A pesar de 132 años de estudio, nunca se había encontrado una toxina para el patógeno mortal Mycobacterium tuberculosis que infecta a 9 millones de personas al año y mata a más de 1 millón.
Ahora, Michael Niederweis, Ph.D., profesor de microbiología en la Universidad de Alabama en Birmingham, y sus colegas han descrito la primera toxina conocida de esta bacteria patógena. Esta toxina, la Tuberculosis Necrotizing Toxin, o TNT, es lamiembro fundador de una nueva clase de toxinas previamente desconocidas presentes en más de 600 especies de bacterias y hongos, según lo determinado por la similitud de la secuencia de proteínas. Antes del descubrimiento de Niederweis, esas toxinas se identificaban solo como el "Dominio de función desconocida 4237".
Las bacterias con esas toxinas recientemente reconocidas incluyen Yersinia pestis, el patógeno que causó la peste bubónica conocida como Peste Negra en la Europa medieval, y Listeria monocytogenes , una de las infecciones transmitidas por alimentos más virulentas y mortales y la causa de Blue Bell Creameries se retira este año.
La falta de una toxina identificada en M. tuberculosis había contrastado con casi todas las demás bacterias patógenas cuyas toxinas contribuyen a la enfermedad o la muerte.
M. tuberculosis se destaca por su supervivencia dentro de los macrófagos, las células inmunes que ingieren y destruyen las bacterias infecciosas. El TNT recién identificado, dice Niederweis, juega un papel clave para inducir la muerte necrótica del macrófago infectado. Por lo tanto, el TNT permite M. tuberculosis bacterias para escapar del macrófago y diseminarse a otras células huésped en una persona infectada con tuberculosis, contribuyendo así a la supervivencia de M. tuberculosis y propagando la enfermedad.
"La batalla entre M. tuberculosis y el sistema inmunológico humano para controlar el destino de los macrófagos infectados es fundamental para determinar el resultado de la infección ", escribió Niederweis en el artículo de TNT." El control de la muerte de la célula huésped es de suma importancia para la supervivencia, el escape y la diseminaciónde M. tuberculosis. "
El artículo, "La toxina necrotizante de la tuberculosis mata a los macrófagos al hidrolizar el NAD", se publicó en línea el 3 de agosto en Biología estructural y molecular de la naturaleza .
¿Cómo evitó esta toxina el descubrimiento durante más de un siglo? En primer lugar, se produce in vitro solo en cantidades muy pequeñas; el laboratorio de Niederweis solo pudo detectarla en un filtrado de cultivo celular que se concentró 1000 veces, equivalente a concentrarun galón de leche a aproximadamente un tercio de una cucharadita. En segundo lugar, la toxina es mortal solo cuando está dentro del citosol de la célula huésped; si la toxina está en el torrente sanguíneo o se agrega al medio de cultivo de células huésped in vitro,no tiene ningún efecto. En tercer lugar, la toxina no tiene similitudes con ninguna otra toxina conocida.
Niederweis descubrió el TNT mientras buscaba algo completamente diferente. Estaba buscando proteínas de la membrana externa que pudieran actuar como una puerta para permitir que los nutrientes fuera de las bacterias atraviesen la barrera de la membrana externa extremadamente impermeable de M. tuberculosis. El grupo de Niederweis pensó que había encontrado tal proteína porina; pero tenía una propiedad inusual: la porción final de la proteína se rompió después de que se formó el poro en la membrana externa, y esa porción final era extremadamente tóxica, tanto en simplecélulas procariotas como bacterias y en las células eucariotas más complejas de levaduras, mamíferos y peces. En un artículo publicado en Actas de la Academia Nacional de Ciencias en 2014, Niederweis dijo que este descubrimiento "desafía el paradigma que M. tuberculosis es uno de los pocos patógenos bacterianos que no produce toxinas ".
El artículo actual establece completamente este nuevo paradigma al identificar el mecanismo de muerte celular necrótica inducida por TNT a nivel funcional y estructural. Como una ilusión óptica donde al principio uno ve un jarrón y luego parece ser dos caras mirando aNiederweis inicialmente pensó que había encontrado una porina de la membrana externa que deja entrar nutrientes y transportaba un artefacto. Ahora ve la parte de los poros de esa proteína como un autotransportador bacteriano similar a los que se ven en otras bacterias que tiene la misiónde exportar su carga de proteína TNT al exterior de la membrana exterior. Una vez realizada esa exportación, el poro del transportador permanece en la membrana exterior.
La similitud del gen TNT con las secuencias de ADN en más de 600 otras cepas bacterianas y fúngicas permitirá investigar cómo esta nueva clase de toxinas puede funcionar en otros patógenos, especialmente en microorganismos que dependen de la inducción de necrosis para sobrevivir o propagarse.
Aquí hay algunos detalles de TNT :
1 En una laboriosa búsqueda de la función molecular de TNT, Jim Sun, Ph.D., un postdoctorado en el laboratorio de Niederweis, encontró que TNT hidroliza la coenzima esencial nicotinamida adenina dinucleótido NAD + .Esto explica por qué mata todos los tipos de células en las que se clona, porque NAD + es necesario para el metabolismo normal de la célula. Los investigadores pudieron clonar el gen TNT solo colocándolo junto a un promotor inducible que reprime firmemente la transcripción hasta que se induce. La enzima TNT hidroliza NAD + dentro de las células e in vitro. Está bloqueado por anticuerpos contra TNT y mutaciones puntuales específicas de TNT que eliminan toda la actividad enzimática.
2 Ese mutante de TNT no catalítico no es capaz de matar macrófagos, lo que demuestra que la actividad hidrolasa es necesaria para la muerte celular inducida por TNT.
3 Si TNT se produjo en el interior M. tuberculosis, mataría la célula. Niederweis y sus colegas descubrieron que M. tuberculosis, similar al patógeno bacteriano estreptococo pyogenes, produce una antitoxina para su toxina. La antitoxina TNT se une a la toxina y bloquea su actividad hidrolasa, lo que la hace inofensiva dentro de la bacteria. Los investigadores han denominado factor de inmunidad antitoxina para TNT IFT.
4 Clonación de genes para TNT e IFT en E. coli, donde IFT protege a las bacterias de la muerte, permitió a los investigadores producir cantidades de miligramos de TNT e IFT. En un esfuerzo de colaboración, Gino Cingolani, Ph.D., profesor de la Universidad Thomas Jefferson, produjo cristales del complejo proteico purificadoy determinó su estructura molecular a una resolución asombrosa de 1,1 Å en cuestión de semanas. La molécula de TNT tiene la forma de una mano que agarra, con dedos en un lado y un pulgar extendido en el otro. El IFT encaja en el TNT como una bolasostenido en una mano.
5 Cuando es patógeno M. tuberculosis crece dentro de un fagosoma de macrófagos, el TNT gana rápidamente acceso al citosol del macrófago infectado e hidroliza NAD + , agotando ese cofactor esencial. Esto inicia la muerte celular necrótica a través de señales posteriores que aún no se han caracterizado.
Curiosamente, una búsqueda bibliográfica reveló que un NAD no caracterizado y termoestable + actividad de -glicohidrolasa en M. tuberculosis los extractos de células se describieron hace medio siglo, así como un inhibidor termolábil no caracterizado de la actividad de la hidrolasa. Varias características bioquímicas de TNT e IFT encontradas por el laboratorio de Niederweis coinciden con las de las proteínas no caracterizadas descritas en los informes de la1960.
Sin embargo, la falta de los equipos y anticuerpos modernos de hoy, y los niveles muy bajos de TNT presentes en M. tuberculosis, impidió que esos investigadores encontraran la toxina.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Alabama en Birmingham . Original escrito por Jeff Hansen. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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