La lisenina es una toxina formadora de poros (PFT) presente en el líquido celómico de la lombriz de tierra Eisenia fetida . Las toxinas formadoras de poros son un grupo de proteínas que actúan como factores de virulencia de varias bacterias patógenas . Las proteínas lisenina participan principalmente en la defensa contra patógenos celulares. [1] Siguiendo el mecanismo de acción general de las PFT, la lisenina se segrega como un monómero soluble que se une específicamente a un receptor de membrana , la esfingomielina en el caso de la lisenina. Después de unirse a la membrana, comienza la oligomerización, lo que da como resultado un nonámero encima de la membrana, conocido como preporo. Después de un cambio conformacional, que podría desencadenarse por una disminución del pH , el oligómero se inserta en la membrana en el llamado estado de poro.
monómero
La lisenina es una proteína producida en los celomocitos - leucocitos de la lombriz de tierra Eisenia fetida . [2] Esta proteína se aisló por primera vez del líquido celómico en 1996 y se denominó lisenina (de lisis y Eisenia ). [3] La lisenina es una molécula soluble en agua relativamente pequeña con un peso molecular de 33 kDa. Mediante cristalografía de rayos X , la lisenina se clasificó como miembro de la familia de proteínas Aerolisina por estructura y función. [4] Estructuralmente, cada monómero de lisenina consta de un dominio de unión al receptor (parte globular gris a la derecha de la Figura 1) y un módulo formador de poros (PFM); dominios compartidos en toda la familia de las aerolisinas. [4] El dominio de unión al receptor de lisenina muestra tres motivos de unión a esfingomielina . El módulo de formación de poros contiene las regiones que sufren grandes cambios conformacionales para convertirse en el barril β del poro. [5]
Receptores de membrana
El objetivo natural de la membrana de la lisenina es un lípido de la membrana plasmática animal llamado esfingomielina ubicado principalmente en su valva externa, que involucra al menos tres de sus grupos fosfatidilcolinas (PC). [6] La esfingomielina generalmente se encuentra asociada con el colesterol en las balsas de lípidos . [7] El colesterol, que mejora la oligomerización , proporciona una plataforma estable con alta movilidad lateral donde los encuentros monómero-monómero son más probables. [6] Se ha demostrado que las PFT pueden remodelar la estructura de la membrana, [8] a veces incluso mezclando fases lipídicas. [9]
La región del barril β del poro de lisenina que se espera que esté sumergida en la región hidrofóbica de la membrana es el "cinturón de detergente", la región de 3,2 nm de altura ocupada por el detergente en los estudios del poro con microscopía electrónica criogénica (Cryo-EM). [10] Por otro lado, las bicapas de esfingomielina/colesterol tienen aproximadamente 4,5 nm de altura. [11] Esta diferencia de altura entre la cinta de detergente y la bicapa de esfingomielina/colesterol implica una curvatura de la membrana en la región que rodea el poro, lo que se denomina desajuste negativo. [12] Esta flexión da como resultado una atracción neta entre los poros que induce la agregación de los poros.
Unión, oligomerización e inserción.
La unión a membrana es un requisito para iniciar la oligomerización de PFT. Los monómeros de lisenina se unen específicamente a la esfingomielina a través del dominio de unión al receptor. [13] El oligómero de lisenina final está constituido por nueve monómeros sin desviaciones cuantificadas. [14] Cuando los monómeros de lisenina se unen a regiones de membrana enriquecidas con esfingomielina, proporcionan una plataforma estable con una alta movilidad lateral, favoreciendo así la oligomerización. [15] Como ocurre con la mayoría de las PFT, la oligomerización de la lisenina se produce en un proceso de dos pasos, como se demostró recientemente.
El proceso comienza con la adsorción de monómeros en la membrana mediante interacciones específicas, lo que da como resultado una mayor concentración de monómeros. Este aumento es promovido por la pequeña área donde se acumula el receptor de membrana debido a que la mayoría de los receptores de membrana de PFT están asociados con balsas lipídicas. [16] Otro efecto secundario, además del aumento de la concentración de monómero, es la interacción monómero-monómero. Esta interacción aumenta la oligomerización de la lisenina. Una vez alcanzada una concentración umbral crítica, se forman simultáneamente varios oligómeros, aunque a veces de forma incompleta. [17] A diferencia de las PFT de la familia de las citolisinas dependientes del colesterol , [18] no se ha observado la transición de oligómeros de lisenina incompletos a oligómeros completos.
Una oligomerización completa da como resultado el llamado estado de preporo, una estructura de la membrana. Determinar la estructura del preporo mediante rayos X o Cryo-EM es un proceso desafiante que hasta ahora no ha producido ningún resultado. La única información disponible sobre la estructura de los preporos fue proporcionada por Microscopía de Fuerza Atómica (AFM). La altura del preporo medida fue de 90 Å; y el ancho 118 Å, con un poro interior de 50 Å. [17] Se construyó un modelo del preporo alineando la estructura del monómero ( PDB : 3ZXD ) con la estructura del poro ( PDB : 5GAQ ) mediante sus dominios de unión al receptor (residuos 160 a 297). Un estudio reciente sobre la aerolisina sugiere que debería revisarse el modelo actualmente aceptado para el preporo de lisenina, según los nuevos datos disponibles sobre la inserción de aerolisina. [19]
Un cambio conformacional transforma el PFM en el barril β transmembrana , lo que lleva al estado de poro. [20] El mecanismo desencadenante de la transición preporo a poro en la lisenina depende de tres residuos de ácido glutámico (E92, E94 y E97), y se activa mediante una disminución del pH, [21] desde las condiciones fisiológicas hasta las condiciones ácidas alcanzadas. después de la endocitosis o un aumento en la concentración extracelular de calcio. [22] Estos tres ácidos glutámicos están ubicados en una hélice α que forma parte del PFM, y los ácidos glutámicos se encuentran en los miembros de la familia de las aerolisinas en sus PFM. Tal cambio conformacional produce una disminución en la altura del oligómero de 2,5 nm según las mediciones de AFM. [17] Las dimensiones principales, utilizando la estructura de rayos X de poro de lisenina, son la altura de 97 Å, el ancho de 115 Å y el poro interior de 30 Å. [20] Sin embargo, la oligomerización completa en el nonámero no es un requisito para la inserción, ya que se pueden encontrar oligómeros incompletos en estado de poro. [17] La transición de preporo a poro puede bloquearse en condiciones de hacinamiento, un mecanismo que podría ser general para todas las β-PFT. El primer indicio de efecto de apiñamiento en la transición de preporo a poro lo dieron los efectos de congestión en experimentos de electrofisiología. [23]
Consecuencias de la inserción
Las consecuencias finales de la formación de poros de lisenina no están bien documentadas; sin embargo, se cree que induce la apoptosis mediante tres hipótesis posibles:
Rompiendo la asimetría de esfingomielina entre las dos valvas de la bicapa lipídica perforando agujeros en la membrana [24] e induciendo un cambio de lípidos (reorientación de un lípido de una valva de una bicapa de membrana a la otra). [25]
Aumento de la concentración de calcio en el citoplasma. [26]
Disminuyendo la concentración de potasio en el citoplasma. [27]
papel biológico
El papel biológico de la lisenina sigue siendo desconocido. Se ha sugerido que la lisenina puede desempeñar un papel como mecanismo de defensa contra atacantes como bacterias , hongos o pequeños invertebrados . [28] Sin embargo, la actividad de la lisenina depende de su unión a la esfingomielina, que no está presente en las membranas de las bacterias, los hongos ni la mayoría de los invertebrados. Más bien, la esfingomielina está presente principalmente en la membrana plasmática de los cordados . [29] Otra hipótesis es que la lombriz de tierra, que es capaz de expulsar líquido celómico bajo estrés, [30] [31] genera una conducta de evitación hacia sus depredadores vertebrados (como pájaros, erizos o topos ). [32] Si ese es el caso, la lisenina expulsada podría ser más efectiva si el líquido celómico llega al ojo, donde la concentración de esfingomielina es diez veces mayor que en otros órganos del cuerpo. [33] Una hipótesis complementaria es que el olor acre del fluido celómico, que le da a la lombriz de tierra su epíteto específico foetida , es una adaptación anti-depredador . Sin embargo, aún se desconoce si la lisenina contribuye a evitar la Eisenia por parte de los depredadores. [34]
Aplicaciones
Las propiedades conductoras de la lisenina se han estudiado durante años. [35] Como la mayoría de las toxinas formadoras de poros, la lisenina forma un canal no específico que es permeable a iones, moléculas pequeñas y péptidos pequeños. [36] También se han realizado más de tres décadas de estudios para encontrar poros adecuados para convertirlos en sistemas de secuenciación de nanoporos que puedan ajustar sus propiedades conductoras mediante mutación puntual. [37] Debido a su afinidad de unión por la esfingomielina, la lisenina (o simplemente el dominio de unión al receptor) se ha utilizado como marcador de fluorescencia para detectar el dominio de esfingomielina en las membranas. [38]
Referencias
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