La gliotoxina es una micotoxina que contiene azufre y pertenece a una clase de 2,5-dicetopiperazinas naturales [1] producidas por varias especies de hongos , especialmente los de origen marino. Es el miembro más destacado de las epipolitiopiperazinas, una gran clase de productos naturales que presentan una dicetopiperazina con enlace di- o polisulfuro. Estos compuestos altamente bioactivos han sido objeto de numerosos estudios destinados a nuevas terapias. [2] La gliotoxina se aisló originalmente de Gliocladium fimbriatum y recibió el nombre en consecuencia. Es un metabolito de la epipolitiodioxopiperazina que es uno de los metabolitos producidos con mayor abundancia en la aspergilosis invasiva humana (IA). [3]
El compuesto es producido por patógenos humanos como Aspergillus fumigatus , [4] y también por especies de Trichoderma y Penicillium . También se ha informado de la gliotoxina en levaduras del género Candida , [5] pero los resultados de otros estudios han puesto en duda la producción de este metabolito por hongos Candida . [6] [7] La gliotoxina no es producida por A. fischeri no patógeno , aunque A. fischeri contiene un grupo de genes que es homólogo al grupo de genes de gliotoxina que se encuentra en el patógeno A. fumigatus . [8] La gliotoxina contribuye a la patogenicidad de los hongos oportunistas al suprimir la respuesta del sistema inmunológico de su huésped. [9] La gliotoxina posee además propiedades fungicidas y bacteriostáticas , lo que indica que probablemente desempeña un importante papel de autodefensa contra bacterias y otros hongos para los hongos que producen gliotoxina. [10] La exposición de A. fumigatus a la gliotoxina exógena resultó en una expresión aberrante de la proteína, especialmente en aquellas cepas que carecían de la proteína de autoprotección GliT. [11] Hay evidencia adicional de sensibilidades diferenciales a la gliotoxina entre hongos, incluidos Aspergillus flavus , Fusarium graminearum y Aspergillus oryzae . [11]
La gliotoxina fue descrita por primera vez en 1936 por Weindling y Emerson como un producto metabólico del hongo Trichoderma lignorum . Sin embargo, posteriormente Weindling informó que el hongo había sido identificado erróneamente basándose en el consejo de C. Thom y M. Timonin, y que el compuesto en cambio fue aislado de Gliocladium finbriatum . [12] Sigue habiendo controversia sobre si el hongo utilizado por Weindling fue G. finbriatum o una especie de Trichoderma . [12] La estructura química de la gliotoxina fue resuelta en 1958 por Bell et al. mediante el tratamiento de la gliotoxina en alúmina alcalina . [13] Bell y sus colegas pudieron determinar a través de sus análisis estructurales que la unión del puente disulfuro no podía ocurrir en ninguna posición distinta a la 3 y la 11. Esto condujo a la elucidación de que la gliotoxina era un anhidropéptido relacionado con los aminoácidos serina y fenilalanina . Además, descubrieron que era digno de mención que los átomos de carbono α de los α-tio-α-aminoácidos cooperantes deben tener la misma configuración. [13]
Se sospecha que la gliotoxina es un factor de virulencia importante (también conocido como factor de patogenicidad) en el hongo Aspergillus . La gliotoxina posee propiedades inmunosupresoras que pueden suprimir y causar apoptosis en ciertas células del sistema inmunológico , incluidos los neutrófilos , eosinófilos , granulocitos , macrófagos y timocitos . [14] Específicamente, los neutrófilos expuestos a la gliotoxina liberan menos especies reactivas de oxígeno (ROS) y completan menos actividades fagocíticas . [15] También se cree que la gliotoxina interfiere con la activación de las células T. [16] Además, la gliotoxina actúa como un inhibidor de la farnesil transferasa . Inhibe de forma no competitiva la actividad similar a la quimotripsina del proteasoma 20S . [14]
La gliotoxina in vivo muestra actividad antiinflamatoria . Se investigó como antibiótico y antifúngico en la década de 1940 y como agente antiviral . [14] La gliotoxina inactiva muchas enzimas diferentes , incluido el factor nuclear-κB (NF-κB), la NADPH oxidasa y la glutaredoxina . La inhibición del NF-κB evita la liberación de citocinas y la inducción de la respuesta inflamatoria . [17]
Las propiedades inmunosupresoras de la gliotoxina se deben al puente disulfuro dentro de su estructura. Las interacciones ocurren entre las moléculas de azufre que forman el puente disulfuro y los grupos tiol contenidos en los residuos de cisteína . La gliotoxina actúa bloqueando los residuos tiol en la membrana celular . [14] La gliotoxina también activa un miembro de la familia Bcl-2 llamado Bak para mediar la apoptosis celular. Bak activado luego causa la liberación de ROS, que forman poros dentro de la membrana mitocondrial . Estos poros permiten la liberación de citocromo C y AIF , que inician la apoptosis dentro de la célula. [16]
En Aspergillus fumigatus , las enzimas necesarias para la biosíntesis de gliotoxina están codificadas en 13 genes dentro del grupo de genes gli . Cuando este grupo de genes se activa, estas enzimas median la producción de gliotoxina a partir de residuos de serina y fenilalanina . [17] La función de algunos genes contenidos dentro del grupo de genes gli aún está por dilucidar. [18]
Enzimas involucradas en la biosíntesis (en orden de actividad) [17] [18]
Regulación de la biosíntesis
Algunas moléculas de gliotoxina no son secretadas por GliA y permanecen en la célula. Esta gliotoxina intracelular activa el factor de transcripción GliZ, facilitando la expresión del grupo de genes gli , y una enzima llamada GtmA (bis-tiometiltransferasa dependiente de S-adenosilmetionina (SAM)). GtmA actúa como un regulador negativo para la biosíntesis de gliotoxina al agregar grupos metilo a los dos residuos de azufre en el intermediario de gliotoxina ditiol para formar bisdetilobis(metiltio)-gliotoxina (BmGT). [18] Estas adiciones previenen la formación del puente disulfuro por GliT, inhibiendo la formación de gliotoxina, mientras que BmGT es significativamente menos tóxica que la gliotoxina. [17] [18]
Se cree que GliA, GtmA y GliT proporcionan mecanismos de autoprotección contra la toxicidad de la gliotoxina para los hongos que producen y excretan gliotoxina. [18] GliA es un transportador involucrado en la secreción de gliotoxina, y se ha descubierto que el agotamiento de la proteína GliA daría como resultado la muerte celular en A. fumigatus y aumentaría significativamente la sensibilidad de A. fumigatus a la gliotoxina. [18] GtmA cataliza la adición de grupos metilo a los residuos de azufre de la gliotoxina ditiol para formar BmGT no tóxica, lo que reduce la carga de toxicidad en los hongos mientras que también regula negativamente la expresión adicional del grupo gli y atenúa la biosíntesis de gliotoxina. [17] GliT es necesario para la formación del puente disulfuro para crear gliotoxina activa, pero también se sugiere que desempeña un papel en la autoprotección contra la toxicidad de la gliotoxina. En A. fumigatus con la eliminación del gen GliT, se encontró una acumulación de gliotoxina ditiol, que contribuyó a la hipersensibilidad a la gliotoxina exógena. Se cree que estos controles reguladores de la biosíntesis de la gliotoxina proporcionan mecanismos para nuevas estrategias de prevención de la toxicidad de la gliotoxina. [18]
La primera síntesis total de gliotoxina fue lograda por Fukuyama y Kishi en 1976. [19] La gliotoxina contiene un total de cuatro centros asimétricos junto con dos sistemas de anillos: benceno hidratado y epiditiapiperazinediona. Fukuyama y Kishi sintetizaron por primera vez el tioacetal 1 a partir del anhídrido de glicina sarcosina mediante una síntesis de seis pasos con un rendimiento general del 30%. [19] Una reacción de Michael del óxido de 4-carbo- terc -butoxibenceno 2 en exceso en un disolvente de dimetilsulfóxido (DMSO) que contenía Triton B a temperatura ambiente produjo el alcohol 3 con un rendimiento general del 88%. Se espera que haya una transapertura del anillo epóxido para 2 , por lo que los epímeros resultantes diferirían en la configuración relativa del puente tioacetal y el grupo alcohólico dependiendo de la orientación de los compuestos 1 y 2 en el estado de transición. Se planteó la teoría de que la orientación de 1 y 2 que producía el alcohol 3 sería desfavorable en disolventes no polares . Por lo tanto, se asignó la estereoquímica deseada al alcohol 3 y este compuesto se utilizó en la síntesis posterior.
Luego, el alcohol 3 se convirtió en acetato 4 a través de anhídrido acético-piridina a temperatura ambiente con un rendimiento general del 90%. El acetato se convirtió luego en el derivado hidroximetil 5 en tres pasos (1. TFA/temperatura ambiente; 2. ClCO 2 Et/Et 3 N-CH 2 Cl 2 /temperatura ambiente; 3. NaBH 4 /CH 3 OH-CH 2 Cl 2 /0 °C. La mesilación de 5 (MsCl/CH 3 OH-Et 3 N-CH 2 Cl 2 /0 °C), seguida de tratamiento con cloruro de litio en DMF e hidrólisis (NaOCH 3 /CH 3 OH-CH 2 Cl 2 /temperatura ambiente) dio el cloruro 6 con un rendimiento general del 95%. La adición lenta de fenil-litio a una mezcla de 6 y éter bencílico de clorometilo en exceso en THF a 78 °C dio el aducto de bencilgliotoxina 7 con un rendimiento del 45%. A continuación, el tratamiento con tricloruro de boro de 7 en cloruro de metileno a 0 °C produjo la gliotoxina. El aducto de anisaldehído 8 se obtuvo con un rendimiento del 50 %. Finalmente, la oxidación ácida de 8 seguida de un tratamiento con ácido perclórico en cloruro de metileno a temperatura ambiente produjo d,l- gliotoxina con un rendimiento del 65 %. El análisis espectroscópico (RMN, IR, UV, MS) y la comparación por TLC mostraron que la sustancia sintética era idéntica a la gliotoxina natural.
La exposición a especies de hongos que secretan gliotoxina es común porque las esporas del hongo Aspergillus en el aire son omnipresentes en muchos entornos. La exposición ambiental regular no suele causar enfermedades, pero puede causar infecciones graves en personas inmunodeprimidas o con enfermedades respiratorias crónicas. La infección causada por el hongo Aspergillus se denomina aspergilosis . Existen muchos tipos de aspergilosis, pero las infecciones suelen afectar los pulmones o los senos nasales . [20]
Se ha planteado la hipótesis de que la gliotoxina es un factor de virulencia importante en Aspergillus fumigatus . [17] Los experimentos han demostrado que la gliotoxina se aísla en las concentraciones más altas de Aspergillus fumigatus en comparación con otras especies de Aspergillus . Esta especie de hongos es la causa más común de aspergilosis en humanos. La gliotoxina es también la única toxina que se ha aislado de los sueros de pacientes con aspergilosis invasiva. Estos resultados sugieren un vínculo entre la secreción de gliotoxina y la patogenicidad fúngica . [21]
Si bien no existen suficientes datos para vincular definitivamente la exposición crónica a la gliotoxina con el desarrollo del cáncer, la exposición crónica a otros agentes inmunosupresores se ha vinculado con el desarrollo de linfomas y tumores mamarios . Las personas que toman medicamentos inmunosupresores o que han estado expuestas o están expuestas actualmente a la radioterapia de quimioterapia tienen un mayor riesgo de desarrollar estos tumores. [22]
La gliotoxina es tóxica si se ingiere o inhala, y puede causar irritación de la piel y los ojos si se expone a estas áreas. La DL50 oral de la gliotoxina es de 67 mg/kg. Los síntomas agudos de la gliotoxina comienzan rápidamente después de la ingestión . [22]
Comprender los mecanismos detrás de la toxicidad de la gliotoxina puede abrir nuevas posibilidades para el uso de la gliotoxina terapéuticamente o como una prueba de diagnóstico para algunas afecciones. [18] Una posible estrategia que se ha explorado para reducir la toxicidad de los hongos que producen gliotoxina es apuntar al grupo de genes gli que controla la expresión de la proteína gliotoxina. [18] El puente disulfuro de la gliotoxina es crucial para su toxicidad, por lo que se teoriza que la adaptación de las enzimas para prevenir el cierre del puente disulfuro al interferir con GliT o al catalizar otra reacción para bloquear los residuos de azufre puede ser beneficiosa para reducir la toxicidad de esos hongos. [18] Otra posible estrategia es la orientación del activador transcripcional GliZ, ya que la eliminación de GliZ resultó en la biosíntesis de gliotoxina abrogada. [17] Esto conduce a la posible focalización de GliZ en sí en lugar de cualquier metodología basada en genes para evitar que se una al grupo de genes gli y active la transcripción de los genes necesarios para la biosíntesis de gliotoxina. [18] Una posible estrategia para alterar la regulación del transporte de gliotoxina es agotar la cantidad de GipA en la célula. [18] GipA es un regulador transcripcional para la expresión de la proteína transportadora GliA, que es necesaria para la secreción de gliotoxina. [18] Estas estrategias biosintéticas para reducir la toxicidad de las cepas de hongos patógenos que producen gliotoxina aún se encuentran en sus primeras etapas de exploración, pero podrían proporcionar nuevas metodologías para la adopción de usos terapéuticos para la gliotoxina. [18]
Si bien la exposición a la gliotoxina en altas concentraciones muestra efectos citotóxicos a través de una multitud de vías diferentes, se ha demostrado que la gliotoxina en dosis bajas tiene funciones biológicas beneficiosas. [18] La gliotoxina en dosis bajas puede ejercer actividades antioxidantes en presencia del sistema redox de tiorredoxina que puede contrarrestar la liberación de ROS en las células como resultado de la cadena de transporte de electrones (ETC) durante la respiración celular . [17] [18] También se ha descubierto que dosis moderadas de gliotoxina exhiben un efecto antiinflamatorio in vivo debido a la supresión de la actividad de NF-κB por la gliotoxina. [18] Las dosis de gliotoxina inferiores a 40 nM también pueden activar la expresión del gen latente del VIH-1 , lo que sirve como diagnóstico de la infección por VIH. [18] La gliotoxina puede activar la expresión del VIH-1 al dirigirse a (LARP7), lo que da como resultado la liberación de P-TEFb activo y la regulación positiva de la transcripción de las proteínas del VIH. El tratamiento con 20 nM de gliotoxina revirtió la latencia del VIH-1 sin interferir en la activación de las células T CD4 + o CD8+ que participan en la eliminación de las células infectadas por el VIH. [18] Si bien la investigación sobre este posible uso de la gliotoxina se encuentra en etapas iniciales, esto proporciona una posible dirección futura para el diagnóstico y tratamiento del VIH. [18]