TOXINES


TOXINES
TOXINES

Un grand nombre d’organismes unicellulaires ou pluricellulaires (bactéries, algues, champignons, protozoaires, végétaux et animaux) élaborent des substances toxiques d’une extrême hétérogénéité chimique et structurale (en majorité, non macromoléculaires) et de propriétés physio-chimiques et biologiques très variées.

En bactériologie, le terme de toxine désigne le groupe des poisons macromoléculaires, à l’exclusion des autres substances toxiques élaborées par les bactéries; dans d’autres disciplines, au contraire (zoologie, mycologie), ce terme englobe l’ensemble des biopoisons, quelle qu’en soit la taille moléculaire.

L’étude des toxines bactériennes, longtemps cantonnée à la bactériologie médicale, se développe actuellement, en raison de leur intérêt propre, dans le cadre de nombreuses disciplines biologiques fondamentales. Elles sont, en effet, comme d’autres molécules biologiquement actives (hormones, agents pharmacologiques, antimétabolites, antibiotiques, etc.) des outils de choix (sondes moléculaires) dans diverses disciplines biologiques (biologie cellulaire et moléculaire, neurobiologie, immunologie, génétique) et des systèmes modèles pour l’étude des rapports entre la structure des biopolymères et leur activité ou fonction biologique. En plus de leur intérêt fondamental, les toxines sont à la base d’un certain nombre de vaccins (anatoxines) d’une importance considérable pour la prévention de certaines maladies infectieuses, notamment épidémiques. En tant qu’antigènes, elles permettent l’obtention d’immunsérums utilisés en sérothérapie préventive ou curative. Depuis quelques années, la mise au point de molécules hybrides formées par le couplage d’un anticorps et d’un fragment ou d’une sous-unité d’une molécule de toxine protéique (immunotoxines) semble prometteuse pour tuer spécifiquement des cellules cancéreuses chez l’homme. L’avènement des anticorps monoclonaux et des techniques du génie génétique ont favorisé ce développement.

Les toxines bactériennes ont pour la plupart d’entre elles un pouvoir toxique extraordinairement élevé par rapport à d’autres poisons biologiques ou chimiques. La neurotoxine botulinique, qui est la substance la plus toxique connue dans la nature (3 millions de fois plus toxique que la strychnine), en est l’exemple le plus spectaculaire. Les mécanismes moléculaires de l’activité biologique de nombreuses toxines ont été élucidés, au cours du dernier quart du XXe siècle, faisant apparaître concurremment des phénomènes biochimiques d’un très grand intérêt dépassant le cadre de la toxinologie. De nombreux progrès restent à réaliser pour beaucoup d’autres toxines quant aux mécanismes cellulaires et moléculaires de leur mode d’action dont l’élucidation sera certainement très importante sur le plan fondamental et appliqué (diagnostic, thérapeutique de nombreuses infections dues aux bactéries toxinogènes).

1. Définition

Le terme de toxine s’applique en bactériologie à toute substance peptidique ou protéique simple ou complexe (associée à des glucides ou à des lipides) ainsi qu’aux macromolécules lipopolyosidiques d’origine bactérienne capables, à des doses très faibles (au plus de l’ordre du dixième de milligramme, mais le plus souvent de l’ordre du microgramme voire du nanogramme), de provoquer la mort d’un organisme vivant (homme, animal, végétal) ou d’induire des désordres pathologiques irréversibles ou réversibles au niveau des organes, tissus, cellules ou liquides biologiques de cet organisme comme le font par exemple les entérotoxines (tabl. 1).

La définition restrictive des toxines bactériennes élimine du cadre de celles-ci:

– les substances bactériennes toxiques non protéiques de faible masse moléculaire telles que pigments, nucléotides, lipides et autres molécules organiques;

– diverses molécules à activité pharmacologique telles que certaines amines toxiques (histamine, tryptamine) provenant de la décarboxylation de divers acides aminés par des enzymes de la flore bactérienne de l’intestin;

– les substances macromoléculaires allergisantes, comme celles qui sont présentes dans la tuberculine ou la malléine, qui ne sont pas toxiques chez l’animal «neuf», mais provoquent des troubles chez l’animal sensibilisé.

Une nette dichotomie s’impose entre les toxines protéiques, d’une part, et les endotoxines lipopolyosidiques, d’autre part, amenant à traiter dans des chapitres séparés ces deux familles de macromolécules toxiques qui diffèrent radicalement par leurs caractéristiques physico-chimiques, structurales, biochimiques, pharmacologiques et immunologiques. Il en est de même pour le déterminisme génétique de leur biosynthèse et de sa régulation.

Les endotoxines forment une famille homogène, constituée de molécules de structure globalement similaire, et de propriétés biologiques communes produisant les mêmes effets chez un hôte, indépendamment de l’espèce bactérienne dont elles proviennent. En revanche, les toxines protéiques et peptidiques diffèrent (sauf pour quelques groupes apparentés) totalement les unes des autres par la taille moléculaire, la spécificité antigénique et l’extrême diversité des propriétés toxiques, biologiques et pharmacologiques. Chaque toxine ou groupe de toxines a en fait sa spécificité propre, qui est souvent caractéristique de l’espèce qui les produit.

L’étude de ces deux familles de toxines constitue en fait deux disciplines distinctes par l’approche méthodologique, la problématique, les perspectives sur le plan de la pathologie (rôle dans les maladies infectieuses), des applications pratiques (diagnostic bactériologique), de la prophylaxie et de la thérapeutique (vaccination, immunothérapie, sérothérapie, utilisation d’immunotoxines ou de toxines hybrides «chimères») et en tant que sondes ou vecteurs, dans l’étude de divers domaines de la biologie fondamentale (biochimie, biologie cellulaire et moléculaire, immunologie, neurobiologie, cancérologie).

2. Toxines bactériennes protéiques

Répertoire

Environ 290 toxines ont été caractérisées à l’heure actuelle (1995), dont 135 proviennent de bactéries à Gram positif et le reste de bactéries à Gram négatif. De nombreuses bactéries produisent simultanément, et souvent pour la même souche, plusieurs toxines pouvant parfois dépasser la dizaine (staphylocoques, clostridies), outre la production de nombreuses enzymes extracellulaires à potentiel pathogène.

La liste des toxines connues ne cesse de s’étendre d’année en année, et plus d’une centaine ont été découvertes au cours des années 1987-1994 grâce aux progrès des techniques de culture, des méthodes de plus en plus fines de caractérisation des toxines (techniques sur des organes isolés, utilisation de nombreuses lignées de cellules eucaryotes en culture, tests physiologiques ou biochimiques d’une haute précision, etc.), de la découverte de nouvelles bactéries pathogènes chez l’homme (Legionella , Actinobacillus ...), ou de nouveaux syndromes (par exemple le syndrome de choc toxique staphylococcique favorisé par les tampons vaginaux au cours de la menstruation), de l’étude de bactéries dont le rôle pathogène chez l’homme a été récemment mis en évidence (Clostridium difficile , Campylobacter jejuni , Helicobacter pylori , divers vibrions, Bacillus cereus ...). De nouvelles toxines ont également été caractérisées chez des bactéries dites «opportunistes», habituellement saprophytes, mais qui provoquent des infections graves, parfois mortelles, chez des individus présentant des déficiences congénitales ou acquises (traitements immunosuppresseurs, corticothérapie, irradiation) de leurs défenses immunitaires ou chez des porteurs de certaines prothèses (valvules cardiaques, etc.).

Toxinogenèse

À la suite de leur synthèse au niveau de l’appareil ribosomial à l’intérieur de la cellule bactérienne, les toxines protéiques peuvent, selon les espèces productrices et pour une espèce donnée en fonction des conditions génétiques et physiologiques dont dépend(ent) la(les) toxine(s) concernée(s), soit rester associées de manière permanente ou transitoire à la bactérie, soit être activement et rapidement excrétées comme d’ailleurs d’autres protéines (dites extracellulaires) dans le milieu environnant.

Le terme de toxinogenèse désignera à la fois la synthèse de la toxine et son devenir au cours des phases successives de l’évolution de la population bactérienne: croissance exponentielle, puis ralentie, phase stationnaire, mort et éventuellement autolyse des bactéries. Dans ce dernier cas, des toxines endocellulaires dans la phase active de croissance pourront se retrouver dans le milieu environnant et être considérées à tort comme des exotoxines. De ce fait, l’étude des rapports topologiques entre la cellule et la toxine produite n’aura de signification physiologique qu’au cours de la phase active de la croissance bactérienne. La localisation des toxines au cours de la phase exponentielle de croissance pourra donc être caractérisée ainsi:

– Les toxines totalement excrétées dans le milieu extérieur sont les exotoxines «vraies» présentes à l’extérieur de la bactérie après traversée de la membrane cytoplasmique et de la paroi bactérienne sans altération décelable de la structure et du fonctionnement physiologique de la cellule productrice. Cette situation, qui s’étend d’ailleurs à l’ensemble des exoprotéines bactériennes, est plus fréquente chez les bactéries à Gram positif que chez les bactéries à Gram négatif, car la membrane (et la paroi) des bactéries à Gram négatif, de structure plus complexe et comprenant des quantités élevées de lipides, restreindrait l’excrétion des macromolécules. Les exotoxines sont très rapidement sécrétées dès leur synthèse sans lyse bactérienne évidente. C’est le cas, par exemple, de la toxine diphtérique. Certaines exotoxines peuvent s’accumuler dans le périplasme (tout particulièrement chez les bactéries à Gram négatif où ce compartiment cellulaire entre la membrane et la paroi est important) avant d’être excrétées.

– Les toxines associées en permanence à la cellule sont élaborées (pour la plupart) par les bactéries à Gram négatif, mais on en rencontre également chez les bactéries à Gram positif. Ces toxines ne sont jamais libérées au cours de la croissance exponentielle. Elles peuvent être intracytoplasmiques ou être associées à la membrane cytoplasmique. Ces toxines peuvent être extraites par autolyse ménagée des bactéries, traitement aux ultrasons, broyage ou extraction par des solutions salines hypertoniques (méthode de Raynaud).

– Les toxines à localisation mixte endocellulaire et exocellulaire sont partiellement excrétées dans le milieu extérieur lors de la phase exponentielle de la croissance microbienne, mais une fraction importante reste à l’intérieur de la cellule bactérienne (dont elle peut être extraite par divers procédés) et se trouve libérée ultérieurement, le plus souvent au cours de l’autolyse qui suit généralement l’arrêt de la croissance.

Commandes physico-chimiques et biologiques de la toxinogenèse

Une bonne croissance bactérienne est, sauf exception, une condition nécessaire, mais souvent insuffisante, pour une bonne toxinogenèse. Pour de nombreuses bactéries toxinogènes cultivées en parallèle sur milieux synthétiques chimiquement définis et sur milieux complexes à base de peptones ou d’hydrolysats de protéines, on observe souvent qu’à taux de croissance égal la toxinogenèse est optimale sur ces derniers et faible sinon nulle sur les premiers. L’addition au milieu synthétique de quantités parfois minimes de ces peptones ou d’ingrédients similaires suffit à stimuler considérablement la toxinogenèse sans affecter sensiblement la croissance.

Ces observations montrent l’existence dans les milieux complexes de facteurs spécifiques de toxinogenèse, distincts des facteurs de croissance, dont la nature chimique n’a été plus ou moins bien élucidée que dans certains cas. Le plus souvent, ce sont des oligopeptides et, parfois, des dipeptides ou tripeptides. Parfois il s’agit de certains acides aminés essentiels pour la toxinogenèse.

Par ailleurs, certains ions métalliques sont des facteurs critiques affectant positivement ou négativement la toxinogenèse selon leur nature chimique et leur concentration. L’effet des ions métalliques les mieux connus sont ceux qui concernent le fer et, à un moindre degré, le magnésium et le zinc. Pour de nombreuses toxines (toxine diphtérique, exotoxine A de Pseudomonias aeruginosa et la listériolysine), la toxinogenèse n’est optimale qu’en carence du milieu (et donc de la cellule bactérienne) en ions Fe++ ou Fe+++.

Certains glucides jouent un rôle important dans la toxinogenèse. Le maltose et le glucose inhibent la synthèse des entérotoxines staphylococciques. Une répression catabolique par le glucose qui peut être levée par l’AMP cyclique est observée pour l’entérotoxine thermostable de Escherichia coli . Un glucide cyclique complexe, l’heptakis (2,6 diméthyl) 廓 cyclodextrine, stimule considérablement la production de la toxine pertussique qui est en revanche inhibée par l’acide nicotinique.

Enfin, divers facteurs non spécifiques affectent la toxinogenèse (composition du milieu, pH, phase gazeuse en contact avec le milieu de culture, aération, température).

Commande génétique de la toxinogenèse

Les gènes de structure des toxines actuellement caractérisées peuvent être localisés soit sur le chromosome bactérien uniquement, soit sur un élément génétique extrachromosomique (bactériophage, plasmide, transposon), soit dans certains cas ou pour certaines souches à la fois sur un plasmide et un transposon, ou sur le chromosome et l’un ou l’autre de ces deux éléments extrachromosomiques et parfois les deux. C’est le cas notamment du gène de l’exfoliatine B staphylococcique et du complexe de quatre gènes Hly codant la synthèse et l’exportation de l’hémolysine 見 de E. coli .

Gènes tox portés par des bactériophages

Les gènes de structure d’un certain nombre de toxines, notamment la toxine diphtérique, les toxines botuliques C et D, la toxine 見 de Clostridium oedematiens , les entérotoxines staphylococciques A et E, les toxines érythrogènes (scarlatineuses) streptococciques A et C, la toxine Shiga-like (vérotoxine) de E. coli et la cytotoxine de P. aeruginosa ne sont pas chromosomiques, mais sont portés par le génome de bactériophages tempérés lysogénisant la bactérie (conversion génique).

La commande bactériophagique de la synthèse de la toxine diphtérique a été le premier exemple de conversion dans le domaine des toxines, et il en constitue un modèle remarquable. Le gène tox est porté par le génome de corynéphages à ADN comportant environ 2 700 paires de bases. Ce gène a été cloné et sa séquence nucléotidique déterminée en 1983. Le gène régulateur de l’expression du gène phagique de structure est localisé sur le chromosome bactérien.

Gènes tox portés par des plasmides

Au moins quinze gènes de structure de toxines de bactéries à Gram positif et à Gram négatif sont localisés sur des plasmides, notamment les gènes de l’hémolysine 見 et des entérotoxines thermolabiles et thermostables chez certaines souches de E. coli (ces gènes sont chromosomiques dans d’autres souches), de la toxine tétanique, des entérotoxines staphylococciques B, C1 et D, du complexe protéique ternaire constituant la toxine de Bacillus anthracis et la toxine botulique G.

Classification des toxines protéiques

Il n’existe pas une taxinomie univoque des toxines protéiques en raison des particularités physico-chimiques et de la diversité des effets toxiques et pharmacologiques de la plupart d’entre elles et de nombreuses différences sur le plan physiologique et génétique. Toutefois, il est possible d’envisager des regroupements en familles ou classes relativement homogènes en fonction de critères judicieusement choisis.

Classification topologique de Raynaud et Alouf

La classification topologique de Raynaud et Alouf est basée sur la localisation des toxines par rapport à la cellule bactérienne, au cours de la phase de croissance exponentielle, de la population bactérienne. Elle a l’avantage d’inclure l’ensemble des toxines bactériennes, y compris les endotoxines lipopolyosidiques, et permet de distinguer deux classes réparties en quatre groupes selon les situations suivantes:

toxines associées en permanence à la bactérie , comprenant la classe des toxines intracytoplasmiques et celle des toxines associées à la membrane ou à la paroi cellulaire ; cette classe représente environ 30 p. 100 des toxines protéiques (en majorité des bactéries à Gram négatif);

toxines extracellulaires , comprenant le groupe des exotoxines vraies et celui des toxines à localisation mixte extra- et intracellulaire produites en majorité par les bactéries à Gram positif et constituant environ 70 p. 100 des toxines protéiques.

Classification pharmacologique

La classification pharmacologique est basée sur une propriété pharmacologique majeure, ou sur le tropisme spécifique ou privilégié d’une toxine vis-à-vis d’un tissu donné ou de cellules spécifiques. Ces effets doivent être observés chez l’animal entier, c’est-à-dire dans des conditions physiologiques aussi proches que possible de celles de l’infection naturelle. En fonction des propriétés considérées, on classera les toxines en neurotoxines, leucocidines, hémolysines, entérotoxines, cardiotoxines, etc. Une toxine agissant sur différents types tissulaires sera qualifiée de pantrope . Cette classification peut souffrir de certaines limitations du fait de la multiplicité fréquente des propriétés d’une même toxine (pléiotropisme).

Classification cytofonctionnelle

La classification cytofonctionnelle repose sur le regroupement des toxines en fonction de leur site d’action primaire au niveau des cellules cibles, d’un mécanisme d’action ou d’une propriété moléculaire commune. Cette classification présente des avantages évidents sur la précédente, n’étant plus tributaire de l’organe ou de l’espèce animale comme critère taxinomique. Selon le critère retenu, on distinguera les cytolysines (102 toxines, soit 35 p. 100 de l’ensemble) qui agissent par désorganisation de la membrane cytoplasmique en rompant la barrière osmotique, les toxines inhibant la synthèse des protéines, les toxines ADP-ribosylantes, les toxines activatrices de l’adénylate cyclase ou de la guanylate cyclase de la membrane cytoplasmique de la cellule cible, les toxines sulphydryl-dépendantes fixant le cholestérol, les toxines à activité phospholipasique C ou D (tabl. 2), les toxines peptidiques dont le prototype est la toxine 嗀 staphylococcique, la streptolysine S inductible par l’ARN ou les détergents. Toutefois, ce type de classification n’est pas toujours univoque, certaines toxines pouvant relever simultanément de deux, voire de plusieurs critères moléculaires taxinomiques distincts.

Purification et propriétés physico-chimiques

Les techniques de fractionnement sont les techniques utilisées pour la purification des protéines, notamment les procédés faisant appel à la séparation des molécules basées sur la taille ou la charge électrique, la chromatographie sur supports hydrophobes, la chromatographie d’affinité et la chromatographie liquide à haute performance. Avec les développements des biotechnologies (ADN recombinant), des molécules de toxines «recombinées» sont également obtenues par expression des gènes dans des micro-organismes appropriés (E. coli , B. subtilis , etc.), puis purifiées par les mêmes procédés biochimiques.

Les toxines protéiques ont les propriétés physico-chimiques des protéines globulaires ou membranaires (pour certaines d’entre elles): thermolabilité, sensibilité aux agents dénaturants physiques. Toutefois, certaines toxines ont une thermostabilité parfois élevée (toxines scarlatineuses streptococciques, entérotoxines staphylococciques, etc.). La plupart des toxines sont détruites par le suc gastrique. La toxine botulique et d’autres entérotoxines y sont relativement résistantes, ce qui explique l’intoxication par voie orale par ces toxines.

Caractéristiques structurales

Grâce aux techniques de la biologie moléculaire, les gènes de structure de plus de 120 toxines protéiques ont été clonés jusqu’à présent (1995) et leurs séquences nucléotidiques déterminées, permettant ainsi de déduire la structure primaire (séquence en acides aminés) des toxines protéiques codées par ces gènes.

Typologie moléculaire

Les masses moléculaires (Mr) des toxines varient entre 1 et 300 kilodaltons (kDa). Au-dessus de cette valeur, mais également pour des molécules de masse moléculaire plus faible, certaines toxines sont oligomériques ou multimériques. Dans leur quasi-totalité, les toxines sont des holoprotéines, c’est-à-dire formées uniquement de chaîne(s) peptidique(s) sans copule glucidique, lipidique ou groupement prosthétique associés.

Les toxines présentent une typologie structurale et fonctionnelle d’une grande diversité: peptides (1 000 麗 Mr 麗 5 000) simples ou complexes, protéines (Mr 礪 5 000) monocaténaires ou bicaténaires, complexes multimoléculaires associés par des liaisons non covalentes et toxines multifactorielles constituées par des protéines distinctes individuellement peu actives ou inactives dont l’effet toxique résulte de leur association coopérative.

D’autres caractéristiques structurales et fonctionnelles viennent s’ajouter aux caractéristiques moléculaires. C’est le cas tout particulièrement de la classe des toxines dites du type A-B (A pour activité et B pour binding ou liaison) qui concerne au moins une quinzaine de toxines, notamment les toxines ADP-ribosylantes (tabl. 3) différant par la structure primaire, la taille, l’organisation structurale (molécules monocaténaires, oligomères, molécules multiples), la spécificité pour les tissus et les cellules cibles, et les effets biologiques et toxiques mais possédant en commun les caractéristiques suivantes: liaison de l’entité moléculaire B (domaine ou partie d’un domaine polypeptidique) à un récepteur lipidique ou protéique spécifique présent sur le feuillet externe de la membrane cytoplasmique de la cellule eucaryote cible; translocation de l’entité A (fragment peptidique monocaténaire) enzymatiquement active à travers la membrane vers l’intérieur de la cellule cible; modification de manière covalente de protéines acceptrices spécifiques (cibles moléculaires ultimes) présentes dans le cytosol ou sur le feuillet interne de la membrane cytoplasmique. Les entités moléculaires A et B sont toujours topologiquement distinctes: elles peuvent être des domaines (fragments) différents d’une molécule monocaténaire (toxine diphtérique, neurotoxines botuliques et tétanique, exotoxine A de P. aeruginosa ), des protomères distincts (A et B) d’une holotoxine oligomérique (toxine cholérique, entérotoxines LT-1 et LT-2 de E. coli et d’autres entérobactéries, toxine pertussique, toxine Shiga et autres entérotoxines apparentées) ou des protéines distinctes (toxine de B. anthracis ). Certaines toxines protéiques végétales (abrine, ricine, modeccine) sont également de type A-B.

Environ une quinzaine de toxines ont pu être obtenues à l’état cristallisé (fig. 1, toxine diphtérique), et certaines se sont avérées appropriées pour une analyse de leur structure tridimensionnelle à haute résolution (env. 0,25 à 0,30 nm) par diffraction aux rayons X à partir de 1987. Cette structure est connue actuellement (1995) pour les onze toxines suivantes: toxine diphtérique, exotoxine A de P. aeruginosa , entérotoxine thermolabile de E. coli , toxine Shiga (dysentérique), toxine pertussique, l’oligomère B de la toxine Shiga-like (vérotoxine) de E. coli , toxine insecticide de Bacillus thuringiensis , entérotoxines B et C de Staphylococcus aureus , la proaérolysine de Aeromonas hydrophila et l’antigène protecteur de B. anthracis .

Classes structurales

Toxines peptidiques . Les toxines peptidiques simples comprennent notamment la toxine 嗀 staphylococcique formée de vingt-six acides aminés, les entérotoxines thermostables de E. coli et d’autres entérobactéries apparentées, de Vibrio cholerae et de Yersinia enterocolitica . Les toxines ST de E. coli constituent une famille de peptides non immunogènes responsables de diarrhées sévères produites par diverses souches de E. coli entéropathogènes d’origine humaine, porcine ou présentes chez d’autres espèces animales.

Certaines toxines peptidiques sont des complexes constitués d’un peptide lié à des copules non peptidiques. C’est le cas de la cytotoxine trachéale de Bordetella pertussis et de la streptolysine S (cytolysine streptococcique).

Toxines protéiques (poids moléculaire 10 000 Da) . Les toxines protéiques sont pour la plupart des protéines monocaténaires dont la taille varie entre 10 000 daltons (certains superantigènes de Streptococcus pyogenes ) et environ 300 000 daltons (toxines A et B de Clostridium difficile ). Certaines toxines ont une structure plus complexe, en particulier les toxines oligomériques composées de plusieurs protomères identiques ou non associés par des liaisons non covalentes. Nous décrirons ci-après quelques toxines monocaténaires et multicaténaires (oligomériques) d’intérêt majeur en pathologie.

Protéines monocaténaires

Toxine diphtérique (TD) . Cette toxine (58 342 Da) constituée de 535 résidus et comprenant deux ponts disulfure (formule 1) appartient au groupe des toxines ADP-ribosylantes. Elle est le prototype des toxines de type A-B comprenant un domaine moléculaire A constituant le site actif et un domaine B impliqué dans la fixation de la molécule sur son récepteur cellulaire. La boucle sous-tendue par le premier pont disulfure comprend trois résidus arginyl qui se rompent aisément sous l’action de protéases comme la trypsine. Cette protéolyse donne naissance à deux polypeptides appelés respectivement fragment A (poids moléculaire de 21 150) et fragment B (poids moléculaire de 37 200) qui restent unis par la liaison disulfure, d’où le terme de molécule «entaillée». Celle-ci conserve les mêmes propriétés physico-chimiques immunologiques et toxiques de la molécule native. L’addition de réducteurs (thiols) rompt le pont disulfure séparant ainsi les fragments A et B:

Dans ces conditions, on observe la disparition du pouvoir toxique et l’apparition d’une activité enzymatique (ADP-ribosyl transférase et NADasique) associée au fragment A dont le rôle est capital dans le mode d’action de la toxine. Le fragment B comprend deux régions: l’une de 15 000 daltons, à l’extrémité COOH-terminale, reconnaît spécifiquement le récepteur membranaire de la toxine; et l’autre, de 22 000 daltons, située entre cette région et le fragment A est impliquée dans l’insertion de la molécule de toxine à l’intérieur de la cellule cible.

Neurotoxines tétanique et botuliques . Ces toxines sont synthétisées sous la forme d’une chaîne monocaténaire d’environ 150 kilodaltons qui est très rapidement clivée au cours de leur excrétion ou dans le milieu de culture en deux chaînes de longueur inégale (chaîne légère L de 50 kDa et chaîne lourde H de 100 kDa) reliées par un pont disulfure:

Ce clivage est provoqué par des protéases des bactéries productrices de ces toxines. Le sérotype E de la neurotoxine botulique reste après excrétion sous la forme monocaténaire. Il nécessite un traitement in vitro par la trypsine pour être transformé en moléculaire bicaténaire.

La structure primaire complète de la toxine tétanique a été établie en 1986 grâce au clonage et à la détermination de la séquence nucléotidique de son gène de structure (Fairweather). Celle des toxines botuliques A, B, C, D, E et F a été également établie par le même procédé (M. R. Popoff et H. Niemann). Une certaine homologie de structure entre les toxines botuliniques et la toxine tétanique a été mise en évidence.

Le clivage par la papaïne de la chaîne H donne naissance à deux fragments: le fragment B (face=F0019 黎 100 kDa) formé de la chaîne légère et de la moitié de la chaîne lourde, et un fragment C (face=F0019 黎 50 kDa) constitué par l’autre moitié de cette dernière (partie C-terminale). La réduction par les thiols permet la séparation des chaînes L et H. Ni ces fragments ni les chaînes séparées ne sont toxiques. Ces clivages ont permis de préciser le rôle fonctionnel de différentes régions des toxines tétanique et botuliques.

L’adénylcyclase-hémolysine (AC-Hly) de «Bordetella pertussis» . Cette enzyme bifonctionnelle, qui appartient à la famille des toxines RTX (cf. infra ), est une protéine sécrétée par les souches virulentes du bacille coquelucheux. Elle possède une activité adénylcyclase stimulée par la calmoduline et une activité hémolytique calcium-dépendante. Elle possède en outre une activité invasive, c’est-à-dire qu’elle peut pénétrer dans plusieurs types de cellules eucaryotes et y générer une augmentation incontrôlée d’AMP cyclique. Historiquement, les activités adénylcyclase et hémolytique ont été mises en évidence individuellement, mais le clonage du gène de structure de l’AC-Hly et des expériences génétiques ont ensuite permis de révéler que ces deux fonctions, adénylcyclase et hémolysine, étaient portées par une même protéine (A. Ullmann, E. Hanski).

Comme plusieurs autres facteurs impliqués dans la virulence de Bordetella pertussis , l’AC-Hly est libérée dans le milieu extracellulaire au cours des premières heures de la croissance exponentielle. Cette protéine et l’adénylcyclase de Bacillus anthracis sont les deux seules adénylcyclases bactériennes sécrétées et activables par la calmoduline.

Le gène des structures cyaA de l’AC-Hly code pour une protéine de 1 706 acides aminés et de 177 kilodaltons. Les 400 premiers résidus constituent le domaine responsable de l’activité adénylcyclase, alors que les 1 306 résidus carboxy-terminaux confèrent l’activité hémolytique à la protéine.

Protéines oligomériques

Les toxines de ce type sont constituées par l’association de molécules identiques ou distinctes formant des complexes moléculaires oligomériques constitués de protomères identiques ou distincts.

Toxines oligomériques à protomères identiques . C’est le cas notamment de la toxine hémolytique thermostable de Vibrio parahaemolyticus . Celle-ci est un dimère de deux sous-unités identiques d’environ 21 kilodaltons.

Toxines oligomériques à protomères distincts . Diverses toxines appartiennent à ce type, notamment l’entérotoxine cholérique et les autres entérotoxines apparentées, dont l’entérotoxine thermolabile de E. coli , ainsi que la toxine pertussique (toxine coquelucheuse élaborée par B. pertussis ) et la toxine Shiga produite par Shigella dysenteriae :

– Les toxines cholérique et thermolabile de E. coli et les autres toxines apparentées, quasi identiques également du type A-B, se présentent sous la forme d’un oligomère hexamérique d’environ 86 kilodaltons, formé de cinq protomères identiques B associés par des liaisons non covalentes et d’un protomère A constitué de deux polypeptides A1 et A2 reliés par un pont disulfure. La liaison entre le protomère A et les protomères B est également de type non covalent. Le clivage protéolytique de A par rupture du pont disulfure libère le peptide A1 et démasque son activité enzymatique ADP-ribosylante de la toxine. La fixation de l’holotoxine sur le récepteur spécifique membranaire des cellules cibles (ganglioside GM1) s’effectue par l’intermédiaire de la sous-unité B. L’homologie des structures primaires des chaînes A et B des toxines cholérique et thermolabile de E. Coli déterminées après clonage des gènes et leur séquençage sont de l’ordre de 80 à 90 p. 100.

Sur le plan génétique, les protomères A (21,6 kDa) et B (11,6 kDa) de la toxine cholérique (TC) sont codés par deux gènes chromosomiques (clonés et séquencés) ctxA et ctxB formant un opéron de 6 kilobases sous la dépendance d’un promoteur situé en amont de ctxA, le gène ctxB étant placé en aval de ctxA. La régulation de la production de la TC dépend de divers facteurs (température, aération, C2, pH, acides aminés). Un gène responsable de la régulation, toxR, a été identifié dans la région promoteur de l’opéron ctxAB.

La toxine thermolabile (LT) produite par E. coli est tout à fait comparable à la TC en ce qui concerne sa structure moléculaire et son mode d’action. Les souches d’E. coli productrices de LT (E. coli entérotoxinogènes) sont à l’origine de diarrhées chez l’homme, en particulier la diarrhée du voyageur. On distingue la toxine LT-1, qui est neutralisée par les anticorps antitoxine cholérique et la toxine LT-2, non reliée antigéniquement à la toxine cholérique. La toxine LT-2 est produite par des souches d’E. coli d’origine humaine isolées en Thaïlande et au Brésil, et d’origine porcine.

Les gènes codant pour la LT chez E. coli sont portés par un plasmide. Ils présentent 75 à 77 p. 100 d’homologie au niveau nucléotidique avec les gènes ctxAB de la TC. Des entérotoxines de type TL apparentées à la toxine cholérique sont aussi produites par des souches de Salmonella , Aeromonas hydrophila , Yersinia enterocolitica et Campylobacter jejuni .

– La toxine pertussique (PTX) ou coquelucheuse sécrétée par la bactérie à Gram négatif B. pertussis appartient à la famille des toxines de type A-B. Il s’agit d’un complexe oligomérique (holotoxine) protéique de 105 kilodaltons, comprenant cinq sous-unités S1, S2, S3, S4 et S5 (26, 22, 22, 12 et 11 kDa respectivement) associées par des liaisons non covalentes selon la proportion 1: 1: 1: 2: 1, conférant à la PTX une structure hexamérique.

Les cinq gènes (ptx) codant les sous-unités de la PTX sont regroupés en un opéron de 3,2 kb transcrit en un messager polycistronique. La sécrétion de l’holotoxine ne peut se faire que si toutes les sous-unités composant l’oligomère B sont préalablement exportées et assemblées dans le périplasme. Cette sécrétion nécessite l’intervention d’un appareil sécrétoire constitué des produits d’au moins huit gènes ptlA à ptlG (pertussis toxin liberation ), organisés en un opéron situé juste en aval de celui qui comprend les gènes de structure de la PTX.

La sous-unité S1 constitue la partie A de l’holotoxine douée de l’activité ADP-ribosylante responsable de la toxicité du complexe. L’oligomère B est constitué des sous-unités S2 à S5, organisées en deux dimères S2-S4 et S3-S4 reliés entre eux par la sous-unité S5. Comme pour les autres toxines A-B, il intervient dans la reconnaissance et la fixation de l’holotoxine sur ses cellules cibles et permet à la sous-unité S1 de pénétrer dans l’espace intracellulaire et d’y exercer l’effet toxique.

L’établissement de la structure tridimensionnelle de la toxine par diffraction aux rayons X à 0,29 nm de résolution (Stein, 1994) a révélé que l’oligomère B présente une structure semblable à l’organisation symétrique du pentamère de la toxine cholérique. La sous-unité S1 présente la forme d’une pyramide dont la base est en contact avec chacune des parties du pentamère. À l’inverse des toxines diphtérique et cholérique, la sous-unité catalytique de la PTX traverse directement les membranes cellulaires par un mécanisme ne dépendant pas d’une endocytose, mais nécessitant de l’ATP et un agent réducteur.

– La toxine Shiga, dysentérique (68 kDa), également du type A-B produite par S. dysenteriae type 1, et les toxines apparentées (Shiga-like ou vérotoxines) produites par E. coli , constituent un troisième groupe d’holotoxines oligomériques. Ces toxines sont formées de six ou sept protomères identiques B et d’un protomère A, tous associés de manière non covalente. La fixation de l’holotoxine sur son récepteur cellulaire, le globotriaosylcéramide, s’effectue par l’intermédiaire des protomères B, alors que l’activité toxique (inhibition de la synthèse protéique par inactivation de l’unité ribosomiale 60 S) est due à la sous-unité A. La séquence complète des chaînes A et B a été élucidée à la suite de l’établissement de la séquence nucléotidique des gènes de structure des oligomères A et B de la toxine. Le protomère A est composé de deux domaines A1 (27 kDa) et A2 (5 kDa) réunis par une liaison peptidique et un pont disulfure. Le clivage protéolytique de cette liaison et la réduction du pont disulfure génèrent la forme enzymatiquement active (fragment A1) doué de l’activité N-glucosidasique sur l’ARN ribosomial.

Chez les shigelles, les gènes codant pour la toxine Shiga sont chromosomiques. Chez E. coli , les gènes de la vérotoxine sont localisés sur un bactériophage. Les gènes codant pour les sous-unités A et B forment un opéron, régi par un même promoteur. Ils sont séparés par douze paires de bases et sont transcrits en un même ARN messager. Les formes précurseurs des sous-unités A et B comportent une séquence signal hydrophobe à l’extrémité NH2-terminale. Après maturation, les peptides A et B s’assembleraient pour former l’holotoxine.

Autres catégories

Toxines associées à des macromolécules atoxiques . Cette situation se rencontre tout particulièrement dans le cas des toxines botuliques des toxinotypes A, B, C, D, E et F. Toutes ces toxines sont constituées à l’état natif par des formes lourdes, dues à l’association de la neurotoxine de 150 kilodaltons de constante de sédimentation 7 S avec des protéines atoxiques de haut poids moléculaire qui, dans le cas des toxines A, B, C et D, sont en grande partie des protéines hémagglutinantes alors que les formes E et F ne sont pas associées à des hémagglutinines.

Toxines multiprotéiques . Ces toxines, connues également sous le terme de toxines multifactorielles , sont définies comme des ensembles de protéines distinctes, individuellement peu actives ou inactives, agissant en coopération pour engendrer l’effet toxique maximal. Contrairement aux toxines oligomériques, ces protéines ne sont pas associées par des liaisons non covalentes mais sont tout à fait distinctes.

Toxines binaires . Cinq systèmes de toxines binaires sont indiscutablement de ce type, dont trois sont des ensembles cytolytiques: la toxine 塚 (hémolysine) de S. aureus , la leucocidine de ce même germe et l’hémolysine-bactériocine de Enterococcus faecalis ainsi que deux systèmes à activité ADP-ribosylante de type A-B, la toxine C2 de Clostridium botulinum et la toxine 晴 de C. perfringens (tabl. 3).

La toxine botulique C2, qui n’est pas une neurotoxine, est une entité bifactorielle létale, hypotensive, hémorragique et entérotoxique constituée de deux protéines C2-I et C2-II de 50 et 100 kilodaltons, toutes deux monocaténaires. Cette dernière se fixe à la surface de la cellule cible (entité de type B du modèle A-B) afin de permettre au composant I de pénétrer dans la cellule, où il provoque l’ADP-ribosylation de l’actine G dont il modifie les propriétés fonctionnelles en empêchant sa polymérisation, et entraîne de ce fait la désorganisation du réseau des microfilaments de la cellule.

La toxine 晴 est létale, entérotoxique (fuite liquidienne) et dermonécrotique, et constituée d’une protéine thermostable de 47 kilodaltons et d’une protéine thermolabile de 71 kilodaltons, toutes deux monocaténaires. Cette dernière se fixe à la surface de la cellule cible, permettant alors à la protéine légère de pénétrer dans le cytosol et de provoquer l’ADP-ribosylation d’un substrat protéique qui reste à déterminer.

Le complexe toxique ternaire de «B. anthracis» . Cette bactérie sécrète trois protéines appelées globalement toxine charbonneuse (ou toxine anthrax dans la littérature anglo-saxonne), dont les gènes de structure sont localisés sur le plasmide pX 01. Ces trois protéines appelées respectivement: antigène protecteur (82 684 Da, symbole PA pour protective antigen ), codé par le gène lef; facteur œdématogène (89 840 Da, symbole EF pour edema factor ) codé par le gène cya; facteur létal (90 237 Da, symbole LF pour lethal factor ) codé par le gène pag. Les trois gènes ont été clonés et leur séquence nucléotidique déterminée, ce qui a permis de connaître la séquence en acides aminés des trois composants du complexe. La protéine EF est une adénylcyclase dont la manifestation de l’activité enzymatique dépend de la coopération avec la calmoduline, protéine produite uniquement par les cellules eucaryotes. Les trois constituants de la toxine ont été isolés et purifiés. L’activité adénylcyclasique du facteur EF a été mise en évidence par S. Leppla. Les études génétiques ultérieures (M. Mock et A. Ullmann) ont montré que le facteur EF porte dans sa région centrale des séquences de forte similitude avec l’adénylcyclase de B. pertussis , également dépendante de la calmoduline.

Le facteur PA se fixe par sa région C-terminale sur un récepteur cellulaire ubiquitaire de nature protéique non encore identifié. Il subit un clivage par certaines protéases cellulaires (telle la furine) générant deux fragments PA 20 et PA 63. Ce dernier reste à la surface de la cellule et devient alors capable d’interagir soit avec EF, soit avec LF. Une délétion du site de coupure abolit totalement les propriétés biologiques de PA et, par voie de conséquence, l’activité des toxines létale et œdématogène.

L’analyse de la structure primaire de LF a révélé dans la région carboxy-terminale de la protéine une séquence caractéristique des métalloprotéases à zinc, ce qui amène à penser que le facteur LF est, comme c’est déjà le cas pour les toxines botuliques et tétanique, une protéase activée ayant le zinc comme copule métallique.

Toxines produites sous la forme inactive de protoxines . Il s’agit de toxines atoxiques ou faiblement toxiques libérées dans le milieu extérieur au cours de la croissance bactérienne. La toxicité complète de ces molécules appelées protoxines apparaît par hydrolyse ménagée sous l’action de diverses protéases, y compris de protéases de la bactérie productrice elle-même. Cette activation due à un clivage d’un fragment peptidique est similaire à celle de certaines enzymes (transformation zymogèneenzyme active).

Toxines à polymorphisme structural et antigénique . Certaines toxines diffèrent par la composition et le nombre des acides aminés constitutifs d’une même toxine, en fonction des souches qui le produisent. C’est le cas de la toxine staphylococcique 嗀 synthétisée par les souches canines, dont sept des vingt-six acides aminés constitutifs sont différents par rapport à la toxine sécrétée par les souches d’origine humaine. Des différences du même type sont connues pour l’entérotoxine ST de E. coli .

Le polymorphisme antigénique est également un autre type de variabilité reflétant obligatoirement des différences structurales pour des toxines pharmacologiquement et fonctionnellement identiques produites par une même espèce bactérienne. Les différents sérotypes possèdent des épitopes spécifiques qui permettent leur différenciation immunologique tout en partageant un degré plus ou moins important d’identité structurale. Ainsi on connaît sept toxinotypes distincts (A, B, C1, D, E, F et G) de neurotoxines botuliques entre lesquels il existe peu de réactivité croisée significative au niveau du pouvoir neutralisant des anticorps. Un seul sérotype est synthétisé par une souche de C. botulinum donnée.

Deux toxines staphylococciques sont également synthétisées sous des formes antigéniques différentes: l’entérotoxine et l’exfoliatine. On connaît neuf sérotypes (A, B, C1, C2, C3, D, E, F, G) d’entérotoxines dont le degré d’homologie structurale est plus ou moins important selon les sérotypes. Deux sérotypes (A et B) d’exfoliatines (appelées aussi toxines dermonécrosantes) sans homologie structurale et antigénique notable sont connus. Chez S. pyogenes , la toxine scarlatineuse érythrogène (pyrogène) présente deux sérotypes A et C.

Toxines structuralement et antigéniquement apparentées produites par des espèces bactériennes différentes . Les toxines de ce type sont fonctionnellement identiques ou analogues et présentent une homologie structurale et génomique plus ou moins importante et/ou reflétée par une homologie épitopique détectable par une réactivité immunologique croisée. Plusieurs familles de toxines répondent à ces critères:

– La famille des toxines RTX (repeat in toxines ), dont le prototype est l’hémolysine 見 (105 kDa) de E. coli produites par diverses espèces de bactéries à Gram négatif. Il s’agit de toxines cytolytiques formatrices de pores (canaux) à travers la membrane cytoplasmique de cellules cibles appropriées, dont le rôle dans la virulence est déterminant pour les bactéries qui les expriment. Ces toxines sont caractérisées par la présence d’un motif de neuf acides aminés, riche en résidus glycine et acide aspartique, répété un très grand nombre de fois dans la partie carboxy-terminale de la molécule, mais elles n’ont que peu d’homologies dans le reste de la protéine. Elles partagent une organisation génétique et des voies de sécrétion et d’activation similaires. Les séquences répétées sont indispensables pour l’activité cytolytique et seraient impliquées dans la fixation du calcium et des membranes érythrocytaires. Toutefois, en dépit de leurs similitudes au niveau structural et de leur mode d’action commun, ces toxines cytolytiques possèdent des cibles cellulaires différentes. Certaines ont une spécificité très restreinte, telles que les leucotoxines de Pasteurella haemolytica et d’Actinomyces actinomycetemcomitans qui lysent respectivement les plaquettes des ruminants ou les leucocytes de primates, respectivement, alors que les autres toxines ont une spécificité beaucoup plus large et lysent notamment les érythrocytes (toxines lytiques).

– La famille des toxines cytolytiques sulphydryl-dépendantes dont le prototype est la streptolysine O. Dix-sept toxines de ce type (Mr entre 50 et 65 kDa) sont produites par différentes espèces à Gram positif des genres Streptococcus , Bacillus , Clostridium et Listeria . Les propriétés cytolytiques, létales (cardiotoxiques) dépendent de la présence d’un groupement thiol libre d’un résidu cystéinyl de la molécule localisé très près de l’extrémité C-terminale. Ces toxines perdent leur activité par blocage du groupe SH. Cette activité est inhibée par le cholestérol qui est le récepteur membranaire de ces toxines (Alouf).

– Les entérotoxines thermolabiles homologues dont le prototype est la toxine cholérique: entérotoxines LT-1 de E. coli , S. typhimurium et S. typhi , C. jejuni , Aeromonas hydrophila , Enterobacter cloacae et Klebsiella pneumoniae . Pour les deux premières protéines, les études génétiques et la détermination des séquences nucléotidiques des gènes de structure ont permis une étude détaillée de l’homologie structurale.

– Les entérotoxines peptidiques thermostables de E. coli (souches entérotoxinogènes) et d’autres bactéries à Gram négatif telles que Yersinia enterocolitica , K. pneumoniae , E. cloacae , A. hydrophila et A. sobria , et certaines souches de Salmonella .

– Les toxines Shiga-1 et autres holotoxines (Shiga-like ou vérotoxines) apparentées produites par S. dysenteriae type 1 et d’autres espèces de Shigella , Vibrio cholerae et V. parahaemolyticus , E. coli (et d’autres entérobactéries).

– Les toxines de la famille des superantigènes inducteurs de choc toxique produites par S. aureus et S. pyogenes : entérotoxines staphylococciques, toxines érythrogènes (pyrogènes) streptococciques.

– Les toxines clostridiennes antigéniquement apparentées: toxine A de C. difficile et la toxine létale de Clostridium sordellii , la toxine 晴 de C. perfringens type E et la toxine de Clostridium spiroforme , la toxine 見 de C. perfringens et la toxine 見 de C. sordellii .

Toxines fonctionnellement apparentées mais structuralement différentes . Un certain nombre de toxines différant par leur structure et sans similitude épitopique évidente présentent des propriétés fonctionnelles pharmacologiques ou enzymatiques identiques ou analogues. Un premier type d’homologie est celui de la toxine diphtérique et de l’exotoxine létale A de P. aeruginosa dont la composition en acides aminés et la structure primaire sont totalement différentes. Aucune réactivité croisée immunologique n’a été mise en évidence entre ces toxines dont les gènes de structure ne montrent pas d’hybridation significative. Un deuxième type d’homologie concerne les toxines ayant un mécanisme enzymatique commun ou analogue. C’est le cas des toxines ADP-ribosylantes, des toxines à activité phospholipasique C ou D et vraisemblablement de l’adénylate cyclase de Bordetella pertussis et de Bacillus anthracis . Enfin, un troisième type d’homologie fonctionnelle concerne les entérotoxines LT-1 et LT-2 de E. coli et les toxines Shiga-1 et Shiga-2 qui ont les mêmes propriétés pharmacologiques mais dont la structure est différente.

Toxines hybrides artificielles . Ce type de toxines, dont l’étude s’est développée à partir de 1975, a été élaboré par la construction par des moyens chimiques ou génétiques de molécules hybrides (chimères moléculaires) constituées d’un fragment peptidique ou protéique d’une toxine bactérienne ou végétale (ricine) et d’une chaîne peptidique d’une autre protéine d’origine eucaryote pouvant être une hormone, une lectine, une cytokine, un antigène de surface (par exemple la molécule CD4 des lymphocytes T) ou une immunoglobuline anticorps. Dans ce dernier cas, il s’agit d’immunotoxines . Les toxines utilisées dans cette construction sont essentiellement la toxine diphtérique, l’exotoxine A de P. aeruginosa ou la ricine. Ces molécules hybrides sont envisagées comme agents pharmacologiques à visée thérapeutique.

Rôle en pathologie

Parmi les 290 toxines protéiques bactériennes actuellement connues, environ une cinquantaine sont indiscutablement considérées comme entièrement ou partiellement des responsables directs ou indirects du tableau clinique, des manifestations pathologiques et éventuellement de la léthalité découlant de l’infection de l’homme et de l’animal ou de l’intoxication (aliments contaminés) par les bactéries toxinogènes concernées. La diphtérie, le tétanos, le botulisme, le choléra et les diarrhées apparentées provoquées par E. coli sont des toxinoses vraies, où la toxine joue le rôle essentiel sinon unique dans la pathogénie de la maladie chez l’homme. Dans ces affections, l’exotoxine par ses propriétés neurotropes, entérotropes ou pantropes directes caractérise la maladie. Dans le choléra, la gravité tient aux conséquences physiopathologiques non spécifiques (perte liquidienne et de sels par l’intestin) sous l’action de la toxine sur la muqueuse intestinale. Dans les chocs toxiques streptococciques et staphylococciques (degré de mortalité variant de 5 à 30 p. 100), les superantigènes constitués par les entérotoxines et la toxine du syndrome de choc toxique de S. aureus , et les toxines scarlatineuses érythrogènes A et C et d’autres exomitogènes de S. pyogenes sont les responsables directs de ces syndromes via la production massive de cytokines et d’autres facteurs chez l’hôte infecté (J. Alouf, H. Müller, J. M. Cavaillon, D. Stevens, P. Schlievert, S. Holm).

Les effecteurs moléculaires des syndromes cutanés graves d’origine staphylococcique, notamment chez le nourrisson (syndrome de Lyell, maladie de Ritter), sont les exfoliatines A et B de S. aureus . Dans la scarlatine, l’érythème spécifique de cette maladie résulte de l’effet direct de la toxine érythrogène streptococcique et d’un état d’hypersensibilité retardée.

Dans les infections dues aux clostridies anaérobies telluriques gazogènes (responsables de la gangrène gazeuse et des syndromes apparentés) et non telluriques (saprophytes digestifs de l’homme), la multiplicité des toxines et les multiples aspects de l’infection naturelle pour un germe donné rendent plus difficile une appréciation du rôle de ces toxines. Ainsi, lorsque C. perfringens se multiplie dans un organe très vascularisé comme un placenta infecté (post-abortum), les troubles hémolytiques prédominent et l’hémolyse intense observée peut être raisonnablement attribuée aux toxines hémolytiques ( 見 et peut-être à la perfringolysine O). Dans la gangrène gazeuse à C. perfringens , le germe reste localisé dans les muscles altérés du foyer gangréneux, sans qu’apparaissent des troubles hémolytiques. La toxine A de C. difficile est le facteur majeur de l’entérocolite nécrosante provoquée par cette bactérie consécutivement à l’administration de certains antibiotiques.

La dysenterie provoquée par S. dysenteriae est également à médiation toxinique. L’entérotoxine Shiga, par son effet cytolytique, tue la cellule intestinale, entraînant l’ulcération de la muqueuse. Elle agit ensuite sur les petits vaisseaux et provoque la diarrhée sanguinolente typique de la dysenterie. En cas d’absorption intestinale suffisante de toxine, celle-ci est alors véhiculée vers la moelle et le cerveau, où elle entraîne des changements vasculaires qui donnent naissance aux manifestations neurotoxiques observées dans les shigelloses sévères. L’ulcère gastrique et duodénal relève également de mécanismes cytopathogènes provoqués par les deux toxines cytolytiques d’Helicobacter pylori , récemment identifiées, et probablement avec la contribution de l’uréase produite par cette bactérie.

Dans le charbon, la maladie et la mort sont dues à la toxine elle-même. La maladie résulte de l’ingestion, de l’inhalation ou de la pénétration transcutanée (lésion de la peau) des spores de B. anthracis . Les spores germent et la bactérie synthétise l’exotoxine multifactorielle, qui augmente la perméabilité vasculaire, provoquant un œdème local et une hémorragie. La toxine pénètre ainsi dans le torrent circulatoire, ou s’y trouve d’emblée au cours de la septicémie charbonneuse.

Les intoxications alimentaires d’origine bactérienne, notamment dans les collectivités, sont dues aux entérotoxines staphylococciques (50 p. 100 des cas en France), à l’entérotoxine de C. perfringens et à un moindre degré aux entérotoxines de Bacillus cereus (tabl. 1).

Le rôle éventuel d’autres toxines, notoirement actives chez l’animal d’expérience, reste à élucider dans les infections provoquées par les bactéries qui les produisent. C’est le cas notamment de certaines toxines cytolytiques pharmacologiquement très actives et létales, produites par le staphylocoque (toxines 見, 廓, 塚 et 嗀) et les streptolysines S et O de S. pyogenes qui sont de puissants agents lytiques et cardiotoxiques. La streptolysine O a été envisagée comme cofacteur important dans la pathogénie du rhumatisme articulaire aigu et de ses complications cardiaques, et peut-être dans le choc toxique (L. Wannamaker).

Pouvoir toxique et antigénique

La toxicité des toxines protéiques se caractérise par sa spécificité (état d’intoxication propre à chaque toxine) et son intensité souvent extrême (dose minimale létale variant selon les toxines entre 1 猪g et 10 size=15 猪g chez l’animal le plus sensible) dépassant de plusieurs ordres de grandeur celle d’autres poisons biologiques ou chimiques. Ces deux caractéristiques distinguent les toxines protéiques des endotoxines lipopolysaccharidiques qui ne sont létales qu’à des concentrations relativement élevées et ont des propriétés biologiques et toxiques identiques, quelle que soit l’espèce bactérienne qui les élabore.

Le pouvoir toxique varie selon l’espèce animale (la souris est réfractaire à la toxine diphtérique, alors que le cobaye ou l’homme y sont très sensibles) et la voie d’introduction (les diverses entérotoxines et la toxine botulique sont les seules à agir par voie orale). À l’effet toxique primaire spécifique s’ajoutent des effets secondaires (choc, hypertension, par exemple) et, éventuellement, la mort pour une dose suffisante.

Les doses minimales létales par voie parentérale s’échelonnent (pour l’animal le plus sensible) entre 2 憐 10 size=15 猪g (toxine botulique) et 1 à 5 microgrammes (diverses toxines). La neurotoxine botulique est le poison le plus violent dans la nature. Sa toxicité est environ 3 millions de fois supérieure à celle de la strychnine et 15 000 fois à celle de l’alcaloïde le plus toxique, l’aconitine. La DML chez la souris (voie i.v.) est de l’ordre de 20 picogrammes (face=F0019 黎 3 憐 106 molécules). Elle est environ de 0,1 猪g par voie orale chez l’homme et probablement de 0,1 ng par voie parentérale. Celle de la toxine tétanique est à peine inférieure (100 à 30 pg chez la souris).

Après ces deux toxines, les toxines dysentériques, C. sordellii et diphtérique sont les plus toxiques (de 10 size=14 à 10 size=12 猪g). Pour cette dernière, la dose létale pour l’homme est de 0,13 猪g/kg d’après les données de la catastrophe de Ky 拏to en 1948 (450 enfants morts après injection d’une anatoxine mal détoxifiée).

La toxicité ou l’activité des toxines sur les tissus ou cellules in vivo ou in vitro ainsi que sur des systèmes subcellulaires est également considérable. Nous ne mentionnerons que quelques exemples typiques. Ainsi, la dose minimale de toxine diphtérique, qui induit une lésion cutanée (cobaye) de 8 millimètres de diamètre, est de 0,02 ng. Uchida a montré qu’une seule molécule de cette toxine est capable de tuer une cellule. Environ quinze molécules de streptolysine O suffisent pour détruire une plaquette sanguine humaine.

Les toxines protéiques ont un pouvoir antigénique élevé; l’injection de doses sublétales à l’animal entraîne le plus souvent l’apparition d’anticorps neutralisants et précipitants.

Le titrage des toxines se fait selon deux méthodes générales: mesure directe d’une activité biologique donnée de la toxine ou mesure indirecte par détermination du pouvoir de combinaison avec les anticorps.

Obtention d’anatoxines et vaccins

Les toxines protéiques peuvent se transformer spontanément par vieillissement en dérivés atoxiques appelés «toxoïdes» (P. Ehrlich), qui, toutefois, gardent intactes les propriétés immunogéniques de la toxine native. On peut obtenir les mêmes résultats dans des conditions normalisées en procédant à une toxoïdation artificielle par divers corps chimiques, dont le plus efficace et pratiquement le seul employé actuellement est l’aldéhyde formique. On obtient ainsi les anatoxines (G. Ramon) parfaitement immunogènes et atoxiques. Pour l’immunisation humaine ou animale, les anatoxines sont inoculées sous forme adsorbée par des adjuvants qui en augmentent considérablement l’efficacité antigénique. Le même principe de détoxification par le formol a été étendu aux virus [cf. POLIOMYÉLITE].

Dans l’immunisation systématique des collectivités humaines, on utilise essentiellement les anatoxines diphtérique et tétanique seules ou associées à d’autres vaccins microbiens ou viraux. Les autres anatoxines sont utilisées dans des cas particuliers.

La vaccination par les anatoxines a été sur le plan mondial l’une des applications médicales les plus importantes de l’histoire de la médecine pour l’éradication du tétanos et de la diphtérie. Cette dernière maladie a pratiquement disparu dans les pays développés.

Une stratégie nouvelle de vaccination contre les toxines a été développée en 1980 par la mise au point du premier vaccin de synthèse contre un antigène bactérien létal, la toxine diphtérique (J. Alouf, F. Audibert, P. Boquet, L. Chédid, M. Jolivet, P. Rivaille et O. Siffert). Ce prototype de vaccins antibactériens et antiviraux de l’avenir a été réalisé avec un tétradécapeptide synthétique d’une séquence de la toxine diphtérique, constituant un épitope induisant des anticorps neutralisants du pouvoir toxique de la molécule entière. Une approche similaire a été effectuée pour la chaîne B de la toxine cholérique, puis a été étendue à d’autres toxines. Plus récemment, des dérives atoxiques mais immunogéniques ont été obtenues par les techniques de génie génétique, notamment dans la préparation d’un vaccin anticoquelucheux (R. Rappuoli).

Anticorps antitoxiques: antitoxines

Les antitoxines sont des anticorps (immunoglobulines) qui apparaissent dans le sérum et parfois dans d’autres liquides biologiques d’un individu, soit après infection par une bactérie toxinogène, soit après immunisation (vaccination) par une anatoxine (ou éventuellement par la toxine native chez un animal).

Ces anticorps ont la propriété de se combiner spécifiquement in vivo et in vitro avec l’anatoxine et la toxine native dont ils neutralisent l’activité toxique (anticorps neutralisants). Cette combinaison peut également se manifester par une immunoprécipitation de la toxine ou de ses dérivés toxoïdés si les concentrations des antigènes et des anticorps (précipitants) sont convenables.

Le cheval est l’animal de choix pour l’obtention de quantités élevées de sérum de haut titre neutralisant que l’on emploie pour la sérothérapie préventive (surtout contre le tétanos) ou curative. L’immunité conférée par le sérum pour protéger un individu en cas de menace de tétanos, après blessure ou traumatisme, ou dans tout autre cas de sérothérapie, est transitoire. Aussi met-on à profit ce temps pour immuniser activement l’individu par l’anatoxine, les anticorps synthétisés prenant alors le relais de l’immunisation passive.

L’injection à l’homme de sérum d’une autre espèce animale présente le risque de faire apparaître un choc anaphylactique ou des réactions allergiques en cas de nouvelle injection ultérieure. C’est pour cette raison que l’Organisation mondiale de la santé recommande de remplacer les sérums hyperimmuns d’animaux par les immunoglobulines d’origine humaine, isolées à partir de plasmas de donneurs hyperimmunisés par l’anatoxine.

Mécanisme d’action

L’élucidation du mécanisme d’action des toxines protéiques implique la connaissance de leur site d’action sur les organismes sensibles. Schématiquement, celui-ci peut être envisagé à quatre niveaux de structure: organes et tissus; cellules; systèmes subcellulaires (membrane, organites intracellulaires, chaînes de transporteurs d’électrons, cytosquelette, ribosomes et autres substructures supramoléculaires organisées, etc.); cibles moléculaires (enzymes, protéines structurales, chaînes polynucléotidiques, molécules organiques, etc.) par métabolite.

À ces quatre niveaux correspondent respectivement une typologie fonctionnelle (pharmacologique), cellulaire, subcellulaire et moléculaire du mode d’action. Au niveau tissulaire, les toxines seront classées en neurotoxines, cardiotoxines, entérotoxines, néphrotoxines, hépatotoxines, dermotoxines, toxines immunocytotropes, etc., en fonction de leur tropisme ou de la symptomatologie anatomo-clinique observée. Au niveau cellulaire, les toxines seront considérées en fonction de leur pouvoir cytopathogène comme des leucocidines, hémolysines, cytotoxines, etc.

L’action de la quasi-totalité des toxines est actuellement correctement caractérisée en ce qui concerne les deux premiers niveaux. À partir de 1980, notre compréhension du mécanisme d’action de très nombreuses toxines aux niveaux supramoléculaire (subcellulaire) et moléculaire a considérablement progressé. Cela a permis de dégager des similitudes et parfois une identité des mécanismes d’action au niveau moléculaire pour divers groupes de toxines, en dépit de la diversité de leurs effets pharmacologiques ou toxiques. De nombreuses toxines se sont avérées fonctionner comme enzymes parfois très particulières (tabl. 2).

En fonction des cibles cellulaires ultimes, on peut désigner deux types généraux d’action des toxines, selon qu’elles agissent au niveau de la membrane cellulaire ou à l’intérieur de la cellule.

Toxines à cible ultime membranaire

Les toxines cytolytiques sont des toxines membranolytiques, dont l’effet est d’altérer une structure critique de la membrane cytoplasmique, essentielle pour le maintien de l’intégrité fonctionnelle de la cellule. La lésion membranaire qui découle de cette atteinte peut se traduire soit par la rupture physique de la membrane cytoplasmique (cytolyse), soit par une désorganisation irréversible incompatible avec la vie cellulaire. Les effets des cytolysines (environ 102 toxines représentant 35 p. 100 de l’ensemble des toxines) se traduisent au niveau de l’hôte par une action souvent létale ou génératrice d’un état de choc important. Ces toxines sont souvent appelées «hémolysines» en raison de la grande sensibilité des érythrocytes (variables d’une espèce à l’autre) à l’action lytique de la quasi-totalité de ces toxines. La cytolyse induite par les toxines relève de quatre processus non mutuellement exclusifs: action phospholipasique ou sphingomyélinasique (tabl. 2); action détersive; effet déstabilisant de structure membranaire par insertion dans la bicouche phospholipidoprotéique de la surface cellulaire; et formation de pores ou canaux transmembranaires. Ce dernier type de mécanisme concerne de nombreuses toxines (toxines 見 et 嗀 staphylococciques, streptolysine O, toxines RTX).

Les toxines mitogènes provoquent une prolifération polyclonale des lymphocytes T ou d’autres cellules eucaryotes. Une famille particulière de ce groupe de toxines appartient à la classe des superantigènes (toxines érythrogènes et autres mitogènes streptococciques, entérotoxines) possédant une activité mitogène polyclonale très puissante sur les lymphocytes T en ne transformant que ceux qui portent au niveau de la chaîne V 廓 de leur récepteur T des séquences appropriées spécifiques reconnues par la molécule de toxine et différentes pour chaque toxine. Cette reconnaissance ne peut s’effectuer qu’à la condition que la molécule de toxine soit présentée au récepteur T par des immunocytes exprimant à leur surface les antigènes de classe II du complexe majeur d’histocompatibilité. Cette interaction induit la libération massive de cytokines qui sont vraisemblablement responsables des états de choc, des symptômes cliniques graves et du pouvoir létal de ces toxines.

Toxines à cibles ultimes intracellulaires

De nombreuses toxines, manifestent leur effet chez l’hôte ou in vitro sur les cellules cibles en perturbant une fonction cellulaire essentielle, par modification d’un constituant critique intracytoplasmique ou inséré dans le feuillet interne de la membrane en contact avec le cytosol. L’action de ces toxines, notamment celles qui appartiennent au vaste groupe des toxines du type A-B, sera séquentielle. Les deux premières étapes relèvent du processus général de fixation des protéines destinées à traverser la barrière membranaire pour pénétrer à l’intérieur de la cellule cible eucaryote. Il s’agit du phénomène appelé endocytose par récepteurs , qui implique la fixation de la protéine destinée à être internalisée sur son récepteur membranaire. Les complexes ligand-protéine formés migrent dans le plan de la membrane où ils se rassemblent dans des structures appelées puits recouverts (coated pits ) tapissés de clathrine qui s’invaginent et prennent la forme de vésicules de 50 à 150 nanomètres pour se retrouver à l’intérieur de la cellule. Ces vésicules perdent alors leur revêtement de clathrine et fusionnent entre elles ou avec des vésicules de type différent, les endosomes, pour former des vésicules plus volumineuses et lisses où le milieu acide (généré par une pompe à protons ayant une activité ATPasique) conduit à la dissociation du ligand (en l’occurrence la toxine) de son récepteur. Ultérieurement, la toxine de type A-B détachée du récepteur et libérée à l’intérieur de la vésicule se dissocie en ses deux domaines A et B. Le domaine A responsable de l’effet catalytique (activité proprement dite de la toxine) subit alors une translocation à travers la membrane vésiculaire et se retrouve libre dans le cytoplasme pour agir sur sa cible moléculaire ultime. Il s’agit de la troisième étape dont la résultante est la modification de l’activité biologique d’une structure moléculaire critique pour le fonctionnement normal de la cellule.

Malgré leurs similitudes fonctionnelles, des toxines du type A et B possèdent des cibles cellulaires et des fonctions distinctes et des mécanismes d’activité enzymatique spécifiques pour chacun des groupes de cette vaste famille. Quatre modes d’action différents permettent de dégager quatre classes parmi ces toxines: les toxines ADP-ribosylantes, les toxines à activité nucléosidasique (toxine Shiga et vérotoxine), la toxine du charbon et les neurotoxines.

Toxines ADP-ribosylantes

Il s’agit d’une très vaste classe de toxines divisées en cinq groupes (tabl. 3) en fonction du type de la protéine cible intracellulaire soumise à l’ADP-ribosylation. Toutes ces toxines hydrolysent enzymatiquement un facteur ubiquitaire de la cellule eucaryote, le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD), qui se dissocie en une molécule d’adénine-ribose diphosphate (ADPR), une molécule de nicotinamide libre et une molécule d’eau (cf. infra , toxine diphtérique). Le radical ADPR est ensuite transféré par la toxine sur une protéine spécifique acceptrice: le facteur d’élongation EF-2 (enzyme nécessaire à l’étape de traduction des ARN messagers dans la synthèse des protéines) dans le cas de la toxine diphtérique (fig. 2) et de l’exotoxine A de P. aeruginosa , les protéines GTP-dépendantes (protéines G) régulatrices de l’adénylate cyclase pour la toxine coquelucheuse (B. pertussis ), la toxine cholérique, l’entérotoxine thermolabile de E. coli .

Toxine diphtérique et exotoxine A de Pseudomonas aeruginosa

Pour ces deux toxines, dont le mécanisme d’action moléculaire est identique, le fragment A possède une double activité enzymatique: NAD-glycohydrolasique et translocasique. La première induit le clivage de la molécule de NAD en nicotinamide et en ADP-ribosyl. La seconde catalyse le transfert du groupement ADP-ribosyl sur le facteur d’élongation EF-2 des cellules eucaryotes qui est une enzyme impliquée dans la synthèse des protéines. Ce facteur, qui est une polypeptidyl-t-ARN transférase, est inactivé par fixation de l’ADP-ribosyl sur un acide aminé particulier, le diphthamide (dérivé post-traductionnel de l’histidine), entraînant l’inactivation irréversible de EF-2 et par conséquent de la synthèse protéique, ce qui conduit à la mort cellulaire. Le site enzymatique responsable de l’activité du domaine A est masqué dans la molécule native de toxine diphtérique et de l’exotoxine A de P. aeruginosa , qui se comportent comme une proenzyme.

Toxines cholériques, entérotoxines apparentées et toxine pertussique

La structure oligomérique de type A-B de la toxine cholérique et des entérotoxines thermolabiles (LT) de E. coli et d’autres entérobactéries a été décrite précédemment. L’effet diarrhéigène de ces entérotoxines résulte de l’activation de l’adénylate cyclase des cellules épithéliales de l’intestin grêle. La mort dans le choléra ne résulte pas, comme dans la diphtérie, le tétanos ou le botulisme, de l’inactivation directe et irréversible par la toxine d’une cible moléculaire vitale, mais d’un effet secondaire, la déshydratation (choc hypovolémique) due à la perte liquidienne de l’organisme.

La toxine est produite et excrétée par le vibrion cholérique dans l’intestin grêle. La bactérie adhère par des mécanismes encore mal connus à l’épithélium intestinal. La toxine agit directement en se fixant sur les cellules de la bordure en brosse, entraînant l’inhibition de l’absorption active des ions Na+ et C1 size=1 et favorisant au contraire une excrétion ionique active et une fuite hydrique.

Le médiateur moléculaire de ces phénomènes est l’AMP cyclique, dont la toxine augmente la concentration dans les cellules épithéliales de l’intestin grêle par stimulation de l’activité de l’adénylate cyclase dans ces cellules. Le mécanisme d’action moléculaire de la toxine cholérique et des toxines apparentées peut être résumé comme suit: l’adénylate cyclase (AC) localisée dans le feuillet interne de la membrane cytoplasmique catalyse la transformation de l’ATP en AMP cyclique, qui agit comme second messager, déclenchant une multitude de réactions métaboliques. Le fonctionnement de l’enzyme est déclenché par la réception de signaux extérieurs agissant comme agonistes stimulateurs (s) ou inhibiteurs (i), reconnus par des récepteurs spécifiques formés de protéines constitutives du feuillet externe de la membrane où se trouvent également le récepteur (ganglioside GM1) de la toxine cholérique et de la toxine LT de E. coli et celui de la toxine pertussique. L’AC est couplée à deux protéines régulatrices Gs et Gi activées par le GTP (début de la réaction). La coopération AC-protéine G est indispensable pour générer l’AMPc. Les protéines Gs et Gi sont des trimères formés de trois sous-unités 見, 廓, 塚. Les sous-unités 廓 et 塚 sont peu différentes dans Gs et Gi qui diffèrent par leurs sous-unités 見s et 見i assurant l’hydrolyse du GTP. La sous-unité 見s est inactivée par ADP-ribosylation par la sous-unité A de la toxine cholérique et de l’entérotoxine LT de E. coli et la sous-unité A 見i par ADP-ribosylation par la sous-unité S1 de la toxine pertussique. Dans les deux cas, on aboutit à une activation permanente de l’AC et donc à la production massive d’AMPc aboutissant à des perturbations considérables du métabolisme (fig. 3).

Neurotoxines botuliques et tétanique

Ces toxines interfèrent avec les mécanismes de transmission de l’influx nerveux et entraînent la mort par une paralysie progressive flasque dans le botulisme et spastique (contraction des muscles) dans le tétanos.

Aspects physiopathologiques

L’intoxication botulique se traduit par un syndrome neurologique massif caractérisé, atteignant à la fois l’activité neuromusculaire et le système nerveux autonome. Chez l’homme, elle se traduit par la diminution de l’activité du nerf pneumogastrique (capacité à induire le ralentissement cardiaque), des nerfs commandant la contraction vésicale et les organes sécrétoires (sécheresse intense de la bouche due à la diminution de la sécrétion salivaire), du nerf oculomoteur (abolition du réflexe pupillaire à la lumière), des motoneurones (paralysie diaphragmatique, mort par suffocation), etc. L’activité neurotoxique est essentiellement circonscrite au système nerveux périphérique. La toxine botulique agit au niveau présynaptique et empêche la transmission cholinergique dont le médiateur est l’acétylcholine (ACh). Cette toxine est depuis quelques années utilisée en thérapeutique dans divers syndromes graves de spasmes musculaires.

Le tétanos clinique classique se caractérise par des symptômes d’ordre moteur constitués essentiellement par des contractures musculaires douloureuses avec des spasmes paroxystiques dus à une inhibition de l’arc réflexe. La contraction des masséters (trismus) marque le début du tétanos. Les contractures d’abord localisées se généralisent. Le corps décrit un arc de cercle: tête et corps se renversent en arrière tandis que bras et jambes sont raidies en extension. La mort survient en un à deux jours soit par asphyxie, soit par syncope cardiaque. Aucune lésion tissulaire détectable n’est observée dans l’intoxication tétanique ou botulique. L’expérimentation physiologique a établi que, contrairement à la toxine botulique, la toxine tétanique agit essentiellement sur le système nerveux central (moelle épinière), aux jonctions synaptiques entre les interneurones spécifiques des voies inhibitrices et les motoneurones. La toxine migre de la périphérie (porte d’entrée) le long du trajet nerveux vers la moelle (voie rétroaxonale) où elle s’accumule. Elle se fixe sur les synaptosomes et très faiblement sur les microsomes et les mitochondries, et bloque la libération de différents médiateurs du système nerveux central (glycine, acide 塚-aminobutyrique, nucléotides cycliques) en agissant au niveau présynaptique.

Mécanismes moléculaires d’action des neurotoxines

Comme les autres toxines de type A-B, les toxines botuliques et tétanique subissent vraisemblablement une internalisation par endocytose après fixation sur leurs récepteurs spécifiques respectifs (encore mal identifiés) mais qui semble facilitée par les di-et tri-gangliosides. À la suite de leur internalisation, les neurotoxines se localiseraient dans des vésicules d’endocytose puis subiraient une translocation à travers la membrane par formation de pores transmembranaires pour aboutir dans le cytoplasme où serait libéré le fragment A (chaîne légère) qui agirait alors sur la cible moléculaire spécifique de la toxine. La portion de la molécule impliquée dans la formation de ce pore serait la moitié amino-terminale de la chaîne lourde. Celle-ci resterait ancrée à la membrane. Le pont disulfure reliant la chaîne légère (50 kDa) et la chaîne lourde (100 kDa) se rompt. Une séquence polypeptidique, présente au milieu de la chaîne légère des deux toxines et contenant deux résidus histidine et un résidu acide glutamique, s’est avérée très analogue à une autre séquence présente dans de nombreuses métalloprotéases à zinc. La prédiction de la structure secondaire du motif polypeptidique révèle une hélice 見 dont les noyaux imidazole des résidus His seraient orientés sur une même face de l’hélice. Très récemment, Montecucco a mis en évidence la fixation d’un atome de zinc lié aux deux résidus His du motif présent dans les toxines tétanique et botuliques, amenant à la conclusion que les deux neurotoxines possèdent une activité enzymatique dépendante du zinc. Il devait montrer que les toxines tétanique et botuliques sont des endoprotéases à zinc dont la fonction est de cliver par protéolyse des substrats très spécifiques des vésicules synaptiques:

– la synaptobrévine (appelée aussi VAMP pour vesicle-associated membrane protein ), substrat (cible intracellulaire ultime) des chaînes légères de la toxine tétanique et des toxines botuliques B, D et F;

– la protéine SNAP-25 (synaptosomal associated protein ), substrat des toxines botuliques A et E;

– la syntaxine, substrat de la toxine botulique C1.

Le clivage de ces trois substrats protéiques compromet irréversiblement l’exocytose des neuromédiateurs résultant de la fusion membranaire, empêchant ainsi la libération des neuromédiateurs dans l’espace intersynaptique.

3. Toxines bactériennes glucido-lipido-protéiques

Propriétés générales

L’injection à un animal de corps microbiens tués ou simplement des parois de bactéries à Gram négatif, notamment Entérobactéricées (espèces Salmonella , Escherichia , Shigella ), provoque des phénomènes toxiques pouvant entraîner la mort si la dose est suffisante. Cette mort est précédée par un état de choc, des hémorragies internes et une hyperthermie. On constate de plus toute une série d’effets biologiques et de perturbations métaboliques caractéristiques (tabl. 4). Tous les effets sont dus à l’action d’un complexe chimique appelé endotoxine, de haut poids moléculaire (1 à 20 憐 106 Da), extractible à partir des bactéries ou de leurs parois par différentes méthodes. Contrairement aux toxines protéiques, le complexe endotoxinique présente un profit polydispersé à l’ultracentrifugation, et sa composition varie selon les méthodes d’extraction ou de fractionnement utilisées.

Dans certaines préparations, tel l’antigène complet de Boivin obtenu par extraction à l’acide trichloracétique, le complexe est constitué de glucides, de lipides et de protéines, d’où le terme de toxine glucido-lipido-protéinique proposé par A. Boivin. Les méthodes d’extraction proposées par d’autres chercheurs, particulièrement celle au phénol-eau (O. Westphal, O. Lüderitz), donnent des préparations lipido-glucidiques sans protéines, d’où le terme de lipopolysaccharide (LPS), utilisé actuellement par la majorité des auteurs pour désigner les endotoxines.

L’architecture selon laquelle se disposent les différents éléments constitutifs des endotoxines (fig. 4 a) reste mal connue en raison notamment des disparités des méthodes d’extraction, qui n’excluent pas d’ailleurs l’apparition d’artefacts. Aussi, ce sont finalement les propriétés biologiques communes, quels que soient les germes utilisés et les techniques d’obtention, qui permettent de regrouper ces substances sous une même détermination.

Les endotoxines font partie intégrante des parois, et, chez les entérobactéries, elles portent les caractères spécifiques des antigènes pariétaux. Pendant longtemps, on a cru que seules les formes smooth , virulentes, possédant les antigènes somatiques O, contenaient l’endotoxine et que les mutants rough , avirulents, dépourvus de ces antigènes O et n’ayant que les antigènes R, en étaient exempts. Les travaux de M. Raynaud et de son école devaient montrer qu’il n’en était rien et que ces mutants contenaient également l’endotoxine: celle-ci échappe à l’extraction par les techniques utilisées pour les souches O, mais elle est extractible par d’autres méthodes dont certaines permettent l’obtention d’endotoxines sous forme particulaire.

Dans les maladies infectieuses provoquées par des bactéries à Gram négatif (salmonelloses, par exemple), les endotoxines jouent un rôle important si les bactéries prolifèrent suffisamment dans l’organisme de l’hôte (choc endotoxinique). Toutefois, il faut envisager également les effets sur l’organisme de la libération, même en faibles quantités, d’endotoxines dans la circulation, particulièrement la capacité de modifier la résistance non spécifique de l’hôte.

Structure chimique

Dans leurs formes les plus complexes (antigènes de Boivin), les endotoxines sont des substances incolores qui forment dans l’eau des solutions colloïdales de très haut poids moléculaire contenant 1,8 à 6 p. 100 d’azote (protéine) et du phosphore. Elles ne donnent pas les réactions habituelles des protéines et mettent en évidence des succès réducteurs après hydrolyse.

D’après Lüderitz et Westphal, la protéine serait nécessaire pour conférer à l’endotoxine son caractère immunogène mais non son pouvoir toxique, qui est conservé entièrement par le LPS.

Les constituants lipidiques et polyosidiques du LPS forment l’antigène O complet des entérobactéries que l’on différencie en trois régions (fig. 4 b): la région externe (I) comprend la séquence polyosidique ramifiée responsable de la spécificité O; la région II, ou noyau, est également formée de polyosides liés en bout de chaîne à un heptose couplé à l’acide 2-céto 3-désoxy D-mannoctonique (CDO); la région la plus interne renferme le lipide A qui est probablement conjugué aux protéines de la paroi. Grâce à l’isolement de ce lipide et à l’étude de mutants R dépourvus d’une partie ou de la totalité des constituants des régions I et II, Lüderitz et Westphal trouvent que les chaînes polyosidiques responsables de la spécificité O, ainsi que les hexoses et les heptoses de la région intermédiaire, ne participent aucunement à l’activité endotoxinique qui serait due au lipide. Le CDO associé à ce lipide serait nécessaire comme agent solubilisant hydrophile.

Ces conclusions ne sont pas unanimement acceptées. Certains auteurs pensent que l’endotoxine doit ses propriétés à une «conformation toxique» globale plutôt qu’à tel ou tel constituant plus ou moins toxique. D’autres auteurs (M. Raynaud, K. D. Watson) attribuent à la partie protéique un rôle toxique certain en raison de la différence de toxicité entre l’endotoxine native et la partie lipidique isolée.

Propriétés biologiques

Plus d’une vingtaine d’effets biologiques différents sont connus (tabl. 4). La dose létale d’endotoxine se situe autour de 1 milligramme par kilogramme de poids corporel pour la plupart des animaux et de 0,01 猪g pour l’embryon de poulet (M. Digeon).

Les animaux à sang froid sont dans l’ensemble résistants. Chez les Mammifères, l’homme, le lapin et le chien sont très sensibles, la souris et le rat un peu moins. Cette résistance semble liée à certains facteurs endocriniens, comme l’a montré L. Chédid. En effet, la surrénalectomie augmente, de façon considérable (de 5 000 à 10 000 fois), la sensibilité des Rongeurs à l’action toxique de l’endotoxine. Les endotoxines ont un très fort pouvoir pyrogène. L’élévation thermique est obtenue chez l’homme par injection intraveineuse de moins de 1 microgramme. Quelques minutes après injection d’endotoxine, on observe une leucopénie, suivie quelques heures plus tard d’une leucocytose et d’une thrombocytopénie. On constate également des troubles hémodynamiques importants. La réaction généralisée de Schwartzmann est un autre aspect de la toxicité des endotoxines. L’injection au lapin de deux doses non létales d’endotoxines par voie intraveineuse à deux jours d’intervalle entraîne la mort de l’animal avec nécrose hémorragique du rein.

Les endotoxines modifient la résistance aux infections bactériennes. On observe d’abord une grande sensibilité suivie d’une augmentation de la résistance par stimulation des mécanismes de défense humoraux et cellulaires de l’organisme [cf. IMMUNITÉ ET SYSTÈME IMMUNITAIRE].

En raison de la multiplicité de leurs effets biologiques, l’étude des endotoxines connaît un développement considérable, notamment en physiologie, immunologie et pathologie. Leur grand intérêt tient aussi à leurs effets non spécifiques qui fournissent un modèle expérimental d’une grande importance pour l’étude des mécanismes de la résistance aux infections.

4. Phytotoxines

On sait depuis environ un siècle que certains micro-organismes phytopathogènes excrètent des substances toxiques pour leur hôte. Le terme «phytotoxine», appliqué à ces substances, est généralement accepté bien que discutable. En phytopathologie, une toxine est définie comme une molécule non enzymatique qui perturbe le métabolisme ou détruit des structures cellulaires. L’étude des phytotoxines rencontre plusieurs difficultés: dans de nombreux cas, il existe plusieurs phénomènes toxiques superposés; par ailleurs, à de rares exceptions près, ces substances sont isolées de milieux de culture, et leur existence dans la plante infectée peut donc être mise en doute. La connaissance de leurs structures chimiques et celle du mécanisme biologique de leur action n’ont cessé de progresser. Les phytotoxines appartiennent à des familles chimiques très diverses: polysaccharides, aminoacides, terpènes, stéroïdes, etc.

Phytotoxines dérivées des aminoacides

La lycomarasmine (tabl. 5, formule 1) est produite par divers Fusarium dont Fusarium oxysporum f. lycopersici . Elle provoque une perturbation de l’équilibre en eau chez certains végétaux dont la tomate (le terme général de marasmines pour des substances ayant cette action a été proposé par E. Gäumann). Les ions ferriques renforcent cette activité biologique; il y a formation de complexes, en relation avec la présence dans la molécule de deux azotes situés sur deux carbones voisins.

À cette structure on peut rattacher les aspergillomarasmines A et B (tabl. 5, formule 2), isolées d’abord d’Aspergillus flavus oryzae , puis de Colletotrichum gloeosporioides et de Fusarriumoxysporum f. melonis . La coexistence des aspergillomarasmines A et B et de la lycomarasmine chez ce dernier micro-organisme fournit un argument en faveur de l’hypothèse selon laquelle l’aspergillomarasmine A serait le précurseur biologique des deux autres marasmines.

Ces toxines, dans lesquelles des atomes d’azote sont directement liés à des carbones, constituent une nouvelle famille de substances naturelles. On peut citer pour mémoire comme produits analogues, et bien qu’il ne s’agisse pas de phytotoxines, l’octopine, la lysopine et la saccharopine.

De nombreux Fusarium produisent l’acide fusarique (tabl. 5, formule 3). Cette toxine provoque une perte considérable en électrolyte, des changements de la perméabilité cellulaire, le jaunissement et le flétrissement des feuilles. La biosynthèse de l’acide fusarique procède par la condensation d’une chaîne polyacétique sur l’acide aspartique.

La wild fire toxin (tabl. 5, formule 4) est un dipeptide formé de l’union de la thréonine avec un hydroxy-diamino-diacide très particulier. Elle a été isolée de Pseudomonas tabaci , micro-organisme pathogène du tabac; elle est responsable de la chlorose des feuilles infectées. Elle est également toxique pour les chlorelles; dans ce cas, la toxicité peut être levée par addition de méthionine ou de glutamine; il est donc possible que l’action biologique soit liée à une inhibition de la glutamine synthétase.

La tentoxine, isolée de divers Alternaria pathogènes, possède la structure d’un tétrapeptide cyclique dont la séquence est: N-méthylalanine, glycine, N-méthyldéhydrophénylalanine et leucine (tabl. 5, formule 5).

Rhizobium japonicum , responsable de la nécrose des feuilles de soja, contient la rhizobitoxine (tabl. 5, formule 6); cette substance paraît inhiber le clivage enzymatique de la cystathionine en homocystéine.

Phytotoxines diverses

De nombreux polysaccharides des bactéries phytopathogènes produisent le flétrissement des feuilles par obstruction physique de la circulation. L’action des glycopeptides serait plus complexe mais en partie du même ordre. Quatre glycopeptides phytotoxiques ont été isolés de deux espèces de Corynebacterium . La colletotine est un polysaccharide toxique produit par Colletotrichum fuscum .

Quatre naphtazarines, dont la novarubine (tabl. 5, formule 7), ont été obtenues à partir des cultures de Fusarium solani . Leur toxicité résulte de leur action sur la perméabilité cellulaire. L’ophioboline A (tabl. 5, formule 8), toxine de Helminthosporium oryzae , est responsable de la nécrose des feuilles de riz; dans ce cas, la toxine a pu être isolée du végétal infecté aussi bien que des milieux de culture. Des cultures de Cochliobolus savitus , pathogène des céréales, on a isolé l’helminthosporal (tabl. 5, formule 9); cette substance inhibe les oxydations phosphorylantes dans les mitochondries. Le produit de réduction, l’helminthosporal, possède des activités de gibbérelline [cf. GIBBÉRELLINES]. Alternaria solani , agent pathogène de Solanacées, synthétise l’acide alternarique qui provoque un flétrissement dès la concentration de 5 microgrammes par millilitre. Citons encore le zinniol d’Alternaria zinniae , l’acochitine d’Ascochyta fabae .

Les cytochalasines (tabl. 5, formule 10), isolées de divers Phoma , constituent un groupe à part aussi bien en ce qui concerne leurs structures (lactones à grands cycles) que leur propriété biologique. Elles interfèrent avec la cytocinèse et induisent l’extrusion du noyau.

5. Mycotoxines (substances toxiques à origine fongique)

Contrairement aux toxines bactériennes, qui sont strictement des macromolécules, les mycotoxines, ou toxines fongiques, appartiennent à un groupe extrêmement disparate de substances toxiques, de faible poids moléculaire, élaborées par les champignons.

Dès le début de ce siècle, on savait que certains produits d’origine fongique pouvaient être toxiques et impliqués dans des maladies, surtout chez les animaux domestiques. Chez l’homme, la première mycotoxicose décrite a été l’ergotisme, provoqué par les alcaloïdes de l’ergot de seigle. Mais, en fait, on n’a commencé à s’intéresser sérieusement aux produits toxiques des champignons qu’à partir de 1960, lorsque se produisit en Angleterre une épidémie, dite maladie de la dinde («turkey X » disease ); la découverte des aflatoxines s’ensuivit, ce groupe de mycotoxines, le plus important, étant actuellement le plus étudié. Depuis lors, la littérature concernant les aflatoxines et les autres toxines fongiques – notamment l’ochratoxine, les sporidesmines, les rubratoxines et la zéaralénone – augmente à une vitesse vertigineuse. L’intérêt pour ces substances découle du fait que la plupart d’entre elles, et au premier chef les aflatoxines, contaminent la nourriture destinée à l’alimentation du bétail et de l’homme. Dans le cas du bétail, de nombreuses épidémies, notamment des maladies hémorragiques, provoquées par certaines mycotoxines, ont entraîné des pertes sérieuses, d’une incidence économique considérable. Au Japon, ce sont surtout les poissons qui ont été affectés.

On s’est rendu compte de la gravité toxicologique des mycotoxines en constatant que nombre d’entre elles, et surtout les aflatoxines, étaient de puissants carcinogènes chez les animaux domestiques et de laboratoire. Or, les aflatoxines ont été détectées surtout dans les produits dérivant de l’arachide (graine, huile, beurre), consommés par l’animal et l’homme. C’est pour cette raison que les autorités sanitaires de nombreux pays, notamment les États-Unis et le Canada (Food and Drug Administration), exercent depuis quelques années une surveillance extrêmement sévère sur les produits alimentaires, dont la commercialisation et la consommation sont strictement interdites en cas de présence d’aflatoxines au-delà d’un seuil très bas.

La structure chimique des aflatoxines a été élucidée: ce sont des coumarines bifuraniques auxquelles est accolée soit une structure de type pentanone (aflatoxine B), soit une lactone hexatomique (aflatoxine G). Toutes les aflatoxines (on en connaît plus d’une vingtaine) se rattachent à l’un de ces deux types et ne diffèrent entre elles que par la position de divers radicaux sur les noyaux.

Des études ont été effectuées sur les toxines des Champignons supérieurs, et tout particulièrement sur l’amanitine de l’amanite phalloïde. Cette toxine est un octopeptide bicyclique protéique: elle inhibe la transcription de l’ARN en se combinant à l’ADN polymérase des cellules eucaryotes.

Encyclopédie Universelle. 2012.

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