátos, III. típusú szekréciós rendszerrel rendelkeznek. Ennek elemei lehetővé teszik, hogy a baktérium az emlős sejtbe injektálhat különböző molekulákat (effektorokat) A Yersinia pestis által kódolt 6 Yop exotoxin átrendezi a sejtvázat, akadályozva a fagocitózist, lehetővé teszi falósejtek megfertőzését. A S. flexneri Ipa fehérjéi a neutrofilek nekrózisát okozzák, így áthatolhat a baktérium az epitélen A Neisseria speciális IgA-t bontó enzimet termel
Virulencia faktorok Megint más invazinek a gazdasejtek aktiv mikrofilamentumait használják fel a sejten belüli és sejtek közötti közlekedés céljára, ezek főleg obligát, intracelluláris parazitáknál gyakoriak.
„Aktin rakéta”
Vas a fertőzés központjában A kórokozó szempontjából az emlős szervezet ideális környezet, minden tápanyag rendelkezésre áll - egyetlen kivétellel: bár rengeteg vas található, az nem hozzáférhető (hem, ferritin, transzferrin vagy laktoferrin köti, igen erősen). Számos patogén fejlesztett ki fehérjéket, amelyek felszabadítani vagy még erősebben kötni képesek a vasat (hemolizinek és sziderofórok, mint pl. Escherichia és Salmonella enterochelin-ek).
ferritin
Patogenitási (gén-) szigetek A hatékony fertőzés több virulencia faktor egyidejű meglétét követeli meg A baktérium genomjában, vagy transzpozonon, plazmidon, lizogén fág által kódolva a virulencia gének csoportokban, un. patogenitási szigeteket (ld. sárga blokkok) alkotnak
Patogenitási szigetek A kóli virulencia faktorait mobil genetikai elemek (transzpozonok, pl. ST enterotoxin), plazmidok (pl. az inváziós faktorok) és bakteriofágok (pl. a Shiga toxin) is kódolhatják.
Ezek a gének felelősek a patogén kólik kilakulásáért (EPEC, EHEC, EAEC, DAEC: hasmenés), (EIEC: vérhas), (EHEC: hemolítikus urémia), (UPEC: húgyúti fertőzések), (MNEC: meningítisz). HUS, haemolytic uremic syndrome; UTI, húgyúti fertőzés (urinary tract infection)
Egy profi: a Helicobacter pylori
Vírusok és apoptózis Sejtjeink vírusfertőzés esetén altruisztikus módon apoptózist követnek el, akadályozva a vírus szaporodását és terjedését.
Minden ismert kórokozó vírus hordoz apoptózist-gátló géneket Ezeknek a géneknek egy része egyértelműen gazda eredetű, de vannak vírus-által kifejlesztett gének is. A kis RNS vírusok olyan gyorsan szaporodnak, hogy nincs idő az apoptotikus program végrehajtására (egyébként is lizálják a sejtet). A kis genommal rendelkező vírusok anti-apoptotikus génjeinek eredete nem kideríthető
Vírusok anti-apoptotikus mechanizmusai
Az influenza vírusa Az influenza vírusa glikozilált felszíni fehérjékhez kapcsolódik, ezeket használja receptor gyanánt, endocitózissal jut a sejtbe A vírusfertőzéshez elengedhetetlen az endoszóma elsavasodása (amit pl. az ammónia gátol) Az emlős vvt-k felszínén igen magas a sziálsav sűrűség, de nincs endocitózis
A vírus enzimatikusan eltávolíthatja a sziálsavat, ami a virion elszabadulásával jár Az influenza-elleni gyógyszerek (pl. Tamiflu) neuraminidáz gátló vegyületek
A vírusok gátolják az antigén-bemutatást A vírusfertőzött sejtekben a proteaszóma lebontja a vírusfehérjéket, ezek antigénjeit az MHC I fehérjék bemutatják a sejt felszínén. A citotoxikus T sejtek megölik a vírus-antigéneket bemutató sejteket. A herpeszvírusok gátolják a proteaszóma működését (pp65), a peptidek transzportját az ER-ba (US6), az MHC molekulák membrán transzportját (US3) és igyekeznek eltéríteni az MHC-kat (US2 és 11) és gátolják az antigén-bemutató molekulák felszínre kerülését (UL16, gp40) a vírusfertőzött sejtekben A természetes ölősejtek elpusztítják azokat a sejteket, amelyek felszínén nem találnak MHC I molekulákat A vírus (a gazdától beszerzett MHC gének átalakításával) kialakított nemprezentáló MHC homológgal védekezik az NK sejtekkel szemben Az MHC E nem szokványos peptideket prezentál, hanem kizárólag a saját MHC I fehérjék szignálpeptidjeit. A virális MHC homológ így csak időlegesen védi meg a fertőzött sejtet.
A vírus UL40 génjének terméke stabilizálja az MHC E sejtfelszíni komplexeit, késleltetve a T sejtek támadását
