Una levadura asesina es una levadura , como Saccharomyces cerevisiae , que es capaz de secretar una de varias proteínas tóxicas que son letales para las células susceptibles . [1] Estas "toxinas asesinas" son polipéptidos que matan células sensibles de la misma especie o de especies relacionadas, a menudo funcionando creando poros en las membranas de las células diana . Estas células de levadura son inmunes a los efectos tóxicos de la proteína debido a una inmunidad intrínseca. [2] Las cepas de levadura asesina pueden ser un problema en el procesamiento comercial porque pueden matar cepas deseables. [3] El sistema de levadura asesina se describió por primera vez en 1963. [4] El estudio de las toxinas asesinas ayudó a comprender mejor la vía de secreción de la levadura, que es similar a las de los eucariotas más complejos. También se puede utilizar en el tratamiento de algunas enfermedades, principalmente las causadas por hongos.
El sistema de toxinas mejor caracterizado es el de la levadura ( Saccharomyces cerevisiae ), que se descubrió que estropea la elaboración de cerveza. En S. cerevisiae, las toxinas están codificadas por un virus de ARN bicatenario , traducido a una proteína precursora, escindido y secretado fuera de las células, donde pueden afectar a la levadura susceptible. Hay otros sistemas asesinos en S. cerevisiae , como los genes KHR1 [5] y KHS1 [6] codificados en los cromosomas IX y V, respectivamente.
El virus LA es un virus icosaédrico de S. cerevisiae que comprende un segmento genómico de 4,6 kb y varias secuencias de ARN bicatenario satélite , llamadas M dsRNA. El segmento genómico codifica la proteína de la cubierta viral y una proteína que replica los genomas virales. [7] Los M dsRNA codifican la toxina, de la que existen al menos tres variantes en S. cerevisiae , [2] [8] y muchas más variantes en todas las especies. [1] [9]
El virus LA utiliza el complejo Ski (super killer) y los genes cromosómicos MAK (maintenance of killer) de la levadura para su conservación en la célula. El virus no se libera al medio ambiente, sino que se propaga entre las células durante el apareamiento de las levaduras . [8] La familia Totiviridae en general ayuda a los dsRNA de tipo M en una amplia variedad de levaduras. [10]
El producto proteico inicial de la traducción del ARN bicatenario de cadena corta M se denomina preprotoxina y se dirige a la vía secretora de la levadura . La preprotoxina se procesa y se escinde para producir un dímero α/β , que es la forma activa de la toxina, y se libera al medio ambiente. [2] [11]
Las dos toxinas variantes más estudiadas en S. cerevisiae son K1 y K28. Existen numerosos dsRNA M aparentemente no relacionados, cuya única similitud es su genoma y la organización de la preprotoxina. [10]
La K1 se une al receptor de β-1,6-D-glucano en la pared celular diana, se desplaza hacia el interior y luego se une al receptor de membrana plasmática Kre1p. Forma un canal iónico selectivo de cationes en la membrana, que es letal para la célula. [11] [12]
La K28 utiliza el receptor de manoproteína α-1,6 para entrar en la célula y utiliza la vía secretora a la inversa, mostrando la señal HDEL del retículo endoplasmático . Desde el RE, la K28 se desplaza hacia el citoplasma y detiene la síntesis de ADN en el núcleo, lo que desencadena la apoptosis . [13] [14]
Sesti, Shih, Nikolaeva y Goldstein (2001) afirmaron que K1 inhibe el canal de potasio de membrana TOK1 antes de la secreción, y aunque la toxina vuelve a entrar a través de la pared celular, es incapaz de reactivar TOK1. [15] Sin embargo, Breinig, Tipper y Schmitt (2002) demostraron que el canal TOK1 no era el receptor primario para K1, y que la inhibición de TOK1 no confiere inmunidad. [12] Vališ, Mašek, Novotná, Pospíšek y Janderová (2006) experimentaron con mutantes que producen K1 pero no tienen inmunidad a ella, y sugirieron que los receptores de membrana celular se estaban degradando en la vía de secreción de las células inmunes, aparentemente debido a las acciones de las cadenas α no procesadas. [16] [17]
Breinig, Sendzik, Eisfeld y Schmitt (2006) demostraron que la toxina K28 es neutralizada en las células que expresan la toxina por la cadena α en el citosol, que aún no ha sido completamente procesada y todavía contiene parte de una cadena γ unida al extremo C. La cadena α no escindida neutraliza la toxina K28 formando un complejo con ella. [2]
Las propiedades asesinas de Kluyveromyces lactis están asociadas a plásmidos de ADN lineales , que tienen en su extremo 5' proteínas asociadas, que les permiten replicarse, de manera similar a los adenovirus . Es un ejemplo de cebado proteico en la replicación del ADN . No se conocen los genes MAK. La toxina consta de tres subunidades, que son maduradas en el complejo de Golgi por la peptidasa señal y glicosiladas .
El mecanismo de acción parece ser la inhibición de la adenilato ciclasa en células sensibles. Las células afectadas quedan detenidas en la fase G1 y pierden viabilidad.
En otras levaduras se encuentran otros sistemas de toxinas:
La susceptibilidad a las toxinas varía mucho entre las especies y cepas de levaduras. Varios experimentos han hecho uso de esto para identificar cepas de manera confiable. Morace, Archibusacci, Sestito y Polonelli (1984) utilizaron las toxinas producidas por 25 especies de levaduras para diferenciar entre 112 cepas patógenas, en función de su sensibilidad a cada toxina. [18] Morace et al . (1989) ampliaron este estudio para utilizar toxinas para diferenciar entre 58 cultivos bacterianos. [19] Vaughan-Martini, Cardinali y Martini (1996) utilizaron 24 cepas de levaduras asesinas de 13 especies para encontrar una firma de resistencia para cada una de las 13 cepas de S. cerevisiae que se utilizaron como iniciadores en la elaboración de vino. [20] Se demostró que la sensibilidad a las toxinas podía utilizarse para discriminar entre 91 cepas de Candida albicans y otras 223 cepas de Candida . [21]
Otros experimentaron con el uso de levaduras asesinas para controlar levaduras indeseables. Palpacelli, Ciani y Rosini (1991) encontraron que Kluyveromyces phaffii era eficaz contra Kloeckera apiculata , Saccharomycodes ludwigii y Zygosaccharomyces rouxii , todas las cuales causan problemas en la industria alimentaria. [22] Polonelli et al. (1994) utilizaron una levadura asesina para vacunar contra C. albicans en ratas. [23] Lowes et al. (2000) crearon un gen sintético para la toxina HMK normalmente producida por Williopsis mrakii , que insertaron en Aspergillus niger y demostraron que la cepa diseñada podía controlar el deterioro aeróbico en ensilado de maíz y yogur. [24] Una cepa productora de toxina de Kluyveromyces phaffii para controlar levaduras apiculadas en la elaboración de vino. [25] Una toxina producida por Candida nodaensis fue eficaz para prevenir el deterioro de alimentos altamente salados por las levaduras. [26]
Varios experimentos sugieren que los anticuerpos que imitan la actividad biológica de las toxinas asesinas tienen aplicación como agentes antimicóticos. [27]
Se aislaron levaduras asesinas de flores de plantas medicinales indias y se determinó el efecto de su toxina asesina sobre células de levadura sensibles, así como sobre hongos patógenos. La toxina de Saccharomyces cerevisiae y Pichia kluyveri inhibió la acumulación de células de azul de metileno de Dekkera anomala en agar de extracto de levadura, peptona y dextrosa (pH 4,2) a 21 °C. No hubo inhibición del crecimiento ni competencia entre las células de levadura en la población mixta de S. cerevisiae aislada de Acalypha indica. Se descubrió que S. cerevisiae y P. kluyveri toleraban el 50% y el 40% de glucosa, mientras que D. anomala toleraba el 40% de glucosa. Tanto S. cerevisiae como P. kluyveri no inhibieron el crecimiento de Aspergillus niger. [28]
Young y Yagiu (1978) experimentaron con métodos para curar levaduras asesinas. Encontraron que el uso de una solución de cicloheximina a 0,05 ppm era eficaz para eliminar la actividad asesina en una cepa de S. cerevisiae . La incubación de la levadura a 37 °C eliminó la actividad en otra cepa. Los métodos no fueron eficaces para reducir la producción de toxinas en otras especies de levadura. [1] Muchas toxinas son sensibles a los niveles de pH; por ejemplo, K1 se inactiva permanentemente a niveles de pH superiores a 6,5. [9]
El mayor potencial para el control de las levaduras asesinas parece ser la adición del virus LA y M dsRNA, o un gen equivalente, a las variantes de levadura deseables industrialmente, de modo que logren inmunidad a la toxina y también maten a las cepas competidoras. [3]