Las toxinas AB 5 son complejos proteicos de seis componentes secretados por ciertas bacterias patógenas que se sabe causan enfermedades humanas como el cólera , la disentería y el síndrome urémico hemolítico . Un componente se conoce como subunidad A y los cinco componentes restantes son subunidades B. Todas estas toxinas comparten una estructura y un mecanismo similares para ingresar a las células huésped específicas. La subunidad B es responsable de unirse a los receptores para abrir una vía para que la subunidad A ingrese a la célula. Luego, la subunidad A puede utilizar su maquinaria catalítica para asumir las funciones regulares de la célula huésped. [1] [2]
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Hay cuatro familias principales de toxina AB5. Estas familias se caracterizan por la secuencia de su subunidad A (catalítica), así como por su actividad catalítica. [4]
Esta familia también se conoce como Ct o Ctx, y también incluye la enterotoxina termolábil , conocida como LT. [5] Muchos atribuyen el descubrimiento de la toxina del cólera al Dr. Sambhu Nath De . Realizó sus investigaciones en Calcuta (hoy Calcuta ) realizando su descubrimiento en 1959, aunque fue purificado por primera vez por Robert Koch en 1883. La toxina del cólera está compuesta por un complejo proteico que es secretado por la bacteria Vibrio cholerae . [6] Algunos síntomas de esta toxina incluyen diarrea acuosa crónica y generalizada y deshidratación que, en algunos casos, conduce a la muerte.
Esta familia también se conoce como Ptx y contiene la toxina responsable de la tos ferina . La toxina de la tos ferina es secretada por la bacteria gramnegativa , Bordetella pertussis . La tos ferina es muy contagiosa y los casos están aumentando lentamente en los Estados Unidos a pesar de la vacunación. [7] Los síntomas incluyen tos paroxística con ferina e incluso vómitos. [8] La bacteria Bordetella pertussis fue identificada por primera vez como la causa de la tos ferina y aislada por Jules Bordet y Octave Gengou en Francia en 1900. [9] La toxina comparte su mecanismo con la toxina del cólera. [5]
La toxina ArtAB de Salmonella enterica tiene componentes similares a los que se encuentran en dos familias diferentes: la subunidad ArtA ( Q404H4 ) es homóloga a la toxina A de la tos ferina, mientras que la subunidad ArtB ( Q404H3 ) es homóloga a la subunidad B, así como a las proteínas que se encuentran en otras cepas de Salmonella . Según la regla de categorización por A, es una toxina de la familia Ptx. [10] [4]
La toxina Shiga, también conocida como Stx, es una toxina producida por Shigella Dysenteriae y Escherichia coli (STEC) en forma de bastón. Los alimentos y bebidas contaminados con estas bacterias son la fuente de infección y la forma en que se propaga esta toxina. [11] Los síntomas incluyen dolor abdominal y diarrea acuosa. Los casos graves que ponen en peligro la vida se caracterizan por colitis hemorrágica (HC). [12] El descubrimiento de la toxina shiga se atribuye al Dr. Kiyoshi Shiga en 1898.
Esta familia también se conoce como SubAB [4] y fue descubierta durante la década de 1990. [13] Producido por cepas de STEC que no tienen el locus de borramiento de enterocitos (LEE), [14] y se sabe que causa el síndrome urémico hemolítico (SHU). Se llama citotoxina subtilasa porque la secuencia de su subunidad A es similar a la de una serina proteasa similar a la subtilasa en Bacillus anthracis . Algunos síntomas provocados por esta toxina son disminución del recuento de plaquetas en la sangre o trombocitopenia , aumento del recuento de glóbulos blancos o leucocitosis y daño a las células renales . [15]
La subunidad de la citotoxina A subtilasa (subA, Q6EZC2 ) es una proteasa conocida por escindir la proteína de inmunoglobulina (BiP) de unión, lo que provoca estrés en el retículo endoplásmico y muerte celular. Las subunidades B (subB, Q6EZC3 ) se unen a los glicanos del ácido N-glicolilneuramínico (Neu5Gc) en las células con alta afinidad. [16] Sólo subB es suficiente para provocar la vacuolación de las células vero. [17] Neu5GC no es producido por humanos, sino que se adquiere de fuentes alimenticias como carnes rojas y productos lácteos, también fuentes frecuentes de infecciones por STEC, en el revestimiento del intestino humano. [18]
Un complejo completo de toxina AB5 contiene seis unidades proteicas. Cinco unidades son similares o idénticas en estructura y comprenden la subunidad B. La última unidad proteica es única y se conoce como subunidad A.
La subunidad A de una toxina AB5 es la parte responsable de la catálisis de objetivos específicos. Para la familia de toxinas Shiga, la subunidad A alberga una región sensible a la tripsina que produce dos dominios fragmentados cuando se escinde. Esta región aún no ha sido confirmada para las otras familias de toxinas AB5. [2] En general, los dos dominios de la subunidad A, denominados A1 y A2, están unidos por un enlace disulfuro . El dominio A1 (aproximadamente 22 kDa en la toxina del cólera o las enterotoxinas termolábiles) es la parte de la toxina responsable de sus efectos tóxicos. El dominio A2 (aproximadamente 5 kDa en la toxina del cólera o la enterotoxina termolábil) proporciona un enlace no covalente a la subunidad B a través del poro central de la subunidad B. [5] La cadena A1 de la toxina del cólera cataliza la transferencia de ADP-ribosa del dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD) a arginina u otros compuestos de guanidina mediante la utilización de factores de ribosilación de ADP (ARF). En ausencia de arginina o compuestos simples de guanidino, la actividad de la nucleosidasa NAD+ (NADasa) mediada por la toxina se produce utilizando agua como nucleófilo . [19]
Las subunidades B forman un anillo pentamérico o de cinco miembros, donde un extremo de la subunidad A entra y se mantiene. Este anillo de la subunidad B también es capaz de unirse a un receptor , generalmente una glicoproteína o un glicolípido, [5] en la superficie de la célula huésped. [20] Sin las subunidades B, la subunidad A no tiene forma de unirse o ingresar a la célula y, por lo tanto, no tiene forma de ejercer su efecto tóxico. La toxina del cólera, la toxina shiga y la toxina SubAB tienen subunidades B que se componen de cinco componentes proteicos idénticos, lo que significa que sus subunidades B son homopentámeros. La toxina pertussis se diferencia en que su anillo pentamérico está formado por cuatro componentes proteicos diferentes, donde uno de los componentes se repite para formar un heteropentámero. [5]
La toxina del cólera, la toxina de la tos ferina y la toxina shiga tienen sus objetivos en el citosol de la célula. Después de que su subunidad B se une a los receptores en la superficie celular, la toxina es envuelta por la célula y transportada al interior a través de endocitosis dependiente de clatrina o endocitosis independiente de clatrina . [21]
Para la toxina del cólera, el principal receptor de glicolípidos de la toxina del cólera es el gangliósido GM1 . [20] Después de la endocitosis al aparato de Golgi , la toxina se redirige al retículo endoplásmico . [5] Para que la subunidad A alcance su objetivo, se debe romper un enlace disulfuro entre el dominio A1 y A2. Esta rotura es catalizada por una proteína disulfuro-isomerasa [22] que se encuentra en el retículo endoplásmico. Después de la separación, el dominio A1 se despliega y se redirige nuevamente al citosol, donde se repliega [5] y cataliza la ribosilación de ADP de ciertas subunidades alfa de la proteína G. Al hacerlo, los efectos posteriores de la vía de transducción de señales de la proteína G se interrumpen [4] mediante la activación de la adenilato ciclasa . [20] Esto provoca una mayor concentración de AMPc en la célula, lo que altera la regulación de los mecanismos de transporte de iones. [5]
La toxina de la tos ferina no tiene un receptor específico, y se une a glicoproteínas sialiladas . [13] Después de la endocitosis, el mecanismo de la toxina de la tos ferina es el mismo que el de la toxina del cólera.
El principal receptor de la toxina Shiga es la globotriaosilceramida o Gb3. [23] La toxina Shiga también llega al aparato de Golgi antes de dirigirse al retículo endoplásmico para que el PDI rompa el enlace disulfuro. Luego, la subunidad A de la toxina Shiga regresa al citosol e inhibe la síntesis de proteínas eucariotas con su actividad ARN N-glucosidasa [4] al escindir una base de adenina específica en el ARN ribosómico 28S [5] que finalmente causará la muerte celular.
El objetivo de SubAB está en el retículo endoplásmico de la célula y ingresa a la célula mediante endocitosis mediada por clatrina . [20] El receptor de glucano para SubAB generalmente termina con un ácido N-glicolilneuramínico unido a α2-3 (Neu5Gc). [13] SubAB tiene una subunidad A donde actúa como una serina proteasa y escinde Bip/GRP78 , una chaperona del retículo endoplásmico . [4] La escisión de esta chaperona provoca estrés celular a través de la inhibición de proteínas, [14] y, en consecuencia, la muerte de la célula. [5]
Las subunidades B de las toxinas AB5 tienen afinidad por unirse al glicano que algunos tipos de tumores parecen poseer, lo que lo convierte en un objetivo fácil. Un ejemplo es el de StxB , que se une específicamente a CD77 (Gb3), que muestra expresión en la superficie de células cancerosas como las de colon, páncreas, mama y muchas más. Una vez que StxB se dirige a una célula cancerosa, administra la subunidad A de la toxina que finalmente mata la célula cancerosa. [5]
Otro método más consiste en utilizar fármacos inductores de estrés del RE que se han probado en ratones para mostrar respuestas sinérgicas positivas. Esto se logra mediante la fusión del factor de crecimiento epidérmico (EGF) con la subunidad A de SubAB. Las células cancerosas que expresan receptores de EGF experimentarán toxicidad SubAB. [24]
Otro uso de las toxinas AB5 es el uso de miembros de la familia LT como adyuvantes . Esto permite que la toxina promueva respuestas inmunológicas como IgG2a, IgA y Th17 para combatir, por ejemplo, la infección gástrica por Helicobacter pylori cuando se administra una vacuna . [25] [26]
Además de que algunas de estas toxinas AB5 se utilizan para crear vacunas para prevenir infecciones bacterianas, también se está investigando su eficacia como conjugado para prevenir infecciones virales. Por ejemplo, la inmunización sistémica junto con la administración intranasal conjunta de la vacuna conjugada entre el virus y la toxina del cólera indujo una respuesta de anticuerpos específica del virus y mostró cierto grado de protección del tracto respiratorio superior contra el virus Sendai . [27]
Los nuevos avances en los métodos experimentales biotecnológicos, como el uso de la microscopía de iluminación del plano del haz de Bessel y las moléculas sensoras basadas en FRET, pueden demostrar mejor las estructuras dinámicas de las placas de unión gap . Para estos experimentos, se pueden utilizar diferentes tipos de toxinas AB5 para inducir la rápida formación de tCDR en células de E. Coli. Luego, la respuesta se puede registrar utilizando fluctuaciones de concentración de AMPc en células acopladas a uniones comunicantes utilizando construcciones de sensores basadas en FRET. La investigación sugiere que las CDR quizás podrían estar relacionadas con una rápida reordenación de lípidos y proteínas en los canales de conexina dentro de las placas de unión comunicante. Esto puede ayudarnos aún más a comprender la cascada de señalización que sigue a la pérdida celular de K+ cuando se expone a una infección bacteriana. [28] [29]
Se ha observado que la toxina SubAB demuestra especificidad por una proteína de unión, BiP . Esta característica se ha utilizado para estudiar el papel del propio BiP celular, junto con la degradación asociada al retículo endoplásmico en células HeLa estresadas. [5]