Novedades de la ciencia: Investigadores determinan la función de la importante proteína de los legionarios

Una proteína esencial para la supervivencia de la bacteria que causa la enfermedad del legionario funciona robando hierro de las células huésped que infecta, según un estudio realizado por investigadores de los Institutos Nacionales de Salud y otras instituciones. En una serie de experimentos, los investigadores determinaron la forma de la proteína a medida que se entrelaza a través de una membrana dentro de la célula y determinaron las porciones de la proteína involucradas en el transporte de hierro. Sus hallazgos pueden proporcionar información útil para diseñar nuevos tratamientos con medicamentos para la enfermedad del legionario.

El estudio fue dirigido por Eric T. Christenson, Ph.D., becario postdoctoral en la Unidad de Biología Estructural y Química del Instituto Nacional de Salud Infantil y Desarrollo Humano Eunice Kennedy Shriver (NICHD). Aparece en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

Antecedentes

La enfermedad del legionario es una forma grave de neumonía causada por la bacteria Legionella pneumophila. La enfermedad fue nombrada por su descubrimiento después de un brote entre los asistentes a una convención de la Legión Americana en 1976. Normalmente, la bacteria Legionella se encuentra en el agua dulce, pero se puede convertir en un peligro para la salud cuando se propaga en sistemas hechos por el hombre, como duchas, bañeras de hidromasaje, tanques de agua caliente y calentadores. La enfermedad se propaga cuando las gotas de agua que contienen la bacteria se inhalan a los pulmones. La mayoría de las personas sanas expuestas a la bacteria no se enferman. Sin embargo, están en riesgo las personas con sistemas inmunes debilitados, los fumadores actuales o exfumadores, las personas de 50 años o más y las personas con enfermedad pulmonar.

Dentro de los pulmones, la bacteria Legionella infecta las células inmunes conocidas como macrófagos. Normalmente, estas células fluyen alrededor de los microbios que ingresan a los pulmones, envolviéndolos en una burbuja unida a la membrana llamada endosoma, la cual los retiene para su posterior destrucción por otras partes de la célula.

Sin embargo, la bacteria Legionella esquiva este mecanismo de defensa celular. Una vez que está dentro del endosoma (que luego se conoce como la vacuola que contiene Legionella), la bacteria se canaliza hacia su célula huésped, un grupo diverso de más de 300 efectores: proteínas que protegen a la bacteria de la destrucción secuestrando los recursos de la célula. Algunos de estos efectores también forman canales a través de la membrana, desviando los nutrientes de la célula hacia la vacuola. Posteriormente, la bacteria se reproduce hasta que la célula superpoblada estalla, liberando a la bacteria para infectar más células.

Estudios anteriores han demostrado que desactivar la mayoría de las 300 proteínas efectoras tiene poco efecto sobre el crecimiento y la reproducción de las bacterias. Los investigadores creen que esto se debe a que el funcionamiento de cualquier proteína particular es duplicado por otras proteínas del grupo. Sin embargo, la bacteria Legionella, diseñada para carecer de copias funcionales de la proteína MavN, no puede reproducirse en cultivos celulares de laboratorio, pero puede sobrevivir en soluciones ricas en hierro. Por estas razones, los investigadores han planteado la hipótesis de que MavN suministra hierro a la bacteria Legionella, el que obtiene de las células que infecta.

Resultados

Los investigadores realizaron una serie de experimentos para determinar la forma de la proteína MavN y las regiones de la proteína que interactúan con el hierro.

El primer experimento involucró dos cepas de L. pneumophila, una con una copia funcional de MavN y la otra sin el gen MavN. Los investigadores insertaron un segmento de ADN activador de genes (llamado promotor) conectado a un gen que produce una proteína que emite luz verde. El promotor no funciona en presencia de hierro y solo activa un gen en entornos con poco hierro. Luego, los investigadores infectaron células macrófagas con las cepas bacterianas alteradas. Solo los macrófagos con bacterias que carecen de MavN emitieron luz verde, lo que indica que las bacterias que infectan estas células no pudieron extraer hierro de la célula.

Luego, los investigadores mapearon la configuración de la proteína, para determinar su forma a medida que se entrelaza dentro y fuera de la membrana de la vacuola como las puntadas en una pelota de béisbol. En este experimento, determinaron las regiones de la proteína MavN que se unen al hierro. Luego diseñaron versiones de la proteína y alteraron sistemáticamente cada una de las regiones de unión al hierro en versiones posteriores. Trasplantaron cada versión alterada de la proteína en cepas de la bacteria Legionella que carecían de MavN. Cada alteración en MavN coincidió con variaciones en el crecimiento de la bacteria. Algunas de las alteraciones de MavN retrasaron fuertemente el crecimiento, mientras que las bacterias con otras alteraciones pasaron hambre y no podían reproducirse después de infectar las células.

Luego, los investigadores idearon un experimento para determinar cómo las alteraciones en MavN podrían afectar su capacidad de transportar hierro dentro de la vacuola. Nuevamente, prepararon diferentes versiones de la proteína, cada una con alteraciones en las regiones de unión al hierro. Cada versión alterada de MavN se insertó en un proteoliposoma: esferas sintéticas que imitan a las vacuolas. Cada proteoliposoma se llenó con calceína, un tinte que emite luz verde, pero que deja de brillar cuando se une con hierro. Luego, los investigadores incubaron las combinaciones de MavN con proteoliposoma en una solución de hierro. Aquellos con el MavN intacto dejaron de brillar rápidamente, lo que indica que MavN había transportado hierro a los proteoliposomas. Los proteoliposomas con ciertas alteraciones en MavN tardaron mucho más en oscurecerse, lo que indica una capacidad reducida para transportar hierro. Otros proteoliposomas con otras alteraciones en MavN, continuaron brillando, lo que indica que la alteración inhabilitó una región clave de la proteína necesaria para transportar el hierro.

Con base en estos hallazgos, los investigadores concluyeron que el crecimiento de Legionella está ligado a la cantidad de hierro que las bacterias pueden piratear de las células huésped y que MavN es indispensable para este propósito.

Importancia

Comprender la estructura y las regiones de unión al hierro de MavN podría influir en nuevos tratamientos para la enfermedad del legionario.

"MavN es esencial para la supervivencia de la bacteria Legionella", dijo el autor del estudio, Anirban Banerjee, Ph.D., jefe de la Unidad de Biología Estructural y Química del NICHD. "Diseñar un medicamento que pueda alterar su función podría proporcionar un tratamiento efectivo para la enfermedad del legionario".

Los hallazgos también pueden tener implicaciones para comprender la adquisición de nutrientes por otras bacterias infecciosas que se esconden en los endosomas, como Salmonella y Shigella.

Referencia

Christenson, ET, et al. The iron-regulated vacuolar Legionella pneumophila MavN protein is a transition-metal transporter. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2019. https://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1902806116