Los transportadores de la familia de resistencia-nodulación-división ( RND ) son una categoría de bombas de eflujo bacterianas , especialmente identificadas en bacterias Gram-negativas y ubicadas en la membrana citoplasmática, que transportan activamente sustratos. La superfamilia RND incluye siete familias: el eflujo de metales pesados (HME), el eflujo hidrófobo /anfifílico-1 (bacterias gramnegativas), la familia de exportadores de factores de nodulación (NFE), la familia de proteínas accesorias de secreción de proteínas SecDF, la familia de eflujo hidrófobo/anfifílico-2, la familia de homeostasis de esteroles eucariotas y la familia de eflujo hidrófobo/anfifílico-3. [1] Estos sistemas RND están involucrados en el mantenimiento de la homeostasis de la célula, la eliminación de compuestos tóxicos y la exportación de determinantes de virulencia . [2] Tienen un amplio espectro de sustratos y pueden conducir a la disminución de la actividad de clases de fármacos no relacionadas si se sobreexpresan. Los primeros informes de infecciones bacterianas resistentes a los fármacos se informaron en la década de 1940 después de la primera producción masiva de antibióticos . [3] La mayoría de los sistemas de transporte de la superfamilia RND están hechos de grandes cadenas polipeptídicas. [4] Las proteínas RND existen principalmente en bacterias gramnegativas, pero también se pueden encontrar en bacterias grampositivas , arqueas y eucariotas .
La proteína RND determina el sustrato para los sistemas de transporte completados, incluidos: iones metálicos , xenobióticos o fármacos . El transporte de compuestos hidrófobos y anfifílicos lo lleva a cabo la subfamilia HAE-RND, mientras que el eflujo de metales pesados lo realiza la subfamilia HME-RND. [5]
Las proteínas RND son grandes y pueden incluir más de 1000 residuos de aminoácidos . Generalmente están compuestas por dos subunidades homólogas (lo que sugiere que surgieron como resultado de un evento de duplicación en tándem intragénico que ocurrió en el sistema primordial antes de la divergencia de los miembros de la familia), cada una de las cuales contiene un bucle periplásmico adyacente a 12 hélices transmembrana . De las doce hélices, hay una única hélice transmembrana spanner (TMS) en el extremo N-terminal seguida de un gran dominio extracitoplasmático, luego seis TMS adicionales, un segundo dominio extracitoplasmático grande y cinco TMS finales en el extremo C-terminal. TM4 regula la especificidad para un sustrato particular en una proteína RND dada. Por lo tanto, TM4 puede ser un indicador de la especificidad de RND sin conocimiento explícito del resto de la proteína. [6]
Las bombas RND son la porción citoplasmática residente de un complejo tripartito completo (Fig. 1) que se extiende a través de la membrana externa y la membrana interna de las bacterias gramnegativas, también conocido comúnmente como el sistema de eflujo CBA. La proteína RND se asocia con un canal de membrana externa y una proteína adaptadora periplásmica , y la asociación de las tres proteínas permite que el sistema exporte sustratos al medio externo, lo que proporciona una gran ventaja para las bacterias . [7]
La proteína CusA, un transportador miembro de HME-RND, pudo cristalizarse proporcionando información estructural valiosa de las bombas HME-RND. CusA existe como un homotrímero con cada unidad que consta de 12 hélices transmembrana (TM1-TM12). El dominio periplásmico consta de dos hélices, TM2 y TM8. Además, el dominio periplásmico está formado por seis subdominios, PN1, PN2, PC1, PC2, DN, DC, que forman un poro central y un dominio de acoplamiento. El poro central está formado por PN1, PN2, PC1, PC2 y juntos estabilizan la organización trimérica del homotrímero . [8]
La familia HME-RND funciona como la bomba proteica central en el eflujo de iones metálicos, impulsada por un antipuerto protón-sustrato . La familia incluye bombas que exportan metales monovalentes (el sistema Cus) y bombas que exportan metales divalentes (el sistema Czc). [5]
La resistencia a metales pesados por parte de la familia RND se descubrió por primera vez en R. metallidurans a través de la proteína CzcA y luego de la proteína CnrA. Las proteínas RND mejor caracterizadas incluyen CzcCBA (Cd 2+ , Zn 2+ y Co 2+ ), CnrCBA (Ni 2+ y Co 2+ ) y NccCBA (Ni 2+ , Co 2+ y Cd 2+ ) en Cupriavidus , Czr (resistencia a Cd 2+ y Zn 2+ ) en Pseudomonas aeruginosa , y Czn (resistencia a Cd 2+ , Zn 2+ y Ni 2+ ) en Helicobacter pylori . [9] Se ha propuesto que el eflujo de iones metálicos ocurre desde el citoplasma y el periplasma según la ubicación de múltiples sitios de unión del sustrato en la proteína RND. [6]
El sistema Czn mantiene la homeostasis de la resistencia al cadmio , zinc y níquel ; está involucrado en la modulación de la ureasa y la colonización gástrica por H. pylori . Las proteínas CznC y CznA desempeñan el papel dominante en la homeostasis del níquel. [10]
Czc confiere resistencia al cobalto , zinc y cadmio . El operón CzcCBA incluye: CzcA (la proteína específica de la familia RND), la proteína de fusión de membrana (MFP) CzcB y la proteína del factor de membrana externa (OMF) CzcC, todas las cuales forman el complejo tripartito activo, y el czcoperón . La expresión del operón está regulada a través de iones metálicos. [6]
La familia RND desempeña un papel importante en la producción de resistencia intrínseca y elevada a múltiples fármacos en bacterias gramnegativas. La exportación de sustratos anfifílicos e hidrofóbicos está regida por la familia HAE-RND. En E. coli se han identificado específicamente cinco bombas RND: AcrAB, AcrAD, AcrEF, MdtEF y MdtAB. Aunque no está claro cómo funciona el complejo tripartito en bacterias, se han propuesto dos mecanismos: el modelo de puente adaptador y el modelo de envoltura adaptadora . [ cita requerida ]
La participación de los HAE-RND en la desintoxicación y exportación de sustratos orgánicos permitió la caracterización reciente de bombas específicas debido a su creciente relevancia médica. La mitad de la resistencia a los antibióticos demostrada en cepas hospitalarias in vivo de Pseudomonas aeruginosa se atribuyó a las proteínas de eflujo de RND. P. aeruginosa contiene 13 sistemas de transporte de RND, incluido un HME-RND y los HAE-RND restantes. Entre los mejor identificados se encuentran las proteínas Mex: MexB, MexD y MexF, que desintoxican sustancias orgánicas . Se propone que los sistemas MexB demuestran especificidad de sustrato para betalactámicos ; mientras que el sistema MexD expresa especificidad para compuestos cefema. [6]
En E. coli, la resistencia a múltiples fármacos se desarrolla a partir de una variedad de mecanismos. Particularmente preocupante es la capacidad de los mecanismos de eflujo para conferir resistencia de amplio espectro. Las bombas de eflujo RND proporcionan extrusión para una variedad de compuestos. Se han clasificado cinco transportadores de proteínas en células de E. coli que pertenecen a la subfamilia HAE-RND, [11] incluyendo la proteína de eflujo de múltiples fármacos AcrB, la proteína de membrana externa TolC y la proteína adaptadora periplásmica AcrA. [12] Las proteínas TolC y AcrA también se utilizan en el complejo tripartito en otras proteínas de eflujo RND identificadas. [11] El sistema de eflujo AcrAB-TolC es responsable del eflujo de fármacos antimicrobianos como penicilina G , cloxacilina , nafcilina , macrólidos , novobiocina , linezolid y antibióticos de ácido fusídico . Otros sustratos incluyen colorantes, detergentes, algunos solventes orgánicos y hormonas esteroides . Las formas en que se unen los dominios lipofílicos del sustrato y las bombas RND no están completamente definidas. [ cita requerida ]
La proteína AcrB cristalizada proporciona información sobre el mecanismo de acción de las proteínas HAE-RND y otras proteínas de la familia RND. [6]
La Mdt(A) es una bomba de eflujo que confiere resistencia a una variedad de fármacos. Se expresa en L. lactis , E. coli y varias otras bacterias. A diferencia de otras proteínas RND, la Mdt(A) contiene un supuesto sitio de unión a ATP y dos motivos C conservados en su quinto TMS. La Mdt es eficaz para proporcionar a las bacterias resistencia a la tetraciclina , el cloranfenicol , las lincosamidas y la estreptomicina . Actualmente se desconoce la fuente de energía para el eflujo activo de la Mdt(A). [13]