Mecanismos moleculares de la acción de toxinas bacterianas

Esta revisión resume la epidemiología, la secreción, el suministro y los mecanismos de acción de la toxina termolábil (LT) producida por Escherichia coli y además destaca las nuevas funciones reveladas en estudios punteros. Explica los mecanismos implicados en la producción de diarrea. La subunidad LBT se une a los receptores GM1 en la mucosa y entran en las células epiteliales por endocitosis. Después, se va a internalizar en el RE, produciéndose la ruptura del péptido LTA en los fragmentos A1 y A2. La actividad ADP-ribosil de los fragmentos A1 provoca la activación de la AC elevando los niveles de cAMP. Esto provoca la activación de la PKA, inhibiendo la absorción de sodio por los canales de Na+/H+ y estimula la secreción de Cl- por fosforilación de CFTR.

Duan, Q., Xia, P., Nandre, R., Zhang, W., y Zhu, G. (2019). Review of Newly Identified Functions Associated With the Heat-Labile Toxin of Enterotoxigenic Escherichia coli. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 9, 292.

Este artículo trata sobre el efecto del factor protector de la toxina del ántrax (PA). Este factor es secretado como una proteína que se une al receptor de superficie de la célula ANTXR2. Las subunidades de PA se combinan y forman un preporo, que tiene sitios de unión para LF y EF, que al unirse terminan de formar el complejo. Éste es endocitado por la célula y anclado a la membrana del endosoma. La disminución del pH en el endosoma provoca un cambio conformacional, transformando el preporo a un canal transmembranal. Finalmente, las subunidades EF y LF atraviesan el poro y salen del interior del endosoma al citosol. Por lo tanto en este artículo se revisan las funciones del receptor de superficie ANTXR2 en la acción de la toxina del ántrax.

Sun, J., y Jacquez, P. (2016). Roles of Anthrax Toxin Receptor 2 in Anthrax Toxin Membrane Insertion and Pore Formation. Toxins, 8 (2), 34.

En este artículo se contrasta información sobre los mecanismos que actúan sobre las modificaciones funcionales del receptor del ántrax. El receptor es palmitoilado para prevenir su ubiquitinización y consecuente degradación. La toxina se une a este receptor y a un co-receptor, produciéndose la rotura del antígeno protectivo, lo que lleva a la heptamerización del mismo, dando lugar a su unión con el factor edema o con el factor letal, y a su asociación con balsas lipídicas, para ello el receptor debe ser despalmitoilado, aunque requiere la palmitoilación de otra proteína. Una vez en las balsas lipídicas, el complejo es ubiquitinizado e internalizado mediante un proceso mediado por clatrina.

Linder, M. E., y Deschenes, R. J. (2007). Palmitoylation: policing protein stability and traffic. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 8 (1), 74–84.

En este artículo se puede ver como gracias a los esfuerzos llevados a cabo para descubrir los inhibidores de LF, se han desarrollado nuevas estrategias para la detección, como por ejemplo, el uso de proteínas completas como sustratos pudiendo ser útiles para otras proteasas. El FL es una metaloproteinasa (90 kD) que consta de cuatro dominios. El dominio I se une al antígeno protector en su estado multimerizado, para su absorción celular. Los dominios II y III comprenden la porción central de la proteína y regulan el acceso del sustrato al sitio activo en el dominio IV. El dominio IV es el dominio catalítico que cuenta con dos histidinas, dos glutámicos y una tirosina para la formación del centro activo junto al metal. Su principal sustrato son las MAPKK, y actúan sobre ellas rompiéndolas en un sitio de unión a su sustrato principal (MAPK). Esto interrumpe una importante vía de señalización intracelular que conduce a los efectos dañinos de FL en las células.

Goldberg, A. B., y Turk, B. E. (2016). Inhibitors of the Metalloproteinase Anthrax Lethal Factor. Current Topics in Medicinal Chemistry, 16 (21), 2350–2358.

La toxina del ántrax produce un aumento de AMPc en la célula hospedadora cuando el factor edema de la toxina adquiere actividad adenilato ciclasa (AC) al asociarse con CaM, que interfiere en vías en las que actúan las PKA, canales mediados por AMPc y EPAC. La toxina del edema (EdTx) afecta a la respuesta celular del hospedador, por lo que adquiere un rol muy importante en la patogénesis del ántrax, modulando diversas funciones vitales para la inmunidad innata de las células hospedadoras, teniendo efectos en macrófagos, células dendríticas, neutrófilos, células T y células endoteliales. En esta revisión se comparan las características bioquímicas y estructurales de la AC del factor del edema del ántrax con las AC del huésped. Los resultados revelan que tienen diversas estrategias de activación catalítica, pero utilizan el mismo mecanismo catalítico, iones de dos metales.

Tang, W.-J., y Guo, Q. (2009). The adenylyl cyclase activity of anthrax edema factor.Molecular Aspects of Medicine, 30 (6), 423–430.

Este artículo trata sobre estudios en animales que demuestran que una inyección periférica de neurotoxinas botulínicas (BoNTs) impide la liberación de los principales transmisores de dolor, como la sustancia P, el péptido relacionado con el gen de la calcitonina (CGRP) y el glutamato de las terminaciones nerviosas periféricas, así como las neuronas periféricas y centrales. Todo ello conduce al alivio del dolor mediante la reducción de la sensibilización periférica y central. Esto proporciona información sobre el efecto de la inyección de toxina botulínica en el dolor local causado por el cáncer, los espasmos musculares dolorosos derivados de éste y el dolor en el lugar de la cirugía y la radiación.

Mittal, S. O., y Jabbari, B. (2020). Botulinum Neurotoxins and Cancer – A Review of the Literature. Toxins, 12 (1), 32.

Este artículo trata sobre el bloqueo en la liberación de neurotransmisores mediante la escisión del complejo soluble del receptor de proteína de unión al factor sensible a N-etilmaleimida (SNARE) en las uniones neuromusculares. Se han identificado dos proteínas, la sinaptotagmina y la glicoproteína de vesícula sináptica 2. A parte, aquí se revisan los avances recientes en los estudios estructurales de los reconocimientos del receptor de la proteína BoNT, donde destacan una gama de diversos mecanismos por los cuales manipulan las proteínas neuronales del huésped para una captación altamente específica en las uniones neuromusculares.

Lam, K. H., Yao, G., y Jin, R. (2015). Diverse binding modes, same goal: The receptor recognition mechanism of botulinum neurotoxin. Progress in Biophysics and Molecular Biology, 117 (2–3), 225-231.

Este artículo de revisión trata sobre las neurotoxinas botulínicas (BoNT), proteínas de ~150 kDa con tres dominios funcionales principales: una cadena ligera de metaloproteasa de zinc N-terminal (LC), un dominio de translocación (HN) y un dominio de unión (HC). El HC es responsable de dirigir la BoNT a la membrana celular neuronal, y cada serotipo ha evolucionado para unirse a diferentes receptores diana empleando diferentes mecanismos. Las diferencias de subtipo dentro de los serotipos de BoNT afectan al grado de intoxicación. Por tanto, en esta revisión se muestra como un estudio detallado de los mismos puede ayudar a conseguir terapias más eficaces contra el botulismo.

Davies, J. R., Liu, S. M., y Acharya, K. R. (2018). Variations in the Botulinum Neurotoxin Binding Domain and the Potential for Novel Therapeutics. Toxins, 10 (10), 421.

Se trata de una revisión en que se recogen los conocimientos que se tienen hoy en día sobre los mecanismos de acción, efectos y usos de la toxina botulínica, así como los últimos avances en la materia. El estudio del mecanismo de acción de las BoNT ha proporcionado nuevos conocimientos sobre los mecanismos de transporte neuronal y de interacción proteína-proteína. Se conocen numerosos tipos de BoNT, pero todas coinciden en que son metaloproteasas que degradan las proteínas SNARE (VAMP/synaptobrevin, syntaxin y SNAP-25), impidiendo la fusión de las vesículas sinápticas y la liberación de los neurotransmisores en la hendidura sináptica.

Pirazzini, M., Rossetto, O., Eleopra, R., Montecucco, C., y Witkin J. M. (2017). Botulinum neurotoxins: Biology, Pharmacology, and Toxicology. Pharmacological Reviews, 69 (2), 200-235.

En este artículo se ha contrastado que la toxina botulínica en ganglios trigéminos reduce la liberación normal de CGRP (neuropéptido relacionado con la migraña) y tiene repercusión sobre TRPV1, un receptor cuya activación está implicada en el dolor. En esta revisión, también se explica como la toxina botulínica ejerce un papel clave en la exocitosis de neurotransmisores asociados al dolor como la Sustancia P y puede disminuir la expresión de COX-2 (ciclooxigenasa-2), cuya función es generar mediadores proinflamatorios.

Park, J. H., y Park, H. J. (2017). Botulinum Toxin for the Treatment of Neuropathic Pain. Toxins, 9 (9), 260.

Este artículo trata sobre la ADP ribosilación, un mecanismo regulador catalizado por enzimas llamadas ADP-ribosil transferasas (ART), responsables de gran cantidad de patologías. Se basa en la transferencia de una unidad de ADP-ribosa de NAD+ a sustratos de proteínas celulares con la liberación de nicotinamida. Revisa como las exotoxinas del cólera producidas por Vibrio cholerae (CTX) modifican distintas rutas dando como resultado una activación constitutiva de la adenilato ciclasa del huésped, lo que conduce a una enfermedad diarreica aguda característica.

Catara, G., Corteggio, A., Valente, C., Grimaldi, G., y Palazzo, G. (2019). Targeting ADP-ribosylation as an antimicrobial strategy. Biochemical Pharmacology, 167, 13-26.

En este artículo se habla de cómo Helicobacter pylori tiene un gran impacto en diferentes vías asociadas con la regulación de las conexinas. Las conexinas o uniones GAP cumplen diversas funciones celulares, tanto de comunicación como de desarrollo. También comenta como se ha visto que están relacionadas con la proliferación, la migración y apoptosis (muerte celular programada) en diferentes estirpes celulares. A través de toxinas que produce la bacteria como VacA, CagA y los LPS (lipopolisacáridos), se pueden activar "downregulations" de conexinas que inhiben procesos de proliferación y apoptóticos, o ocurrir lo contrario.

Li, H., Xu, C., Gong, R., Chi, J., Liu, P., y Liu, X. (2019). How does Helicobacter pylori cause gastric cancer through connexins: An opinion review. World Journal of Gastroenterology, 25(35), 5220-5232.

En este artículo se exponen las diferentes toxinas producidas por Helicobacter pylori que están implicadas en el cáncer y úlceras gastrointestinales. Se habla acerca de las diferentes vías implicadas en la patogénesis como PI3K/Akt, JAK/STAT3 y de los procesos inflamatorios activados por la presencia de CagA en diferentes puntos metabólicos. Además, revisa la información sobre CagA que es un precursor oncogénico a través de la vía Wnt/β-catenin. También explica cómo la colonización se produce en las células epiteliales con mucosa estomacal.

Hussain, S., Li, Z., Lu, X., Haider Khan, H., Bingyin, S., Khan, F. U., Khan, Z., Ashfaq, B., y Rehman, I. U. (2019). The Virulence of Helicobacter pylori Through CagA on Gastric Mucosa: A Review. Journal of Pharmacy Practice and Community Medicine, 5 (1), 3-12.

En esta revisión se presentan las interacciones con distintos receptores de membrana de la toxina VacA de Helicobacter pylori. Estos receptores (RPTPα ,RPTPβ y LRP1) controlan distintas funciones celulares. La unión de VacA a estos receptores altera la función de diversos procesos biológicos. También, se expone como se ha observado que manipulando genes y bloqueando LRP1, la capacidad de VacA de inducir autofagia y apoptosis en las células se ve reducida. Además de estos receptores se han identificado otros factores, como CD18 o glucosaminoglucanos a los que se puede unir VacA.

Yahiro, K., Hirayama, T., Moss, J., y Noda, M. (2016). New Insights into VacA Intoxication Mediated through Its Cell Surface Receptor. Toxins, 8 (5), 152.

En este artículo se expone el hecho de que la toxina VacA es producida por dos especies de Helicobacter relacionadas a problemas gastrointestinales. Para poder establecer los efectos específicos de esta toxina que causa gran parte de los problemas que derivan en úlceras y cáncer se estudió en distintos modelos animales y células cultivadas. Explica los diferentes efectos a través de un análisis complejo de la estructura de VacA incluyendo alteraciones mitocondriales y en células endosomales, autofagia, barreras epiteliales, muerte celular, señales alteradas en las células, efectos en células inmunológicas o células parietales además de los efectos en la formación de canales. Incluye gran variedad de estudios tanto in vitro como in vivo por medio de animales modelos que indican que la toxina tiene un alto espectro de actuación a nivel metabólico en muchos tipos celulares donde lo que se altera mayoritariamente son proteínas que causan un cambio metabólico en la célula.

Foegeding, N., Caston, R., McClain, M., Ohi, M., y Cover, T. (2016). An Overview of Helicobacter pylori VacA Toxin Biology. Toxins, 8 (6), 173.

Este artículo habla sobre cómo la toxina de Pasteurella (PTM) actúa como un agente cancerígeno, activando cascadas de señalización mitogénicas. Revisa como se produce la correcta regulación de éstas, ya que es una de las claves de la respuesta inmune para evitar grandes inflamaciones. Los reguladores de la respuesta de las citoquinas son los SOCS (suppressor of cytokine signaling), los cuales limitan la producción de más citoquinas a través de feedback negativo. Muestra los mecanismos por los cuales PTM incrementa las posibilidades de supervivencia de la bacteria, mediante estrategias anti-inmunes como puede ser el “camuflaje” mediante la manipulación de la actividad los macrófagos. Además, entre otras múltiples estrategias, indica que la represión de la respuesta inmune debido a la modulación de los APC (células presentadoras de antígeno), cuando la toxina es reconocida por la activación de los TLR4.

Kubatzky, K. F., Kloos, B., y Hildebrand, D. (2013). Signaling Cascades of Pasteurella multocida Toxin in Immune Evasion. Toxins, 5 (9), 1664-81.

Esta revisión trata acerca de la utilización de la toxina de Pasteurella, PTM, como herramienta farmacológica para estudiar la señalización de PLC acoplado a Gq. Recoge distintos trabajos que indican que se puede usar para estudiar el papel de la señalización mediada por Gq en la mitogénesis estimulada por hormonas. Se descubrió que tanto la PMT como los receptores acoplados a proteínas G endógenos inducen la activación de ERK dependiente de Ras mediante una transactivación independiente de PKC del receptor de EGF. Los resultados sobre el tratamiento con PMT indican que puede usarse como activador y regulador negativo de la señalización de Gq-PLC, dependiendo de la duración del tratamiento.

Wilson, B. A., y Ho, M. (2004). Pasteurella multocida toxin as a tool for studying Gq signal transduction. Reviews of Physiology, Biochemistry and Pharmacology, 152, 93-109.

El artículo es una revisión que recoge distintos aspectos moleculares sobre la toxina producida por Pasteurella multocida. Se centra en gran parte en información sobre el extremo C-terminal, que alberga tres dominios C1, C2, C3, siendo éste último responsable de la activación de la toxina. Su diana va a ser la región “switch II” de las GTPasa, concretamente se va a producir la desaminación de Gln, liberando la subunidad Gα del heterotrímero, provocando la activación continua de la GTPasa. Este hecho desencadenará en respuestas mitógenas a través del aumento de niveles intracelulares de Ca2+ y de IP3.

Wilson, B. A., y Ho, M. (2011). Cellular and Molecular Action of the Mitogenic Protein-Deamidating Toxin from Pasteurella multocida. The FEBS Journal, 278 (23), 4616-4632.

El artículo trata sobre el factor responsable de la virulencia de la toxina de _Pasteurella multocida _(PMT). Esta revisión se focaliza en los residuos pertenecientes a las toxinas A y B, que se unen a las células hospedadoras a partir de los dominios de unión B. La actividad tóxica recae sobre el dominio A que va a interactuar con proteínas G para causar la toxicidad celular y producir estimulación continua al modificar la actividad de GTPasas. Da muchos detalles sobre como esta toxina estimula respuestas mitógenas debido al incremento de calcio intracelular así como del inositol fosfato inducido por proteínas G heterotriméricas.

Wilson, B. A., y Ho, M. (2012). Pasteurella multocida toxin interaction with host cells: entry and cellular effects. Current Topics in Microbiology and Immunology, 361, 93-111.

En esta artículo se muestran estudios emergentes que documentan cómo los IFN (interferones tipo I) suprimen la diferenciación de las células Th17 (células de importancia para la resolución de la infección de la tos ferina, producida por Bordetella pertussis) en modelos de infección y de inflamación crónica. Así, los experimentos realizados en este estudio describen el papel inhibitorio de las pDCs (células dendríticas plasmacitoides) y del IFNα derivado de pDCs en la modulación de respuestas de las células Th17 durante las primeras etapas de la infección.

Wu, V., Smith, A., You, H., Nguyen, T. A., Ferguson, R., Taylor, M., Park, J. E., Llontop, P., Youngman, K. R., y Abramson, T. (2016). Plasmacytoid dendritic cell-derived IFNα modulates Th17 differentiation during early Bordetella pertussis infection in mice. Mucosal Immunology, 9, 777–786.

En esta revisión se estudia la contribución de la toxina pertussis (PT) a la patogénesis de la enfermedad de la tosferina. El artículo recoge estudios tanto desde el punto de vista de la evidencia de infecciones humanas y de estudios en modelos animales. Bordetella pertussis secreta la PT, una toxina proteica que inhibe la señalización, modificando un residuo de cisteína del receptor acoplado a la proteína G, a través de las proteínas Gi en células de mamífero. Hay evidencias tanto en infecciones humanas como animales de la participación de la PT en la patogénesis de la enfermedad, incluidos síntomas respiratorios graves. También se tratan varios enfoques terapéuticos posibles como la modificación mediada por las proteínas G.

Carbonetti, N. H. (2015). Contribution of pertussis toxin to the pathogenesis of pertussis disease. Pathogens and Diseases, 73 (8), ftv073.

Este ensayo ofrece una mayor especificidad para discriminar entre la neurotoxina tóxica y moléculas de toxoide inactivadas de otros ensayos publicados. Los estudios de validación han demostrado que el ensayo BINACLE (BINding And CLEavage) permite la detección sensible y robusta de la neurotoxina en toxoides y, por lo tanto, puede representar una alternativa adecuada a las pruebas de seguridad de animales prescritas para toxoides de varios fabricantes europeos de vacunas. Se requerirán validaciones específicas del producto del protocolo de ensayo. El artículo da detalles de un estudio colaborativo europeo que pretende examinar más a fondo la aplicabilidad del método para las pruebas de toxoides. La neurotoxina del tétanos consta de dos cadenas de proteínas conectadas por un enlace disulfuro, cada una de las cuales se analiza por separado, por razones de seguridad, para determinar la "ausencia de toxina y la irreversibilidad del toxoide". Estas pruebas obligatorias se realizan en cobayas pero en el artículo se expone que sería deseable reemplazar la detección de la neurotoxina por un método libre de animales.

Behrensdorf-Nicol, H. A., Weisser, K., y Krämer, B. (2015). "BINACLE" Assay for in Vitro Detection of Active Tetanus Neurotoxin in Toxoids. ALTEX, 32 (2), 137-142.

La neurotoxina tetánica (TeNT) se capta en las terminales nerviosas y sufre una migración retrógrada. Las propiedades tóxicas residen en la cadena ligera de la toxina, pero solo la cadena pesada (TTH) y el dominio C-terminal (TTC) pueden unirse y entrar en las neuronas. En este artículo se explora si los fragmentos atóxicos podrían actuar como vehículos de administración de fármacos en las neuronas. Lo que hicieron los autores fue unir el dominio TTC con el factor antiapoptótico Bcl2 y para mejorar su rendimiento y pureza de la proteína de fusión, eliminaron genéticamente la mitad N-terminal de TTC y del dímero creado (Bcl2-TTC) para producir Bcl2-hTTC. Esta biomolécula purificada exhibió unión neuronal y evitó la muerte celular de las células PC12 neuronales. Los resultados indican que Bcl2-hTTC retiene las funciones Bcl-2 y TTC y, por lo tanto, podría ser un potente agente terapéutico para diversas afecciones neurológicas.

Watanabe, Y., Matsuba, T., Nakanishi, M., Une, M., Hanajima, R., y Nakashima K. (2018). Tetanus Toxin Fragments and Bcl-2 Fusion Proteins: Cytoprotection and Retrograde Axonal Migration. BMC Biotechnology, 18 (1), 39.

En esta revisión se estudian los orígenes, las propiedades moleculares y las posibles vías de señalización del fragmento C de la toxina tetánica para comprender las características bioquímicas de su transporte intracelular y sináptico. La toxina tetánica presenta un fragmento en su extremo carboxilo terminal que no es tóxico, denominado fragmento C. Aún no se conoce el mecanismo de internalización de este fragmento en las células neuronales aunque es capaz de transportarse hasta el sistema nervioso central usando el transporte retrógrado a través de una vía mediada por clatrinas dependientes de proteínas motoras. La revisión recoge su uso para paliar procesos degenerativos y el mecanismo por el cual ejerce este efecto.

Calvo, A. C., Oliván S., Manzano R., Zaragoza, P., Aguilera, J., y Osta, R. (2012). Fragment C of Tetanus Toxin: New Insights Into Its Neuronal Signaling Pathway. International Journal of Molecular Sciences, 13 (6), 6883-6901.

En este artículo se describe el efecto de la escisión mediada por toxina tetánica de la proteína de membrana asociada a sinaptobrevina vesicular (VAMP2) que no afecta al crecimiento del axón y tampoco inhibe la exocitosis de vesícula sináptica en axones aislados, a pesar de su potente efecto de bloqueo sobre su exocitosis en las sinapsis. Este efecto diferencial de la toxina tetánica podría observarse incluso en diferentes ramas de una misma neurona. Las conclusiones respaldan la posibilidad de que la célula postsináptica pueda afectar activamente la maquinaria presináptica que controla la fusión de vesículas sinápticas durante la sinaptogénesis entre neuronas del SNC de mamíferos.

Verderio, C., Coco, S., Bacci, A., Rossetto, O., De Camilli, P., Montecucco, C., y Matteoli, M. (1999). Tetanus Toxin Blocks the Exocytosis of Synaptic Vesicles Clustered at Synapses but Not of Synaptic Vesicles in Isolated Axons. Journal of Neuroscience, 19 (16), 6723-6732