Les toxines synergo-hyménotropes des staphylocoques

M6d Mal Infect. 1997 ; 27, Sp6cial : 135-42

Les toxines synergo-hym6notropes des staphylocoques* Y. P I E M O N T * *

RESUME

Les toxines s y n e r g o - h y m 6 n o t r o p e s (SHT) constituent une famille de toxines prot6iques d ' i n d i v i d u a l i s a t i o n r6cente, produites par les stap h y l o c o q u e s et c o m p r e n a n t en particulier la leucocidine de Panton-Valentine (LPV), la toxine-gamma, la leucocidine bovine, u n e leucocidine M e t u n e toxine de Staphylococcus intermedius. Ces toxines agissent routes par l'action synergique de 2 compos6s diff6rents sur l ' u n ou plusieurs des types cellulaires h u m a i n s suivants : 6rythrocytes, granulocytes, m o n o c y t e s et macrophages. La fixation des 2 compos6s a la surface de ces cellules-cibles est s6quentielle. C h e z les granulocytes, elle d 6 t e r m i n e l'entr6e d'ions Ca 2+ dans ces cellules en pr6sence d'ions Ca 2+ extracellulaires, la production de m6diateurs de l ' i n f l a m m a t i o n par le biais de l'activation de prot6ines G, u n e paralysie fonctionnelle secondaire de ces cellules et u n e lyse cellulaire. Chez les 6rythrocytes, ces toxines p e u v e n t 6galement p r o v o q u e r u n e lyse cellulaire. Les 2 % d'isolats cliniques de Staphylococcus aureus p r o d u i s a n t de la LPV sont responsables d'infections cutan6es primitives n6crosantes, en particulier de furoncles, v r a i s e m b l a b l e m e n t en raison de l ' h y p e r p r o d u c t i o n de m 6 d i a t e u r s de l ' i n f l a m m a t i o n par les granulocytes. Toutes les souches de S. aureus p r o d u i s e n t de la toxine-gamma. Celle-ci, in vivo, a u n e forte activit6 pro-inflammatoire. Les toxines SHT ne sont pas les seules a agir par l'action s y n e r g i q u e de 2 p o l y p e p t i d e s : il existe aussi chez les bact6ries lactiques des bact6riocines a d e u x composants responsables de la f o r m a t i o n de canaux ioniques sp6cifiques d a n s la m e m b r a n e c y t o p l a s m i q u e de bact6ries-cibles. M o t s - c l ~ s : Toxine s y n e r g o - h y m 6 n o t r o p e - L e u c o c i d i n e Toxine-gamma Staphylococcus aureus - Structure - M o d e d'action - Epid6miologie - Furoncles.

La famille des toxines s y n e r g o - h y m 6 n o t r o p e s r e g r o u p e des toxines prot6iques hydrosolubles produites pour la plupart par Staphylococcus aureus et d6crites pour certaines depuis de nombreuses ann6es comme la toxine-gamma (1) ou la leucocidine de Panton et Valentine (LPV) (2) ou la leuco* Colloque Rh6ne-Poutenc Rorer sur "Staphylococcus aureus et sa pathologie', Paris, 21 mars 1997. ** Institut de Bact6riologie, Facult6 de M~decine, 3 rue Koeberl6 - F-67000 Strasbourg.

cidine bovine (3). D'autres toxines de cette famille sont de connaissance b e a u c o u p plus r6cente comme une "leucocidine" (4-6), une leucocidine M (7) ou une toxine de Staphylococcus intermedius (8). D'autres toxines devraient encore ~tre d6crites dans le futur. Certaines ont des noms qui pr~tent souvent a confusion. Par exemple, les auteurs ne s'accordent pas encore sur les mol6cules qu'il convient d'appeler toxine-gamma ou leucocidine. Ainsi, le mot "leucocidine de S. aureus" ne recouvre pas les m~mes entit6s mol6culaires selon

135

les auteurs. I1 en est de mSme pour le mot "toxinegamma". Cette difficult6 provient essentiellement de la grande parent6 structurale et fonctionnelle existant entre toutes ces toxines. Ces derni6res appartiennent donc ~ une famille d'individualisation r6cente, celle des "toxines synergo-hym6notropes" ou, plus simptement, des "toxines SHT" car elles ont u n tropisme p o u r les m e m b r a n e s (hymen en grec) sur lesquelles elles agissent par l'action synergique de deux compos6s (9).

groupe S. Uautre compos6 doit appartenir a u n autre groupe de prot6ines de structure tr6s voisine, le groupe F. Seul le couple (S+F) a une activit6 biologique.

CARACTERES C O M M U N S AUX TOXINES SHT

• les staphylocoques ~ coagulase n6gative ne sont pas producteurs de toxines SHT selon les donn6es actuellement disponibles;

Activit6 fonctionnelle Les toxines SHT agissent in vitro en formant, entre autres, des pores dans les membranes cellulaires. Le m6canisme pr6cis par lequel ces pores sont cr66s n'est pas encore bien connu. Les cibles cellulaires identifi6es pour ces toxines sont constitu6es par les 6rythrocytes, les monocytes, les macrophages et les granulocytes. Selon les toxines SHT consid6r6es, il existe une activit6 biologique variable en fonction de la nature de ces diff6rentes cellules-cibles. A part les macrophages, on ne connait donc pas de cellule-cible situ6e en dehors du sang circulant.

Structure Uactivit6 biologique des toxines SHT ne peut 6tre mise en 6vidence que si deux compos6s prot6iques ind6pendants et diff6rents s'associent ~ la surface de la membrane des cellules-cibles. Ces compos6s s6cr6t6s par les staphylocoques ont chacun une masse mol6culaire comprise entre 31 et 38 kDa. U u n des compos6s doit appartenir a u n groupe de prot6ines de s6quence primaire tr6s voisine, le S. aureus (P83, Norcross)

.._"-

(gamma-h6molysine)

hlgA

S. aureus (ATCC 49775) (gamma-h6molysine + LPV)

hlgA

"-

Esp6ces de staphylocoques produisant des toxines SHT Selon les isolats de staphylocoques, le nombre de loci g6n6tiques c o d a n t les toxines SHT varie (figure 1):

• S. intermedius poss6de u n locus g6n6tique u n i q u e constitu6 d ' u n e unit6 transcriptionnelle responsable de la production h la fois d ' u n compos6 S e t d ' u n compos6 F. Une seule combinaison (S+F) peut survenir ~ la surface des cellules-cibles, donc une seule toxine SHT est produite par les 51 souches jusqu'ici examin6es de cette esp6ce (8); • S. aureus poss6de, selon les isolats, un ou deux loci chromosomiques responsables chacun de la production de compos6s des toxines SHT. - Pour 98 % des isolats cliniques, il existe un locus

g6n6tique unique form6 de deux opOrons (9-11). Le premier op6ron code une protOine unique d u groupe S, appel6e HlgA. Le second op6ron code u n e autre prot6ine d u groupe S, HlgC, ainsi qu'une prot6ine du groupe F, HIgB. I1 existe 67 % d'identit6 entre les deux protOines du groupe S produites par ces deux opOrons (12). Ainsi, deux combinaisons de type (S+F), b i o l o g i q u e m e n t actives, s'op6rent ~ la surface des cellules-cibles : (HlgA+HlgB) et (HlgC+HlgB). La plupart des souches de S. aureus produisent donc deux toxines

; ~

98 % des souches

hl C algB ,-- • .I-hlgC

hlgB

S. intermedius (B62) (luk-I)

,._ . ~:>

,

luk-S-I luk-F-I

fl6ches pleines : compos6s du groupe S;

136

~ ~

2 % des souches

luk S-PV luk F-PV 1oo%

des souches

fl6ches vides : compos6s du groupe F

SHT ayant des activit6s biologiques distinctes. I1 n'est pas exclu, avec la d6couverte probable A venir de nouvelles toxines SHT, que certaines de ces souches puissent p r o d u i r e d a v a n t a g e de toxines SHT que ce qui est actuellement connu. Pour notre part, nous consid6rons que la r6sultante de l'action biologique des deux combinaisons (S+F) de ces souches correspond ~ l'activit6 de "la" toxine-gamma, telle q u ' o n la congoit depuis 1938. Pour le groupe de Kamio (13), seul l'un des deux couples, (HlgA+HlgB) qui a une activit6 plus prononc6e sur les 6rythrocytes que sur les polynucl6aires, est appel6 toxine (ou h6molysine) gamma. Ces auteurs n o m m e n t ce couple (TII + LukF). Uautre couple, (HlgC+HlgB), qui a une activit6 h6molytique moins prononc6e, mais qui est leucocytotoxique, est appel6 leucocidine par ces auteurs. Ses compos6s sont nomm6s (LukS + LukF) par ce groupe japonais. - Pour 2 % des isolats cliniques de S. aureus, il existe en plus du locus d6crit ci-dessus, u n autre locus

form6 d ' u n seul op6ron et codant un compos6 d u groupe S appel6 simplement "S" ou "LukS-PV" et un compos6 du groupe F appel6 simplement "F" ou "LukF-PV" (12). Ainsi ces rares isolats produisent 3 prot6ines du groupe S (HlgA, HlgC et LukSPV) et 2 protdines du groupe F (HlgB et LukF-PV). Le pourcentage d'identit6 de la structure primaire des 3 prot6ines du groupe S est de 65/l 75 % et celui des 2 prot6ines du groupe F est de 70 %. En cons6quence, chacun de ces rares isolats de S. aureus est capable de former 6 couples (S+F) diff6rents ~ la surface des cellules-cibles, c'est-fi-dire 6 toxines SHT diff6rentes ayant chacune des activit6s biologiques diff6rentes (14). - D'autres protdines constituant des toxines S H T sont

en cours de caract6risation. Par exemple, Choorit et coll. (7) du groupe de Kamio ont r6cemment d6crit une prot6ine LukM de l'isolat ATCC 31890 de la souche P83 d'origine bovine. Cette prot6ine appartient s t r u c t u r e l l e m e n t au g r o u p e S, mais semblerait avoir une activit6 biologique typique d ' u n e prot6ine du groupe F. - Pour compliquer u n peu plus la situation, les

divers isolats disponibles d'une souche donnde peuvent contenir un nombre variable de loci codant des toxines SHT. Par exemple, l'isolat ATCC 49775 de la souche V8 poss6de deux loci codant les prot6ines HlgA, HlgB et HlgC, LukS-PV et LukF-PV

(12), tandis que l'isolat ATCC 27733 de la souche V8 n ' e n poss6de q u ' u n seul, celui codant les prot6ines HlgA, HIgC et HlgB (15). De m~me, l'isolat de la souche P83 d ' o r i g i n e bovine fourni par Norcross (Cornell University, Ithaca, New-York), produit les prot6ines HlgA, HlgC et HlgB (9), mais seul l'isolat ATCC 31890 de cette souche P83 produit u n e prot6ine surnum6raire LukM (7). Ces caract6ristiques font suspecter que les loci codant les prot6ines des toxines SHT soient situ6s sur des 616ments g6n6tiques mobilisables, ~ l'instar de ce qui est connu pour d'autres toxines de S. aureus comme l'ent6rotoxine A. Ceci explique que, selon les auteurs et les souches qu'ils ont utilis6es, la nomenclature de ces toxines puisse varier. Par exemple, il 6tait admis depuis les travaux de Woodin en 1959 (16) que la souche V8 produisait de la leucocidine de Panton et Valentine. Selon l'isolat de la souche V8 utilis6e par les diff6rents groupes de recherche, la d6finition de ce qu'il convient d'appeler leucocidine de Panton et Valentine a vari6 puisque les auteurs isolaient des toxines fi action leucocytotoxique dans tous ces isolats et que la diversit6 de ces toxines 6tait initialement inconnue. Actuellement il est devenu n6cessaire d'harmoniser, au plan international, la nomenclature de ces toxines nombreuses et complexes. Dans le reste de cet expos6 le mot "leucocidine de Panton et Valentine" (LPV) ne sera utilis6 que pour d6signer l'ensemble des deux prot6ines LukS-PV et LukF-PV produites par 2 % des isolats de S. aureus. Le m o t "toxinegamma" correspondra ~ l'activit6 biologique r6sultant de l'action des deux couples (HlgA+HlgB) et (HlgC+HlgB) produits par toutes les souches de S. aureus, y compris celles p r o d u i s a n t de la LPV. ACTION DES TOXINES SHT S U R LES C E L L U L E S - C I B L E S Fixation sur les cellules-cibles

Le p r e m i e r 6v6nement concernant les cellulescibles est la fixation des deux compos6s S e t F leur surface. La s6quence de leur fixation est appar e m m e n t diff6rente selon qu'il s'agit d'6rythrocytes ou de granulocytes. • Sur les granulocytes humains, le couple (S+F) de la LPV et les deux couples de la toxine-gamma vont pouvoir se fixer. Le premier compos6 qui se fixe

137

doit appartenir aux prot6ines du groupe S; ce n'est que secondairement que le compos6 du groupe F pourra se lier (17). La s6quence inverse est inefficace. La conformation mol6culaire des mol6cules li6es fi la membrane et le d6tail de leurs interrelations sont encore inconnus. I1 semble en r6alit6 exister au moins deux conformations fonctionnelles de ces couples (S+F) li6s fi la membrane granulocytaire : l'une r6alisant des pores non sp6cifiques en l'absence d'ions Ca 2+extracellulaires et l'autre cr6ant des pores sp6cifiques d'ions divalents en pr6sence de concentrations extracellulaires de la Ca 2+ a u t o u r des valeurs physiologiques. Cette entr6e d'ions calcium dans les granulocytes en pr6sence de toxines SHT avait d6j~ 6t6 observ6e par Woodin d6s 1965 avec la LPV (18). Selon Noda (19), Nariya et Kamio (13), le ganglioside m e m branaire GM1 est n6cessaire p o u r permettre la fixation du compos6 S aux membranes des granulocytes. Uinteraction du compos6 S avec le GM1 pourrait activer la phospholipase A2, comme le montrent Noda et coll. (19-21). Ainsi serait lib6r6 de l'acide arachidonique, pr6curseur des leucotri6nes B4 et des prostaglandines. Selon Wang et coll. (22), l'interaction d ' u n couple de type (S+F) avec la membrane granulocytaire activerait aussi !a p h o s p h o l i p a s e C. Les couples r6sultant de l'action d ' u n compos6 S de la t o x i n e - g a m m a et d ' u n compos6 F de la LPV (par exemple HlgA+LukF-PV) ou vice-versa (par exemple LukSPV+HlgB) n'ont pas encore 6t6 dtudi6s du point de v u e de leur fixation sur la m e m b r a n e des granulocytes humains. • Sur les drythrocytes humains, seul se fixerait, selon O z a w a et coll. (23, 24), le couple (HlgA+HlgB). C'est pourquoi ces auteurs n o m m e n t ce couple toxine-gamma, alors que pour nous, il ne repr6sente que l'un des deux constituants de la toxine-g a m m a . C e p e n d a n t , entre nos mains, l'autre couple constituant ce que nous appelons la toxinegamma, (HlgC+HlgB), a 6galement une activit6 h6molytique, mais moins puissante que celle r6sultant du couple (HlgA+HlgB). Concernant ce dernier couple, le premier compos6 ~ se fixer, HlgB, appartient au groupe F; ensuite seulement le compos6 HlgA, du groupe S, pourrait se fixer, h condition toutefois que du monosialoganglioside GM1 soit pr6sent dans la m e m b r a n e cellulaire. Ainsi la s6quence de fixation des compos6s des toxines SHT serait l'inverse de celle observ6e avec les granulocytes. Cette fixation de (HlgA+HlgB) d6ter-

minerait la formation d ' u n complexe prot6ique membranaire de 100 kDa, correspondant ~ l'association de 2 mol6cules d e HlgB et d'une mol6cule de HIgA (23, 24). A u c u n ligand membranaire, l'exception du GM1, n'est connu. L'autre couple constituant ce que nous appelons la toxinegamma, (HlgC+HlgB) n'a pas 6t6 test6 par ces auteurs sur les 6rythrocytes humains. Si (HlgA+HlgB) cr6ent bien des pores dans la m e m b r a n e 6rythrocytaire, ~ l'instar de ce qui est observ6 chez les granulocytes, ces pores pourraient ~tre responsables de la lyse 6rythrocytaire. Autres 6v6nements secondaires ~ la fixation des compos6s S et F sur les granulocytes

En plus de la formation de pores, la fixation de (S+F) active la t r a n s d u c t i o n de signaux transmembranaires chez les granulocytes. Ces 6tudes ont 6t6 r6alis6es pour la plupart avec de la LPV des concentrations comprises entre 1 et 3 000 n g / m l et en pr6sence de 107 granulocytes par ml. Ces 6tudes montrent une augmentation de production et de lib6ration de leucotri6ne B4 (25) et une diminution de l'om6ga-oxydation de ces leucotri6nes (25); des prot6ines G h6t6rotrim6riques et des prot6ines G de faible masse mol6culaire semblent impliqu6es dans ces processus (26). Cette fixation des compos6s des toxines SHT conduit 6galement ~ l'ADP-ribosylation de prot6ines granulocytaires de 20, 40 et 45 kDa, de fonction i n c o n n u e (26). I1 survient 6galement une production de m6tabolites oxyg6n6s (27), une lib6ration d'histamine, une augmentation de la production et de la lib6ration d'interleukine-8; pour que ce dernier ph6nom6ne puisse avoir lieu, une prot6ine tyrosine kinase serait n6cessaire (28). Parall61ement, on observe u n e d i m i n u t i o n d u nombre de r6cepteurs membranaires pour les leucotri6nes B4 et pour le fMLP (28), une diminution de l'activit6 membranaire de fixation de GTP et de l'activit6 GTPasique (26). La LPV est aussi responsable de la fragmentation de I'ADN cellulaire et de la lyse des granulocytes (25). ROLE DE LA LPV EN PATHOLOGIE HUMAINE

La plupart des isolats cliniques de S. aureus produisant de la LPV sont associ6s ~ des infections cutan6es n6crosantes primitives chez l ' h o m m e ,

138

comme des furoncles, des abc6s cutan6s primitifs ou certains panaris pulpaires (29, 30); inversement, 86 % des furoncles, 40 % des abc6s primitifs cutan6s, et 20 % des panaris sont dus ~ ces rares isolats toxinog6nes de S. aureus (29, 30). La production de LPV n'est pas seulement un bon marqueur des isolats de S. aureus responsables en particulier de furoncles, mais cette toxine pourrait bien 8tre l'une des principales causes de ces 16sions pour les raisons suivantes : l'injection intra-dermique a un lapin des deux compos6s purifi6s de la LPV est responsable d'une dermon6crose inflammatoire locale (31), tandis que l'injection des compos6s de la gamma-toxine des doses m~me cent fois plus 61ev6es n'est responsable que d'inflammation sans n6crose (32); si cette exp6rience est r6alis6e chez un animal dont les granulocytes ne sont pas sensibles ~ la LPV, aucune dermon6crose n'est observable. Ceci sugg6re que les granulocytes pourraient jouer un r61e essentiel pour cr6er des 16sions de n6crose; la quantit6 de m6diateurs de l'inflammation (histamine, leucotri6ne B4, enzymes, interleukine-8, m6tabolites oxyg6n6s) lib6r6s des granulocytes par la LPV est sup6rieure fi celle lib6r6e par la m 6 m e concentration de toxine-gamma comme l'ont montr6 K6nig et coll. (27). En outre, l'exposition de granulocytes humains pendant 3 heures h 37°C h I 000 ng de LPV par ml et en pr6sence de 107 cellules, conduit h une perte de l'int6grit6 cellulaire de 86 % des granulocytes. Le mSme traitement r6alis6 avec 6 000 ng de toxine-gamma par ml et en pr6sence 107 granu|ocytes, ne provoque la perte d'int6grit6 membranaire que de moins de 5 % des granulocytes (27). -

-

-

Ainsi, les toxines SHT sont responsables de la production continue d'ions superoxyde, d'histamine, d'interleukine-8, de leucotri6ne B4 par les granulocytes et de la lib6ration d'enzymes granulocytaires d6gradatives. Ces facteurs responsables d'inflammation sont davantage produits en pr6sence de LPV que de toxine-gamma, d'apr6s les donn6es obtenues ex vivo. I1 faut cependant souligner que, in vivo, les souches productrices de LPV produisent en outre les 3 compos6s responsables de l'activit6 toxine-gamma; de ce fait, c'est en r6alit6 6 couples de toxines SHT qui sont disponibles dans les tissus infect6s. Les signes cliniques observ6s sont vraisemblablement la r6sultante de

l'action inflammatoire majeure de la LPV et des 5 autres toxines SHT associ6es, m6me si la LPV joue apparemment un r61e majeur dans ce processus toxique. La fraction des granulocytes d6truits in situ est responsable d'une diminution de l'activit6 phagocytaire locale et de 16sions tissulaires locales. La fraction des phagocytes non d6truits et simplement stimul6s lib6re 6galement de nombreux facteurs inflammatoires; ces leucocytes deviennent 6galement incapables d'etre stimul6s ult6rieurement par d'autres facteurs environnementaux comme cela a 6t6 d~montr6 pour la LPV : en particulier leur activit6 phagocytaire chute notablement (25). Dans ces conditions, les granulocytes, facteurs de d6fense essentiels de l'organisme contre les staphylocoques, sont inop6rants ou d6truits et l'infection a tendance fi s'6tendre. Pour r4sumer, la forte association constat6e cliniq u e m e n t entre infection cutan4e n6crosante et pr6sence de S. aureus producteur de LPV est vraisemblablement due fi la stimulation exag6r6e et la lyse des granulocytes in vivo. Uextension de l'infection est ~ mettre en rapport avec l'inhibition des fonctions phagocytaires et avec la destruction de ces granulocytes. Uimplication de la LPV et de ses 5 toxines associ6es dans la gen6se des furoncles et d'autres 16sions cutan6es n6crosantes, est une donn6e d'acquisition r6cente. Ces facteurs d'origine bact6rienne sont pr6pond6rants. Dans le cas des furon~ culoses r6cidivantes, une souche productrice de LPV peut ~tre isol6e des fosses nasales ant6rieures entre les 6pisodes de pouss6e. Les souches isol6es lors de pouss6es successives ou entre les pouss6es gardent le m6me profil lorsqu'on examine leur ADN par 61ectrophor6se en champ puls6 (10). Cependant les facteurs de l'h6te jouent 6galement un r61e puisque les furoncles ne sont pas tous dus des souches productrices de LPV (~ moins que lors de la culture, un 6ventuel 616ment g6n6tique mobile porteur des g6nes de LPV n'ait 6t6 perdu ou que le pr616vement et la culture n'aient pas permis d'isoler la b o n n e souche de S. aureus). On connait par exemple des 6pisodes de furoncles associ6s aux p6riodes menstruelles. La LPV (et ses 5 toxines SHT associ6es) rejoint ainsi le club tr6s ferm6 des toxines de S. aureus responsables par elles-m~mes de tableaux cliniques occupant le devant de la sc6ne, lors de la prolif6ration de staphylocoques. Ces toxines sont

139

les suivantes : les exfoliatines (ou 6pidermolysines) responsables du syndrome de Ritter von Rittershain ou impetigo bulleux ou syndrome de Lyell staphylococcique ou 6pidermolyse bulleuse ou SSSS (acronyme de ,staphylococcal scalded skin syndrome") des Anglo-Saxons; la seconde toxine est la TSST-1 (acronyme de "toxic shock syndrome toxin-1") responsable, avec certaines ent6rotoxines, de syndrome de choc toxique; le troisibme groupe de toxines est repr6sent6 par les ent6rotoxines, responsables d'intoxications alimentaires secondaires l'ingestion d'aliments off des souches ent6rotoxinog6nes de S. aureus se sont pr6alablement multipli6es. ROLE DE LA TOXINE-GAMMA IN VIVO

Toutes les souches de S. aureus, m6me celles poss6dant les g6nes codant la LPV, produisent de la gamma-toxine, c'est-/t-dire les deux couples (HlgA+HlgB) et (HlgC+HlgB). Pour attribuer un r61e sp6cifique a "la" toxine-gamma, il est n6cessaire de disposer de souches bact6riennes off les 3 ghnes du locus hlg responsables de cette activit6 toxique auront 6t6 61imin6s ou inactiv6s. La comparaison, dans un mod61e animal exp6rimental standardis6, de l'activit6 toxique de la souche sauvage (hlg ÷) avec celle de la souche exp6rimentalement mut6e (hlg-), permet d'attribuer un r61e biologique in vivo aux produits des g6nes ainsi examin6s. Cette approche a permis de montrer, dans un modble d'endophtalmie exp6rimentale de lapin (dont les granulocytes sont sensibles l'action des toxines SHT), que "la" toxine-gamma avait une forte activit6 proinflammatoire (r6sultats non encore publi6s, Supersac et coll.). La toxine-gamma ne semble pas ~tre associ6e a des sympt6mes cliniques particuliers, mais elle constitue apparemment Fun des nombreux facteurs proinflammatoires produits par S. aureus qui contribuent a la symptomatologie des 16sions associ6es aux infections ~ S. aureus. CONCLUSION

Les toxines SHT comprennent de nombreuses mol6cules dont la liste n'est sfirement pas close. En raison du nombre de ces mol6cules, de leurs appellations diff6rentes selon les auteurs, une nomenclature plus rationnelle devrait 6tre adopt6e. Ces toxines font partie du grand groupe des mol6cules formant des pores dans les membranes.

I1 est particuli6rement int6ressant de noter que d'autres genres bact6riens a Gram positif, les Lactobacillus et les Lactococcus, peuvent produire des polypepfides responsables de la formation de pores membranaires par l'association synergique de deux de ces polypeptides. Ces mol6cules synergiques ont une fonction de bact6riocines dont les cibles connues sont des bact6ries vivantes, toujours munies de leur paroi. Ces syst6mes sont la plantaricine A de Lactobacillus plantarum (33), la plantaricine S de Lactobacillus plantarum (34), la lactacine F de Lactobacillus johnsonii (35), la lactococcine M produite par Lactococcus lactis subsp. cremoris (36) et la lactococcine G produite par L. lactis (37). Ces mol6cules sont actives sur des souches indicatrices de Lactobacillus, de Lactococcus et d'Enterococcusfaecalis (38). A l'instar des toxines SHT capables de cr6er des pores membranaires sp6cifiques d'ions divalents, la combinaison des mol6cules alpha et b6ta constituant la lactococcine G, d6termine la formation de canaux sp6cifiques d'ions potassium. Uexistence de syst6mes polypeptidiques synergiques chez divers genres de bact6ries/t Gram positif, la capacit6 commune ~ ces syst6mes h cr6er des pores transmembranaires s61ectifs d'ions bien d6finis et la possibilit6 que, chez S. aureus au moins, les g6nes des toxines SHT soient situ6s sur des 616ments g6n6tiques mobiles, tous ces 3 616ments sugg6rent que les g6nes de toxines SHT pourraient r6sulter d'un flux de g6nes passant d'un genre bact6rien a un autre. Cependant aucun lien structural n'a 6t6 jusqu'~ pr6sent d6montr6 entre les toxines SHT et ces bact6riocines particuli6res. Ces toxines SHT des staphylocoques activent les monocytes et les polynucl6aires et provoquent une paralysie fonctionnelle de ces cellules. Certaines de ces toxines sont plus actives sur les 6rythrocytes; d'autres sont plus efficaces sur les polynucl6aires humains et sont alors vraisemblablement les responsables de 16sions n6crosantes comme les furoncles. Des exp6riences r6centes r6alis6es in vivo confirment que la gamma-toxine a une activit6 proinflammatoire importante. Des 6tudes compl6mentaires sont encore n6cessaires pour mieux pr6ciser les propri6t6s structurales et fonctionnelles de cette nouvelle famille de toxines fascinantes.

140

SUMMARY

SYNERGO-HYMENOTROPIC TOXINS FROM STAPHYLOCOCCI

Synergo-hymenotropic toxins (SHT) make up a family of recently discovered protein toxins, produced by staphylococci. In this family can be found: Panton-Valentine leucocidin (PVL), gamma-toxin, bovine leucocidin, an M leucocidin, and a toxin from Staphylococcus intermedius. These toxins are all activated by the synergistic action of two different components on one or several of the following human cell types: erythrocytes, granulocytes, monocytes, and macrophages. Sequential binding of the components occurs at the surface of these target cells. On phagocytes, this binding is responsible for the formation of calcium ion channels in the presence of extracellular calcium ions; it is also responsible for the synthesis and excretion of numerous inflammation mediators via G protein activation, for a secondary inactivation of these cells, and for cell lysis. On erythrocytes, this binding is responsible for cell lysis. 2 % of clinical isolates of S. aureus producing PVL are responsible for cutaneous primary necrotic infections such as furuncles, probably because of granulocyte overproduction of inflammation mediators. All isolates of S. aureus produce gamma-toxin which, in vivo, have a strong pro-inflammatory action. SHT toxins are not the only ones activated by the synergistic action of 2 polypeptides: some isolates of lactic bacteria produce 2 component-bacteriocins also forming ions-specific channels in bacterial membranes. Key-words: Synergo-hymenotropic toxin - Leucocidin - Gamma-toxin - Staphylococcus aureus - Structure - Mode of action - Epidemiology - Furuncle.

REFERENCES 1. 2. 3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

SMITH M.L., PRICE S.A. - Staphylococcus 7-haemolysin. J Path Bact. 1938 ; 47 : 379-93. P A N T O N P.N., V A L E N T I N E F.C.O. - Staphylococcal toxin. Lancet. 1932 ; 222 : 506-8. SOBOLL H. - P a n t o n - V a l e n t i n e - L e u k o z i d i n bei Staphylokokken v o m Rind. Ph D Thesis - Giessen (Germany). 1971. R A H M A N A., IZAKI K., KATO i., K A M I O Y. - Nucleotide sequence of leucocidin S-component gene (lukS) from methicillin resistant Staphylococcus aureus. Biochem Biophys Res C o m m u n . 1991 ; 181 : 138-44. R A H M A N A., NARIYA H., IZAKI K., KATO I., K A M I O Y. - Molecular cloning a n d nucleotide sequence of leucocidin F - c o m p o n e n t gene (lukF) from methicillin resistant Staphylococcus aureus. Biochem Biophys Res C o m m u n . 1992 ; 184 : 640-6. R A H M A N A., IZAKI K., KAMIO Y. - G a m m a - h e m o l y s i n genes i n tile same f a m i l y w i t h lukF a n d IukS genes in methicillin resistant Staphylococcus aureus. Biosci Biotech Biochem. 1993 ; 57 : 1234-6. C H O O R I T W., K A N E K O J., M U R A M O T O K., K A M I O Y. - Existence of a n e w protein c o m p o n e n t with the same function as the LukF c o m p o n e n t of leucocidin or 7-hemolysin a n d its gene in Staphylococcus aureus P83. FEBS Lett. 1.995 ; 357 : 260-4. PRI~VOST G., B O U A K H A M T., PII~MONT Y., MONTEIL H. - Characterisation of a s y n e r g o h y m e n o t r o p i c toxin p r o d u c e d b y Staphylococcus intermedius. FEBS Left. 1995 ; 376 : 135-40. SUPERSAC G., PRt~VOST G., PI]~MONT Y. - Sequencing

10.

11.

12.

13.

14.

15.

141

of leucocidhl R from S. aureus P83 suggests that staphylococcal leucocidins a n d g a m m a - h e m o l y s i n are m e m b e r s of a single, two c o m p o n e n t family of toxins. Infect I m m u n . 1993 ; 61 : 580-7. PRI~VOST G., COUPPII~ P., PRt~VOST P., GAYET S., PETIAU P., CRIBIER B., MONTEIL H., PIt~MONT Y. Epidemiological data on Staphylococcus aureus strains producing synergohymenotropic toxins. J Med Microb. 1995 ; 42 : 1-9. C O O N E Y J., KIENLE Z., FOSTER T.J., O ' T O O L E W. The g a m m a - h e m o l y s i n locus of Staphylococcus aureus comprises three linked genes, two of which are identical to the genes for the F a n d S c o m p o n e n t s of leucocidin. Infect I m m u n . 1993 ; 61 : 768-71. PRI~VOST G., CRIBIER B., COUPPIt~ P., P E T I A U P., SUPERSAC G., F I N C K - B A R B A N ~ O N V., MONTEIL H., PII~MONT Y. - Panton-Valentine leucocidin a n d g a m m a h e m o l y s i n from Staphylococcus aureus ATCC 49775 are encoded by distinct genetic loci a n d have different biological activities. Infect I m m u n . 1995 ; 63 : 4121-9. NARIYA H., KAMIO Y. - Identification of the essential regions for LukS- a n d HTII-specific functions of staphylococcal l e u k o c i d i n a n d ~/-hemolysin. Biosci Biotechnol Biochem. 1995 ; 59 : 1603-4. SIQUEIRA J.A., SPEEG-SCHATZ C., FREITAS I., SAHEL J., MONTEIL H., PRt2VOST G. - C h a n n e l - f o r m i n g leucotoxins from Staphylococcus aureus cause severe i n f l a m m a tory reactions in a rabbit eye model. J Med Microbiol. 1997 : in press. N O D A M., H I R A Y A M A T., K A T O I., M A T S U D A F. -

16. 17.

18. 19.

20.

21.

22.

23.

24.

25.

26.

27.

Crystallization and properties of staphylococcal leukocidin. Biochim Biophys Acta. 1980 ; 633 : 33-44. WOODIN A.M. - Fractionation of a leucocidin from Staphylococcus aureus. Biochem J. 1959 ; 73 : 225-37. FINCK-BARBAN~ON V., DUPORTAIL G., MEUNIER O., COLIN D.A. - Pore formation by a two component leukocidin from Staphylococcus aureus within the membrane of human polymorphonuclear leukocytes. Biochim Biophys Acta. 1993 ; 1182 : 275-82. W O O D I N A.M. - Staphylococcal leukocidin. A n n NY A c a d Sci. 1965 ; 128 : 152-64. N O D A M., KATO I., MATSUDA F., HIRAYAMA T. Mode of action of staphylococcal leukocidin: relationship between binding of 12SI-labeled S and F components of leukocidin to rabbit polymorphonuclear leukocytes and leukocidin activity. Infect Immun. 1981 ; 34 : 362-7. N O D A M., KATO I., HIRAYAMA T., MATSUDA F. Mode of action of staphylococcal leukocidin: effects of S and F components on the activities of membrane-associated enzymes of rabbit polymorphonuclear leukocytes. Infect Immun. 1982 ; 35 : 38-45. N O D A M., HIRAYAMA T., MATSUDA F., KATO I. - A n early effect of the S component of staphylococcal leukocidin on methylation of phospholipid in various leukocytes. Infect Immun. 1985 ; 50 ; 142-5. W A N G X., N O D A M., KATO I. - Stimulatory effect of staphylococcal leukocidin on phosphoinositide metabolism in rabbit p o l y m o r p h o n u c l e a r leukocytes. Infect Immun. 1990 ; 58 : 2745-9. O Z A W A T., KANEKO J., NAR1YA H., IZAKI K., KAMIO Y. - Inactivation of y-hemolysin HyII component by addition of m o n o g a n g l i o s i d e GM1 to h u m a n erythrocytes. Biosci Biotech Biochem. 1.994 ; 58 : 602-5. O Z A W A T., KANEKO J., KAMIO Y. - Essential binding of LukF of staphylococcal y-hemolysin followed by the binding of HTII for the hemolysis of h u m a n erythrocytes. Biosci Biotech Biochem. 1995 ; 59 : 1181-3. HENSLER T., KONIG B., PRI~VOST G., PIEMONT Y., KOLLER M . , K O N I G W . - Leukotriene B4 generation and D N A fragmentation induced by tukocidin from Staphylococcus aureus: protective role of granulocyte-macrophage c o l o n y - s t i m u l a t i n g factor (GM-CSF) a n d G-CSF for h u m a n neutrophils. Infect Immun. 1994 ; 62 : 2529-35. HENSLER T., KOLLER M., PRI~VOST G., PII~MONT Y., KONIG W . - GTP-binding proteins are involved in the m o d u l a t e d activity of h u m a n neutrophils treated with the Panton-Valentine l e u k o c i d i n from Staphylococcus aureus. Infect Immun. 1994 ; 62 : 5281-9. K O N I G B., PRt~VOST G., PIEMONT Y., KONIG W. -

142

28.

29.

30.

31.

32.

33.

34.

35.

36.

37.

38.

Effects of Staphylococcus aureus leukocidins on inflammatory mediator release from h u m a n granulocytes. J Infect Dis. 1995 ; 171 : 607-13. KONIG B., KOLLER M-, PRI~VOST G., PII~MONT Y., ALOUF J.E., SCHREINER A., KONIG W. - Activation of h u m a n effector cells by different bacterial toxins (leukocidin, alveolysin, and erythrogenic toxin A): generation of interleukin-8. Infect Immun. 1994 ; 62 : 4831-7. CRIBIER B., PREVOST G., COUPPIE P., FINCKBARBAN~ON V., GROSSHANS E., PIt~MONT Y. - Staphylococcus aureus leukocidin: a new virulence factor in cutaneous infections ? Dermatology. 1992 ; 185 : 175-80. COUPPII~ P., CRIBIER B., PREVOST G., GROSSHANS E., PIEMONT Y. - Leucocidin from Staphylococcus aureus and cutaneous infection: an epidemiological study. Arch Dermatol. 1994 ; 130 : 1208-9. WARD P.D., TURNER W.H. - Identification of staphylococcal Panton-Valentine leukocidin as a potent dermonecrotic toxin. Infect Immun. 1980 ; 27 : 393-7. PETIAU P. - Effets cutan6s de la gamma-toxine et de la leucocidine de Panton et Valentine chez le lapin. Th6se de M6decine, Strasbourg, 1993. NISSEN-MEYER J., LARSEN A.G., SLETTEN K., DAESCHEL M . , N E S I.F. - Purification and characterization of plantaricin A, a Lactobacillus plantarum bacteriocin whose activity d e p e n d s on the action of two peptides. J Gen Microbiol. 1993 ; 139 : 1973-8. JIMINEZ-DIAZ R., RIOS-SANCHEZ R.M., DESMAZEAUD M., RUIZ-BARBA J.L., PIARD J.C. - Plantaricin S and T, two n e w bacteriocins produced b y Lactobacillus plantarum l p c o l 0 isolated from a green olive fermentation. A p p l Environ Microbiol. 1993 ; 59 : 1416-24. ABEE T., KLAENHAMMER T.R., LETELLIER L. - Kinetic studies of the action of lactacin F, a bacteriocin produced by Lactobacillus johnsonii that forms poration complexes in the cytoplasmic m e m b r a n e . A p p l Environ Microbiol. 1994 ; 60 : 1006-13. V A N BELKUM M.J., HAYEMA B.J., JEENINGA R.E., KOK J., V E N E M A G. - Organization and nucleotide sequence of two lactoccal bacteriocin operons. App1 Environ Microbiol. 1991 ; 57 : 492-8. MOLL G., UBBINK-KOK T., H I L D E N G - H A U G E H., NISSEN-MEYER J., NES I.F., K O N I N G S W.N., DRIESSEN A . J . M . - Lactococcin G is a p o t a s s i u m ionconducting, t w o - c o m p o n e n t bacteriocin. J Bacteriol. 1996 ; 178 : 600-5. ALLISON G.E., FREMAUX C., KLAENHAMMER T.R. Expansion of bacteriocin activity and host range u p o n complementation of two peptides encoded within the lactacin F operon. J Bacteriol. 1994 ; 176 : 2235-41.