Relationship between Gb3 Expression and Cytotoxicity of Shiga-like Toxin I

Shiga-like Toxin I의 세포독성과 수용체 Gb3 발현과의 관계

Purpose : Infection with Shiga-like toxin (SLT)-producing Escherichia coli, an emerging human pathogen found particularly in young children under 5 years of age, causes a spectrum of illnesses with high morbidity and mortality, ranging from diarrhea to hemorrhagic colitis and hemolytic uremic syndrome. Host mediators play an important role in the pathogenesis of SLT-I toxicity. The experiments described here were designed to investigate the effect of SLT-I on TNF-${\alpha}$ production and to understand the effect of TNF-${\alpha}$ on GB3 expression. We also further examine the relationship between the Gb3 level and the differential susceptibility of cells to the cytotoxic action of SLT-I. Methods : The effect of purified SLT-1 from E. coli O157 : H7 (ATCC 43890) on tumor necrosis factor-${\alpha}$ (TNF-${\alpha}$) production in Raw264.7 cells was investigated. Many mediators regulate endothelial cell membrane expression of the glycolipid globotriaosyleramide (Gb3), which serves as the toxin receptor, suggesting that the host response to the toxin or other bacterial products may contribute to pathogenesis by regulating target cell sensitivity to the toxins. Therefore, the relationships between Gb3 expression and cytotoxicity against SLT-I on three types of cells were evaluated. Results : Detectable levels of TNF-${\alpha}$ were produced as early as six hours after induction and continued to increase during 48 hours by SLT-I. It was also found that Vero cells and dendritic cells (DC2.4 cells) expressed high levels of Gb3, 83% and 68%, respectively, and that Raw264.7 cells had a low level of Gb3 (29%) and appeared refractory to cytotoxicity against SLT-I. Vero cells and DC2.4 cells expressing high levels of Gb3 were highly susceptible to SLT-I. Furthermore, macrophages showed a resistance to SLT-I cytotoxicity, despite the fact that Gb3 expression was enhanced. Conclusion : These results strongly suggest that the expression of Gb3 is necessary but not sufficient to confer sensitivity of macrophages to SLT-I and further underpin the important role of SLT-I and its Gb3 receptors in the pathogenesis of E. coli O157 infection.

목 적 : Shiga-like toxin (SLT)을 생산하는 Esherichia coli에 의한 감염은 설사, 출혈성 대장염(hemorrhagic colitis) 및 용혈성 요독 증후군(hemolytic uremic syndrome)을 특징으로 하며, 특히 5세 이하의 소아에게서 심각한 결과를 초래한다. SLT-I의 병인으로는 다양한 숙주 매개인자들이 알려져 있다. 본 연구에서는 E. coli 0157 : H7 (ATCC 43890)로부터 정제한 SLT-I이 포유동물 세포들에 대한 세포독성과 종양괴사인자(tumor necrosis factor-${\alpha}$; TNF-${\alpha}$)의 생산에 미치는 효과를 측정하였으며, SLT-I의 수용체인 glycolipid globotriaosylceramide (Gb3)의 발현과 SLT-I의 세포독성의 관계를 규명하고자 하였다. 방 법 : SLT-I과 SLT-I B를 순수분리 정제하고 SLT-I B-FLTC 접합체를 제조하여 vero 세포, 대식세포 및 수지상세포를 대상으로 세포독성능을 측정하고 세포독성능의 차이가 SLT-I의 수용체인 Gb3의 발현과 상관관계가 있는지를 Flow cyotmetry로 분석하였다. 또한 대식세포의 종양괴사인자 생산능은 ELISA법으로 시행하였다. 결 과 : SLT-I은 대식세포(Raw264.7)로부터 TNF-${\alpha}$의 생산을 증가시켰다. 연구 대상 세포 중 SLT-I에 감수성을 나타낸 Vero 세포와 수지상세포(dendritic cells)는 Gb3 발현이 각각 83%와 68%로 높았으며, 29%의 낮은 Gb3 발현을 보인 Raw264.7 세포는 감수성을 보이지 않았다. 따라서 위의 결과로부터 SLT-I에 감수성을 보이지 않은 Raw264.7 세포를 대상으로 Gb3 발현 정도와 SLT-I의 세포독성의 관계를 규명하고자 Gb3의 발현을 증가 시킨 후 SLT-I의 세포독성을 재차 평가하였다. 이 결과 TNF-${\alpha}$의 처리에 의하여 6 h에 Gb3의 발현이 정점(43.5%)에 이르렀으며 36 h에 정상 수준(25.0%)으로 환원되었다. 그러나, Gb3의 발현이 증가함에도 불구하고 SLT-I의 세포독성에는 변화가 관찰되지 않았다. 따라서, SLT-I에 의한 세포독성은 세포의 종류에 따라서 다르며 또한, Gb3의 발현정도에만 의존적이지는 않을 것으로 생각된다. 결 론 : 이와 같은 결과는 E. coli 0157의 감염증 병인 연구에 있어 SLT-I과 Gb3의 발현의 상관관계에 대한 보다 심도 있는 연구가 필요함을 시사한다.