La superfamilia de toxinas RTX es un grupo de citolisinas y citotoxinas producidas por bacterias. [1] Hay más de 1000 miembros conocidos con una variedad de funciones. [2] La familia RTX se define por dos características comunes: repeticiones características en las secuencias de proteínas de toxinas y secreción extracelular por los sistemas de secreción de tipo I (T1SS) . El nombre RTX (repeticiones en la toxina) se refiere a las repeticiones ricas en glicina y aspartato ubicadas en el extremo C de las proteínas de la toxina, que facilitan la exportación por un T1SS dedicado codificado dentro del operón rtx . [3] [4]
Las proteínas RTX tienen un tamaño que va desde los 40 hasta más de 600 kDa y todas contienen secuencias repetidas de nueve aminoácidos ubicadas en el extremo C ricas en glicina y aspartato . Las repeticiones contienen la estructura de secuencia común [GGXGXDX[L/I/V/W/Y/F]X] (donde X representa cualquier aminoácido), pero el número de repeticiones varía dentro de los miembros de la familia de proteínas RTX. [5] Estas regiones de consenso funcionan como sitios para la unión de Ca 2+ , lo que facilita el plegamiento de la proteína RTX después de la exportación a través de un sistema de secreción de tipo 1 mediado por ATP (T1SS). La mayoría de las proteínas T1SS están codificadas dentro del operón rtx . Las proteínas T1SS forman un canal continuo que abarca tanto la membrana interna (MI) como la membrana externa (ME) de la célula bacteriana, lo que evita la exposición de la toxina RTX al espacio periplásmico (entre la MI y la ME). Los componentes del sistema de secreción de tipo 1 incluyen: un transportador ABC (TC# 3.A.1), una proteína de fusión de membrana (MFP; TC# 8.A.1) y una proteína de membrana externa (OMF; TC# 1.B.17). La OMF a menudo se codifica fuera del operón rtx, ya que puede tener múltiples funciones dentro de la célula. En Escherichia coli , Pasteurella haemolytica y Vibrio cholerae , TolC funciona como la OMP en la exportación de toxina RTX de T1SS. En cada caso, el gen tolC se encuentra fuera del operón rtx y codifica una proteína multifuncional conservada. Durante el transporte, el T1SS reconoce las repeticiones C-terminales de la toxina RTX, y el extremo C se transfiere primero a través del canal. [3]
El grupo general de genes rtx codifica tres tipos de proteínas: la toxina RTX, una aciltransferasa activadora de RTX y proteínas T1SS. La toxina está inactiva hasta la modificación postraduccional por el activador de la toxina RTX codificado en cis, que normalmente ocurre dentro de la célula diana. La aciltransferasa activadora de RTX cataliza la unión de ácidos grasos unidos por acilo a residuos de lisina ubicados internamente dentro de la toxina RTX. Esta modificación es necesaria en todas las toxinas RTX; sin embargo, su función exacta en la toxicidad de RTX no se entiende. Los miembros de la familia de toxinas RTX muestran una amplia gama de funciones y, por lo general, múltiples dominios funcionales. [3] La formación de poros es la única función compartida conocida en las citotoxinas RTX, y los poros suelen ser selectivos de cationes, lo que permite una afluencia de Ca 2+ en las células diana. [6]
Los miembros de la superfamilia RTX (RTX (TC# 1.C.11); HrpZ (TC# 1.C.56) y CCT (TC# 1.C.57)) contienen secuencias repetidas que también se encuentran en autotransportadores (por ejemplo, 1.B.12.10.1 y 1.B.40.1.2) así como TolA (2.C.1.2.1). Estos dominios probablemente median interacciones proteína-proteína.
La base de datos de clasificación de transportadores divide la superfamilia de toxinas RTX en tres familias diferentes de homólogos según el análisis bioinformático y filogenético: [7] [8]
Las toxinas RTX se dividían originalmente en hemolisinas y leucotoxinas. [1] Sin embargo, la evidencia ha demostrado actividad leucotóxica en las hemolisinas, lo que llevó a la reclasificación de los subgrupos de toxinas RTX en dos familias: leucotoxinas formadoras de poros (familia de toxinas RTX, 1.C.11.1.1) y toxinas MARTX (familia CCT, 1.C.57.3.4) (toxinas RTX de autoprocesamiento multifuncional). Las toxinas MARTX son mucho más grandes que las toxinas RTX y se exportan mediante sistemas de secreción de tipo 1 modificados que contienen un transportador ABC adicional . [3] [9]
La familia de toxinas RTX (TC# 1.C.11) (subfamilia de la superfamilia de toxinas RTX) es una gran familia de exotoxinas formadoras de poros de bacterias Gram-negativas multidominio. Son secretadas por las bacterias y, después del procesamiento, se insertan en las membranas de las células animales. Ejercen efectos específicos tanto del tipo celular como de la especie (por ejemplo, la leucotoxina de M. haemolytica interactúa solo con macrófagos alveolares, neutrófilos y linfocitos de rumiantes y se cree que promueve la proliferación bacteriana al matar o incapacitar a estas células). [10] Estas toxinas reconocen receptores proteicos como las integrinas β 2 , forman poros en altas concentraciones y causan la ruptura celular por mecanismos que no se comprenden bien. Se cree que tres dominios transmembrana intervienen en la formación de poros, que en la proteína HlyA de E. coli (TC# 1.C.11.1.3) se encuentran en los residuos 299-319, 361-381 y 383-403. Sin embargo, en concentraciones bajas y sublíticas, la leucotoxina (TC# 1.C.11.1.1) provoca la activación de los neutrófilos , la producción de citocinas inflamatorias, la desgranulación, la generación de radicales libres derivados del oxígeno y cambios morfológicos compatibles con la apoptosis .
El dominio C-terminal de la toxina de la adenilato ciclasa (ACT o CyaA; TC# 1.C.11.1.4) de Bordetella pertussis forma un pequeño canal selectivo de cationes, que altera la barrera de permeabilidad. Este canal probablemente no lleva la adenilato ciclasa N-terminal al citoplasma de la célula huésped. Sin embargo, las mutaciones en los residuos de una hélice α anfipática (Glu509 y Glu516) en el dominio formador de poros bloquean la translocación de la adenilato ciclasa y modulan también la selectividad de cationes del canal de membrana, ya que las actividades de translocación y formación de poros emplean los mismos elementos estructurales de la molécula de toxina de una manera alternativa y mutuamente independiente. [11] La ACT utiliza un receptor de integrina beta2 CD11b/CD18 (receptor de complemento 3) en las células fagocíticas mieloides [12] pero con baja eficacia puede penetrar también en células que carecen de este receptor o insertarse en liposomas. La fosfatidiletanolamina y el colesterol estimulan la inserción de la ACT. La ACT también promueve el cambio de lípidos, lo que sugiere que la ACT forma estructuras lipídicas no lamelares transbicapa cuando se inserta en la membrana. [13] La CyaA puede formar dos tipos diferentes de estructuras similares a poros, dependiendo de la orientación del potencial de membrana y del pH. [14]
La reacción de transporte generalizada propuesta para los miembros de la familia de toxinas RTX es: [8]
Las toxinas RTX son producidas por una variedad de bacterias gramnegativas. La producción de toxinas RTX y los genes rtx se han descubierto en muchos géneros bacterianos, incluidos Escherichia , Proteus y Bordetella . Los miembros de la familia Pasteurellaceae también producen toxinas RTX. [15] El género Vibrio , que incluye V. cholerae y V. vulnificus , produce toxinas MARTX, otra clase de proteínas RTX. [3]
Se han encontrado toxinas RTX en numerosas cepas de E. coli patógena . La toxina RTX prototípica, α-hemolisina (HlyA; TC# 1.C.11.1.3), es un factor de virulencia común en E. coli uropatógena (UPEC) , la principal causa de infecciones del tracto urinario . El operón hly codifica la toxina RTX (HlyA), la proteína de activación de HlyA HlyC (una aciltransferasa ; TC# 9.A.40.1.1), y dos proteínas de la maquinaria T1SS . El Hyl T1SS incluye el transportador ABC HlyB (TC# 3.A.1.109.1), la proteína de fusión de membrana HlyD (TC# 8.A.1.3.1), y la proteína de membrana externa TolC (TC# 1.B.17.1.1). Mientras que los genes hlyB y hlyD se encuentran dentro del operón hly, TolC es una proteína multifuncional codificada fuera del operón hly. [3]
La Escherichia coli enterohemorrágica (EHEC) también produce una toxina RTX. La hemolisina de EHEC (EHEC-Hly) se descubrió en el serotipo O157:H7 de EHEC. El operón EHEC-Hly contiene cuatro homólogos hly de E. coli : EHEC-hlyA, EHEC-hlyC, EHEC-hlyB y EHEC-hlyD. Las toxinas Shiga (Stx) son los principales factores de virulencia en la E. coli enterohemorrágica , pero la EHEC produce varios otros factores de virulencia capaces de dañar el endotelio vascular en las infecciones por EHEC. La EHEC-Hly se expresa en numerosos serogrupos de EHEC que se sabe que causan infecciones graves en humanos. La EHEC-Hly se transporta dentro de vesículas de membrana externa (OMV) secretadas por EHEC in vitro . Este modo de transporte aumenta la virulencia al facilitar la entrega de EHEC-Hly a las células objetivo. [16]
Las toxinas RTX en las bacterias Vibrio representan un descubrimiento temprano en la investigación de toxinas RTX, pero solo recientemente se descubrió que pertenecen a una clase separada de toxinas RTX llamadas toxinas MARTX. En Vibrio cholerae, el gen martx codifica seis proteínas: la toxina MARTX (RtxA), una aciltransferasa (RtxC), una proteína de fusión de membrana (RtxD), dos transportadores ABC (RtxB y RtxE) y una proteína con función desconocida. [3] RtxA es un factor de virulencia involucrado en el cólera que facilita la colonización de V. cholerae en el intestino delgado. RtxA causa la destrucción del citoesqueleto de actina en las células huésped a través de la modificación de G-actina y la destrucción de Rho GTPasas. La toxina contiene cuatro dominios funcionales: un dominio de reticulación de actina (ACD), un dominio de inactivación de Rho (RID), un dominio de proteasa de cisteína (CPD) y una αβ-hidrolasa. En la infección por V. cholerae , el CPD se une al hexakisfosfato de inositol (InsP 6 , ácido fítico) dentro de las células huésped eucariotas. Esta unión activa el CPD autoproteolítico que escinde la proteína MARTX en proteínas independientes más pequeñas, cada una de las cuales contiene solo uno de los dominios efectores ACD, RID y αβ-hidrolasa. Esto permite que cada efector actúe de forma independiente dentro de la célula huésped, lo que aumenta los efectos de RtxA porque el ACD y el RID funcionan en diferentes ubicaciones dentro de la célula. El ACD reticula la G-actina monomérica en el citosol de la célula huésped, lo que evita la formación de microfilamentos de actina , un componente principal del citoesqueleto. El RID inactiva las Rho-GTPasas unidas a la membrana, que son reguladoras de la formación del citoesqueleto. [17]
La toxina adenilato ciclasa (ACT o CyaA) es un factor de virulencia primario en Bordetella pertussis . CyaA es una toxina multifuncional de la familia RTX que ataca a los fagocitos mieloides, lo que altera la respuesta inmunitaria innata y promueve la colonización por B. pertussis . El operón cyaA codifica las cinco proteínas CyaA (toxina RTX), CyaC (proteína de activación de CyaA) y las tres proteínas T1SS: CyaB (un transportador ABC), CyaD (una proteína de fusión de membrana) y CyaE (una proteína de membrana externa). La proteína CyaA contiene un dominio de adenilato ciclasa (dominio AC) y un dominio hemolítico/citolítico. La función hemolítica forma poros en las células diana, mientras que el dominio AC invasivo de células se transloca a través de la membrana celular hacia el citosol celular. La CyaA se une a la integrina α M β 2 , se inserta en la membrana celular y abre una vía transitoria para la entrada de iones Ca 2+ que activan la calpaína. Esto permite el reposicionamiento de la toxina CyaA dentro de la membrana celular en microdominios de membrana enriquecidos con colesterol (balsas lipídicas) y se completa la translocación del dominio AC a través de la membrana hacia el citosol celular. Una vez que el dominio AC se internaliza en el citosol, se activa mediante la unión de la calmodulina y cataliza la conversión no regulada de ATP citosólico a AMPc, elevándolo así a niveles citotóxicos. [6]