La toxina adenilato ciclasa es un factor de virulencia producido por algunos miembros del género Bordetella . Junto con la toxina pertussis, es el factor de virulencia más importante del agente causante de la tos ferina , Bordetella pertussis . Bordetella bronchiseptica y Bordetella parapertussis , también capaces de causar síntomas similares a los de la tos ferina, también producen toxina adenilato ciclasa. [1] Es una toxina secretada por la bacteria para influir en el sistema inmunológico del huésped .
La toxina adenilato ciclasa de Bordetella pertussis es una proteína de 1706 residuos de aminoácidos de longitud . La proteína consta de tres dominios: desde el extremo N hasta aproximadamente el residuo 400, hay un dominio adenilato ciclasa; entre los residuos 500 y 700, hay un dominio hidrofóbico ; y desde el residuo 1000 hasta el extremo C , hay repeticiones de unión al calcio . Dos sitios de acilación se encuentran en los residuos de lisina K860 y K983. [2] [3] La parte de la toxina desde el residuo 400 hasta el extremo C, llamada hemolisina , está estructuralmente relacionada con una gran familia de toxinas bacterianas: las toxinas RTX . [3] Las diferencias entre las toxinas de diferentes especies de Bordetella están principalmente en el dominio de unión al calcio. [4]
La toxina es secretada por el sistema de secreción de tipo I , que abarca tanto las membranas como el espacio periplasmático , lo que permite que la toxina se secrete desde el citoplasma directamente fuera de la célula. [1] [2] Una gran proporción de la toxina permanece asociada a las proteínas exteriores de la bacteria, principalmente hemaglutinina filamentosa , pero estas moléculas de toxina no son activas. [5] [1] Además de la unión a las proteínas bacterianas, la agregación también inactiva la toxina. [5] Esta rápida inactivación resalta la necesidad de un contacto cercano entre la bacteria secretora y la célula diana. [1]
RTX significa "repeticiones en toxinas", pero no todos los miembros de la familia son toxinas. Los nonapéptidos repetidos ricos en aspartato y glicina (repeticiones de 9 aminoácidos de longitud) son una característica característica de esta familia de proteínas y son capaces de unirse a iones de calcio . [3] Una característica de las proteínas RTX es su capacidad de formar poros en las membranas celulares, lo que permite que los iones se escapen. Esto puede manifestarse como una actividad hemolítica en los eritrocitos , lo que lleva a que este grupo de toxinas se denomine "hemolisinas". Los tipos de células que son vulnerables a esta actividad de formación de poros varían entre las toxinas. La acilación de las lisinas es necesaria para los efectos citotóxicos de formación de poros de todas las proteínas RTX. [6]
Las toxinas de muchas bacterias patógenas gramnegativas conocidas pertenecen a la familia RTX. Un ejemplo es la α-hemolisina de Escherichia coli o la RtxA de Vibrio cholerae . [6]
La toxina adenilato ciclasa se une a las células diana por el receptor del complemento 3 (CD11b/CD18, o Mac-1). [7] Por lo tanto, las células diana son células de linaje mieloide , principalmente fagocitos , como los neutrófilos . [1] La unión a células sin el CR3 también ocurre, pero a una tasa mucho menor. [5] La porción responsable de la unión al receptor está dentro de las repeticiones de unión al calcio, desde los residuos 1166 a 1287. [3] La porción de hemolisina de la proteína luego se une a la membrana diana y se inserta en la bicapa . [3] [5] Luego, el dominio de la adenilato ciclasa (AC) se transloca a través de la membrana citoplasmática hacia el citoplasma. La translocación del dominio AC es independiente de la actividad formadora de poros citotóxicos, ya que estas dos actividades requieren que la toxina adopte diferentes conformaciones. [5] [2] Sin embargo, los poros abiertos transitoriamente contribuyen a la función del dominio AC mediante la fuga de potasio y la entrada de calcio en la célula diana, lo que ralentiza la endocitosis de los grupos de toxinas CR3/adenilato ciclasa, [2] además, el complejo CR3/toxina se moviliza al desprenderse del citoesqueleto . Luego, el complejo se recluta en balsas lipídicas ricas en colesterol . [3] La entrada de calcio por sí sola tiene muchos efectos negativos en las células diana, como la desregulación de la señalización celular . [5]
El dominio de la adenilato ciclasa tiene una actividad enzimática intrínseca. La translocación del dominio AC a la célula inicia el proceso principal por el cual esta toxina influye en las células diana: el dominio AC se une a la calmodulina y cataliza la producción no regulada de AMPc a partir de ATP . [7] El AMPc es una importante molécula de segundo mensajero y su sobreproducción masiva afecta a muchos procesos celulares. En los fagocitos, la mayoría de las funciones bactericidas se detienen por la activación mediada por AMPc de PKA y Epac . [7]
Los efectos descritos anteriormente de la toxina adenilato ciclasa, principalmente la sobreproducción de AMPc, tienen un efecto profundo en las células diana. Aunque las células inmunes fagocíticas migran al sitio de la infección en los pulmones , no son capaces de montar una respuesta eficaz. No sólo se bloquea la captación fagocítica de bacterias, sino que también se inhibe la producción posterior de ROS por neutrófilos y monocitos , NET por neutrófilos y NO por macrófagos . [5] [7] [3] El efecto sobre los neutrófilos es más importante en la infección temprana con Bordetella , perjudicando la mayoría de sus funciones antimicrobianas . [3] La intoxicación con la toxina adenilato ciclasa conduce a un cambio en la polarización de los macrófagos del fenotipo M1 ( proinflamatorio ) al fenotipo M2 (inmunorregulador) y puede conducir a la apoptosis de los macrófagos . [7] [3] La acumulación de AMPc después de la intoxicación por adenilato ciclasa también interfiere con la señalización de IRF en las células dendríticas , lo que conduce a una menor producción de IL-12 . IL-12 es importante para la polarización de la respuesta de las células T. [7] Otros efectos del AMPc en la interacción de las células dendríticas con las células T también son perjudiciales para la respuesta inmunitaria. Aunque el AMPc induce la migración de células dendríticas a los ganglios linfáticos , reduce su capacidad para interactuar con las células T y presentar antígenos . Esto tiene un efecto tolerogénico en la población de células T. [7]
La vacunación contra la Bordetella pertussis se utiliza en la infancia para prevenir la tos ferina. El cambio reciente de la vacuna contra la tos ferina de células enteras a la vacuna con componentes acelulares en muchos países ha llevado al hecho de que la toxina de la adenilato ciclasa no está presente en la mayoría de las vacunas. [4] Aunque no está incluida en las vacunas actuales, la investigación muestra que la inmunización con la toxina de la adenilato ciclasa provoca anticuerpos neutralizantes . Los anticuerpos neutralizantes pueden bloquear la unión de la toxina a CR3. [3] Los anticuerpos contra la toxina de la adenilato ciclasa también están presentes en el suero de humanos infectados con B. pertussis. [4]
Se ha demostrado que las construcciones basadas en la toxina adenilato ciclasa provocan la producción de anticuerpos neutralizantes, pero carecen de la citotoxicidad asociada con la toxina completa. La toxina adenilato ciclasa desintoxicada genéticamente también sirve para promover la respuesta Th1/Th17 , actuando como adyuvante . [4]
La toxina de la adenilato ciclasa, o sus partes, también sirven como herramienta para los biólogos celulares. El dominio AC se utiliza como proteína reportera. Esta actividad reportera se basa en la activación de la producción de AMPc si se transloca a una célula, conjugada con una proteína estudiada. El dominio AC consta de dos subdominios, ambos necesarios para la producción de AMPc. La conjugación de cada subdominio con una proteína diferente permite estudiar las interacciones proteína-proteína , porque la producción de AMPc indica una interacción cercana de las proteínas. De manera similar, los dos subdominios pueden estar unidos por una proteína estudiada, que luego es digerida por proteasas . La pérdida de la producción de AMPc indica una escisión por proteasa. [8]