Un nuevo sistema de transporte de proteínas media la secreción de toxinas por el patógeno de la tuberculosis



Hace seis años, Michael Niederweis, Ph.D., describió la primera toxina jamás encontrada para el patógeno mortal Mycobacterium tuberculosis.

Esta toxina, la toxina necrotizante de la tuberculosis o TNT, se convirtió en el miembro fundador de una nueva clase de toxinas previamente desconocidas presentes en más de 600 especies de bacterias y hongos, según lo determinado por la similitud de la secuencia de proteínas.

La toxina se libera cuando la bacteria M. tuberculosis sobrevive y crece dentro de su huésped macrófago humano, matando al macrófago y permitiendo el escape y la propagación de la bacteria.

Durante 132 años, la falta de una toxina identificada en M. tuberculosis ha contrastado con casi todas las demás bacterias patógenas cuyas toxinas contribuyen a la enfermedad o la muerte. M. tuberculosis infecta a 9 millones de personas al año y mata a más de 1 millón.

Ahora, en otro trabajo pionero, el investigador y sus colegas de la Universidad de Alabama en Birmingham describen cómo dos pequeñas proteínas ESX producidas por la bacteria M. tuberculosis median en la secreción de TNT mediante la formación de poros en las membranas que envuelven a la bacteria.

Este hallazgo puede tener una amplia aplicación porque un motivo distintivo de tres aminoácidos que se encuentra en EsxE y EsxF: triptófano / cualquier aminoácido /glicina, conocido en forma abreviada como WXG – también se encuentra en muchas otras proteínas pequeñas de micobacterias y en la gran superfamilia de proteínas bacterianas WXG100 que se asemejan a EsxE y EsxF.

Aquí, mostramos por primera vez que las pequeñas proteínas Esx de la familia WXG100 tienen una función molecular importante dentro de la célula Mtb al mediar en la secreción de toxinas. Nuestros resultados sugieren un mecanismo dinámico de formación de poros por pequeñas proteínas Esx que podrían ser aplicables a otros miembros de la gran familia de proteínas WXG100. Por lo tanto, nuestro estudio no solo representa un avance importante en nuestra comprensión de la secreción de TNT y probablemente de otras proteínas en M. tuberculosis, sino que también describe una función biológica para los paralogs Esx en M. tuberculosis y sus homólogos en la gran familia de proteínas WXG100. en bacterias Gram-positivas. “

Micheal Niederweis, profesor, Departamento de Microbiología, Universidad de Alabama en Birmingham

TNT es uno de los dos dominios de la proteína CpnT de la membrana externa de M. tuberculosis; La actividad del dominio TNT de CpnT en el citosol del macrófago induce la muerte del macrófago hidrolizando NAD +. M. tuberculosis tiene una membrana interna y una membrana externa, y una proteína debe atravesar cada capa para ser secretada fuera de la bacteria. Se desconocía cómo llega CpnT a la membrana externa.

EsxE y EsxF son parte del mismo segmento de genes que CpnT, y los investigadores de la UAB plantearon la hipótesis de que las dos pequeñas proteínas podrían estar involucradas en la secreción de la toxina.

Al crear diferentes cepas que carecían de EsxE o EsxF, demostraron que ambas proteínas eran necesarias para la translocación de CpnT a la superficie celular de M. tuberculosis y para la secreción de TNT en el citosol de macrófagos infectados con M. tuberculosis. Además, EsxE y EsxF son proteínas de superficie accesible en M. tuberculosis como un complejo asociado a la membrana.

Para obtener más información sobre el mecanismo de esa translocación, el equipo de la UAB creó mutantes de cada proteína Esx, donde el aminoácido triptófano del único motivo WXG en cada proteína fue reemplazado por el aminoácido alanina. Los mutantes mostraron que se requería un motivo WXG intacto en EsxE y en EsxF para la translocación eficaz de CpnT a la membrana externa de M. tuberculosis y la posterior secreción de TNT en el citosol de los macrófagos infectados.

La purificación de las proteínas EsxE y EsxF solubles en agua mostró que formaban dímeros EsxE-EsxF, y cinco de estos dímeros se ensamblaron en estructuras en forma de estrella, como se ve por microscopía electrónica. Cada uno tenía unos 10 nanómetros de diámetro, con un poro central de 3 nanómetros.

Los experimentos con bicapas lipídicas planas fueron clave para comprender la función molecular de EsxE-EsxF, ya que mostraron que los poros de EsxE-EsxF formaban canales a través de las membranas lipídicas.

Finalmente, los investigadores demostraron que los motivos WXG eran necesarios para la formación de poros y la rotura de la membrana por el complejo EsxE-EsxF, y los motivos mediaban el ensamblaje de oligómeros funcionales EsxE-EsxF. Esto ahora define un papel bioquímico para el motivo WXG anteriormente enigmático.

“EsxE y EsxF constituyen los primeros componentes de la membrana externa conocidos que median la secreción de proteínas en M. tuberculosis”, dijo Niederweis. “Sin embargo, es poco probable que EsxE y EsxF sean suficientes para la secreción de TNT, ya que se requiere una fuente de energía en todos los sistemas de secreción de proteínas bacterianas conocidos. Por lo tanto, es posible que EsxE-EsxF se asocie con otras proteínas o complejos de proteínas para lograr la exportación de CpnT y secreción de TNT “.

Los investigadores de la UAB proponen dos modelos para el transporte de CpnT por EsxE y EsxF. En el primero, los heterodímeros EsxE-EsxF forman un poro en la membrana interna y luego forman otro poro en la membrana externa para crear canales transmembrana.

“Alternativamente”, dijo Niederweis, “el canal de la membrana interna se extiende para abarcar el periplasma mediante la formación de filamentos y se conecta a los poros EsxE-EsxF en la membrana externa, exponiendo EsxF en la superficie celular. En este modelo, el supuesto EsxE-EsxF El túnel del canal permite la exportación del polipéptido CpnT a la membrana externa de M. tuberculosis y la posterior secreción de TNT y EsxE-EsxF “.

Coautores con Niederweis en el estudio, “Las proteínas Esx formadoras de poros median la secreción de toxinas por Mycobacterium tuberculosis”, publicado en Comunicaciones de la naturaleza, son Uday Tak y Terje Dokland, Departamento de Microbiología de la UAB.

“Este trabajo fue un logro notable de un estudiante de posgrado sobresaliente, Uday Tak, que hizo casi todos estos experimentos por sí mismo”, dijo Niederweis. Uday Tak obtuvo su Ph.D. en noviembre de 2020 y ahora es becario postdoctoral en la Universidad de Colorado-Boulder.

Este documento fue seleccionado por el editor en jefe como un punto destacado y aparece en un sitio web especial llamado “Microbiología y enfermedades infecciosas”.

Fuente:

Referencia de la revista:

Tak, U., et al. (2021) Las proteínas Esx formadoras de poros median la secreción de toxinas por Tuberculosis micobacteriana. Comunicaciones de la naturaleza. doi.org/10.1038/s41467-020-20533-1.

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