Vi khuẩn Escherichia coli sản sinh các loại độc tố gồm: độc tố đường ruột (enterotoxin), độc tố tế bào (verotoxin), độc tố thần kinh (neurotoxin).
Độc tố tế bào
Phá hủy tế bào, tăng tính thẩm thấu thành mạch, tạo bệnh tích ở các tổ chức cơ quan và gây thẩm dịch mô bào. Theo Konowalchuck et al. (1977), đã phát hiện một loại độc tố hoạt động trong môi trường nuôi cấy tế bào Vero (nên chúng được đặt tên là độc tố tế bào Vero), được sản sinh bởi vi khuẩn
Escherichia coli gây bệnh tiêu chảy ở người, tiêu chảy và bệnh phù đầu ở heo con. Ảnh hưởng gây bệnh ở tế bào của độc tố Vero rất khác so với ảnh hưởng của độc tố đường ruột không chịu nhiệt cổ điển ở nhóm vi khuẩn Escherichia coli gây bệnh đường ruột (ETEC). Độc tố Vero (VTs) hay Shiga (SLTs) là thuật ngữ được sử dụng trước đây. Gần đây, các nhà khoa học đã đề nghị sử dụng tên độc tố Shiga (Stx) cho tất cả những độc tố tế bào này. Stx sản sinh bởi Escherichia coli bao gồm 2 nhóm: Stx1và Stx2. Độc tố Shiga ở heo là một loại trong nhóm độc tố Stx2 với một số khác biệt trong đặc tính sinh học. Stx1 và Stx2 gây độc cho tế bào Hela. Stx2e kém độc hơn, nhưng gây độc mạnh cho tế bào Vero.
Độc tố thần kinh
Phá hủy tế bào thần kinh, gây những triệu chứng thần kinh (Lê Văn Tạo, 2006).
Độc tố đường ruột
Khả năng sản sinh độc tố đường ruột là một trong những yếu tố độc lực quan trọng của vi khuẩn Escherichia coli gây bệnh tiêu chảy ở heo con. Độc tố đường ruột làm thay đổi nước, chất điện giải ở ruột non và dẫn tới tiêu chảy (Gyles and Fairbrother, 2010).
* Độc tố đường ruột của vi khuẩn Enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC)
Có 2 loại độc tố đường ruột của vi khuẩn thuộc nhóm ETEC được xác định là độc tố không chịu nhiệt (LT) và độc tố chịu nhiệt (ST) (Nataro and Kaper, 1998).
- Độc tố không chịu nhiệt (LT)
LT là độc tố nhạy cảm với nhiệt có cấu trúc và cơ chế gây độc gần giống với cholera enterotoxin (CT) được sản xuất từ Vibrio cholerae, gen mã hóa cho cấu trúc của độc tố LT nằm trên plasmid có nguồn gốc từ vi khuẩn Vibrio cholerae (Nataro and Kaper, 1998). Cấu trúc của độc tố LT gồm 1 tiểu đơn vị A (A-subunit) với 240 acid amin và 5 tiểu đơn vị B (B-subunit) với 103 acid amin (O’Bien and Holmes, 1996). Tiểu đơn vị A mang hoạt tính enzyme của độc tố và gồm 2 chuỗi peptide A1, peptide A2. Hai chuỗi peptide này liên kết
nhau bởi cầu nối disulfide giữa A1- acid amin Cystein (Cys) 187 và A2- Cys199. Chuỗi A2 tạo thành cái móc liên kết không đồng hóa trị giữa tiểu đơn vị A và lỗ hổng giữa của vòng 5 tiểu đơn vị. Năm tiểu phân tử B trong cấu trúc của LT sắp xếp thành vòng nhẫn 5 cạnh bền vững. Mỗi tiểu phân tử B có 1 vị trí gắn với thụ thể tiếp nhận độc tố của tế bào vật chủ (O’Bien and Holmes, 1996).
LT được chia làm 2 nhóm: LT có hai nhóm chính là LT-I và LT-II, hai độc tố này không đáp ứng miễn dịch chéo với nhau. LT-I được biểu hiện trong các chủng Escherichia coli gây bệnh trên người và động vật còn LT-II chỉ được tìm thấy trên những chủng Escherichia coli phân lập được trên động vật và một số rất ít chủng phân lập được trên người tuy nhiên không có bằng chứng cho thấy LT-II có khả năng gây bệnh do đó cơ chế tác động của độc tố LT tập trung chủ yếu vào LT-I, LT thấy ở trên heo là LT-I . LT-II có 55 – 57% tương đồng với LT-I ở tiểu đơn vị A, nhưng không cho thấy sự tương đồng ở tiểu đơn vị B, LT-II có hai kiểu kháng nguyên khác nhau là LT-IIa và LT-IIb, hai kiểu kháng nguyên này có sự tương đồng với nhau là 71% ở tiểu đơn vị A và 66% ở tiểu đơn vị B. LT-II có cơ chế tác động tương tự LT-I là gia tăng hàm lượng cAMP nội bào, khác biệt là receptor của LT-II là GD1 còn của LT- I là GM1, tuy nhiên như đề cập ở trên thì không có bằng chứng cho thấy LT-II gây độc cho tế bào của người và động vật (Nataro and Kaper, 1998). Những loại độc tố LTs được sản sinh trên người và heo do ETEC được ký hiệu là LTs và LTp dựa trên sự khác nhau các gen mã hóa của độc tố (Fairbrother, 1992).
· Cơ chế tác động của độc tố (LT)
Sau khi bám lên các thụ thể tiếp nhận của tế bào biểu mô ruột, độc tố LT được chuyển qua màng và đi vào nội bào. Bên trong tế bào, độc tố di chuyển nhờ hệ thống vận chuyển của Golgi. Sau khi tiểu phân tử A và B phân cắt ở Golgi, tiểu phân tử A được chuyển đến màng lưới nội chất, tiểu phân tử B
được tái sử dụng từ Golgi cho đến cuối endosome và lysosome (Rappuoli et
al.,1999). Độc tố LT trong tế bào là enzyme Adenylate cyclase nằm ở lớp màng ngoài của tế bào biểu mô ruột (Nataro and Kaper, 1998). Do đó, sau khi chuyển đến bào tương, chuỗi peptide A1 bám lên phức hợp protein Gsαβγ. Chuỗi peptide A1 có hoạt tính như enzyme ADP-ribosyltransferase chuyển phần ADP-ribosyl từ NAD đến protein của liên kết GTP (GTP-binding protein) là Gsα. Quá trình bám của GTP lên Gsα làm cho Gsα tách khỏi phức hợp protein Gsβγ và gây hoạt hóa enzyme Adenylate cyclase, làm gia tăng cAMP (cyclic adenosine monophosphate) trong tế bào. Vì vậy, cAMP sẽ hoạt hóa enzyme cAMP-dependent protein kinase (A kinase) dẫn đến sự phosphoryl hóa kênh ion chloride (Cl-) ở màng tế bào biểu mô vượt quá mức
bình thường. Kết quả là kích thích tế bào bên dưới tiết Cl- và ngăn cản sự hấp thụ NaCl bởi những tế bào lông nhung. Hàm lượng ion Cl- trong lòng ruột gia tăng kéo theo sự di chuyển thụ động của nước từ tế bào vào lòng ruột gây tiêu chảy, bên cạnh đó còn có các cơ chế khác liên quan đến hệ thống thần kinh ruột (ENS) và sự đáp ứng miễn dịch của tế bào thành ruột với độc tố cho nên có ít nhất một cơ chế tác động đồng thời với cơ chế tăng hàm lượng cAMP (Nataro and Kaper, 1998).
- Độc tố chịu nhiệt (ST)
ST là protein nhỏ chỉ được cấu tạp từ một đơn vị, nhưng cấu trúc chứa nhiều amino acid cystein, do đó trong cấu trúc protein chứa nhiều cầu nối disulfide tính chất này dẫn đến khả năng kháng nhiệt của độc tố. Độc tố này có 2 loại, có cấu trúc và cơ chế hoạt động khác biệt nhau đó là STa và STb, gen mã hóa cho hai độc tố này được qui định trên plasmid, một số gen được phát hiện nằm trên transposon.
Độc tố STa
Cấu tạo: STa có trọng lượng phân tử là 2kDa, có hai dạng khác nhau là STap trong cấu trúc chứa 18 amino acid có khả năng gây độc cho heo và người, dạng còn lại là STah cấu tạo từ 19 amino acid chỉ gây độc cho người. Ban đầu STa được tổng hợp dưới dạng pre-protoxin chứa 72 amino acid, sau đó được phân cắt thành peptide có 52 acid amine, dạng peptide này được chuyển vào vùng periplasm sau đó hình thành cầu nối disulfic nhờ enzyme DsbA được mã hóa trên genome của vi khuẩn, sau đó dạng protoxin sẽ được cắt thành dạng toxin hoàn chỉnh và được khuếch tán qua vách tế bào. Trong đó, có 6 acid amin Cystein tạo thành 3 cầu nối disulfide bên trong cấu trúc phân tử của STa là Cys6 - Cys11, Cys7 - Cys15 và Cys10 - Cys18. Ngoài ETEC ra thì STa còn được tổng hợp bởi một vài chủng vi khuẩn gram (-) khác như Yersinia enterocolitica và V. cholerae non-O1, bên cạnh đó STa có 50% protein tương đồng với độc tố EAST1 ST của EAEC. Sự khác nhau giữa 2 biến thể chỉ xuất hiện ở đầu tận cùng N- với 4 – 5 acid amin (Nataro and Kaper, 1998).
· Cơ chế tác động của độc tố STa
Receptor của STa là enzyme xuyên màng được gọi là guanylate cyclase C (GC-C), GC-C nằm trên phần đầu màng của tế bào biểu mô ruột, protein này là receptor của hormone guanylin của thú, hocmone này có 15 amino acid trong đó có 4 cystein đóng vai trò giúp cân bằng trạng thái bình thường của ruột, cơ chế tác động của receptor này với guanylin dựa vào cơ chế ligand- receptor, đó là cơ chế receptor gắn với ligand tiếp nhận các thông tin ngoại
bào từ đó thúc đẩy sự hoạt động của các enzyme nội bào. Tương tự như vậy sau khi liên kết với receptor, STa thúc đẩy hoạt tính guanylate cyclase của enzyme này làm gia tăng hàm lượng cGMP nội bào, cGMP hoạt hóa protein kinase G, hoạt động của enzyme này làm tăng hoạt động của kênh clorua, làm đẩy mạnh việc tiết ion clorua và ức chế sự hấp thu NaCl dẫn đến dịch ruột bị tiết ra ngoài gây nên hiện tượng tiêu chảy. Độc tố STa tác động nhanh hơn LT do không cần phải di chuyển vào bên trong tế bào mà truyền tín hiệu trực tiếp vào bên trong. Ngoài GC-C ra thì STa có thể còn có các receptor khác tuy nhiên GC-C là receptor chiếm ưu thế nhất (Nataro and Kaper, 1998). Độc tố STa kích thích giải phóng cGMP đạt nồng độ tối đa sau 5 phút. Tuy nhiên, quá trình này duy trì trong thời gian ngắn (Hitotsubashi et al.,1992).
Độc tố STb
Cấu tạo: Tương tự độc tố STa, độc tố STb cũng là chuỗi polypeptide được sản sinh chủ yếu bởi các chủng vi khuẩn ETEC phân lập từ heo, STb ban đầu cũng được tổng hợp dưới dạng pretoxin có 72 acid amine sau đó được chế biến thành dạng protein hoàn chỉnh có 48 acid amine, protein này có trọng lượng phân tử là 5,1 kDa, cấu trúc của STb không tương đồng với STa mặc dù trong cấu tạo của nó cũng có 4 amino acid cystein (Nataro and Kaper, 1998). Trong cấu trúc của STb, 4 acid amine cystein tạo thành 2 cầu nối disulfide giữa Cys10 – Cys48 và Cys21 – Cys36. Các cầu nối này có vai trò giúp cho STb bền vững trong chu chất (Fujii et al.,1991).
· Cơ chế tác động của độc tố STb
STb làm tổn thương các tế bào ruột do tác động lên các lông ruột dẫn đến các lông tơ trên tế bào biểu mô bị mất hoặc bị thu ngắn lại, receptor của STb vẫn chưa được xác định, có thể độc tố này gắn vào những vùng không chuyên biệt trên màng tế bào trước khi đưa vào trong, tác động của STb trong tế bào không giống như STa thay vì phân tiết clorua, độc tố này dẫn đến việc phân tiết bicarbonate, STb không làm gia tăng hàm lượng cAMP hay cGMP nội bào mà tác động của nó làm tăng hàm lượng calcium nội bào bằng cách hấp thu từ bên ngoài, ngoài ra tác động của nó còn làm tăng sự phân tiết PGE2 và serotonin, cho thấy tác động của STb có liên quan đến hệ thống thần kinh ruột (ENS) (Nataro and Kaper, 1998).