Bases Moleculares de la Secreción de Proteínas en Microorganismos

Envolturas y Superficies Bacterianas

• Importancia de las cubiertas bacterianas:

  • Son esenciales para la viabilidad celular.

  • Contienen componentes únicos no presentes en otros dominios.

  • Actúan como blanco de antibióticos.

  • Protegen contra el estrés ambiental: sales biliares, $pH$ bajo y presión osmótica.

  • Funcionan como ligandos para la adherencia.

  • Proporcionan resistencia a la fagocitosis.

  • Inducen la respuesta inmune innata.

  • Presentan variación antigénica entre bacterias.

• Estructura comparativa de la pared celular:

  • Bacterias Gram-positivas: Poseen una capa gruesa de peptidoglicano, ácidos teicoicos y lipoteicoicos, y en ocasiones una capa S (S-layer) de glicoproteínas.

  • Bacterias Gram-negativas: Poseen una membrana interna (citoplasmática), un espacio periplasmático que contiene una capa delgada de peptidoglicano, y una membrana externa que contiene lipopolisacáridos (LPS), porinas y lipoproteínas.

Clasificación de los Sistemas de Secreción (T1SS - T11SS)

• Sistema de Secreción Tipo I (T1SS): Transporta compuestos a través de ambas membranas (interna y externa) simultáneamente mediante transportadores de casete de unión a ATP (ABC).

• Sistema de Secreción Tipo II (T2SS): Transporta proteínas ya procesadas en el periplasma a través de la membrana externa. Suele secretar enzimas degradativas.

• Sistema de Secreción Tipo III (T3SS): Estructura compleja de "jeringa molecular" que inyecta proteínas efectoras directamente en el citoplasma de la célula huésped. Es crítico para la virulencia.

• Sistema de Secreción Tipo IV (T4SS): Transloca proteínas y ADN a otras bacterias o células eucariotas mediante contacto directo. Incluye sistemas de conjugación.

• Sistema de Secreción Tipo V (T5SS): Conocidos como autotransportadores. La proteína se transporta a través de la membrana externa usando su propio dominio de barril $\beta$.

• Sistema de Secreción Tipo VI (T6SS): Inyecta efectores directamente en células diana (bacterianas o eucariotas) mediante un mecanismo contráctil similar al de los bacteriófagos.

• Sistema de Secreción Tipo VII (T7SS): Presente en bacterias Gram-positivas; transporta toxinas y factores de virulencia al exterior.

• Sistema de Secreción Tipo VIII (T8SS): Vía de biogénesis de curli en bacterias Gram-negativas; secreta fibras proteicas extracelulares.

• Sistema de Secreción Tipo IX (T9SS): Específico del filo Bacteroidetes. Esencial para la motilidad deslizante y degradación de biopolímeros. Las proteínas tienen un dominio C-terminal conservado para su direccionamiento.

• Sistema de Secreción Tipo X (T10SS): Implicado en la secreción de enzimas hidrolíticas y toxinas para adquisición de nutrientes e interacciones celulares.

• Sistema de Secreción Tipo XI (T11SS): Identificado recientemente en Gram-negativas. Transporta lipoproteínas y proteínas solubles mediante una proteína de membrana externa (OMP) con un dominio DUF560.

Sistemas de Secreción de Una Etapa y Dos Etapas

• Sistemas de una etapa (A): Las moléculas efectoras se entregan directamente al citosol de la célula diana a través de un canal que atraviesa tres membranas (interna, externa y la de la célula hospedera). Ejemplos: T1SS, T3SS, T4SS, T6SS.

• Sistemas de dos etapas (B): Las proteínas cruzan primero la membrana interna mediante las vías Sec (secretion) o Tat (twin arginine translocation). Posteriormente, son transportadas por la membrana externa. Ejemplos:

  • T2SS: Vía GSP (General Secretion Pathway).

  • T5SS: Autotransportadores.

  • T7SS: Sistema especializado en Gram-positivas (vía chaperona-usher en algunos contextos).

  • T8SS: Nucleación-precipitación extracelular (curli).

  • T9SS: Sistema de secreción Por.

Sistema de Secreción Tipo I (T1SS): El Transportador ABC

• Características Generales:

  • Secreta toxinas, proteasas y lipasas.

  • No utiliza intermediarios periplasmáticos.

  • Requiere una señal de secreción en el C-terminal de aproximadamente $60\,aa$.

• Componentes (3 partes):

  1. Transportador ABC: Localizado en la membrana interna (IM).

  2. Proteína de Fusión de Membrana (MFP): En la IM.

  3. Proteína de Membrana Externa (OMP): No requerida en Gram-positivas.

• Ejemplo: $\alpha$-hemolisina (HlyA) en E. coli:

  • OMP: TolC.

  • MFP: HlyD (forma trímeros que contactan con el ABC y TolC).

  • HlyD evita la formación de intermediarios periplasmáticos cerrando el canal entre la IM y la OM.

• Dominios de Toxinas RTX (como HlyA):

  • Dominio hidrofóbico e inserción.

  • Dominio de unión a $Ca^{2+}$ (repetitivo).

  • Secuencia señal C-terminal.

  • En la toxina adenilato ciclasa, incluye un dominio de actividad enzimática.

Sistema de Secreción Tipo III (T3SS): La Jeringa Molecular

• Patógenos que lo utilizan:

  • E. coli: Locus de eliminación de enterocitos (LEE) en EPEC y EHEC.

  • Salmonella typhimurium: Islas de patogenicidad SPI1 y SPI2.

  • Shigella spp.: Sistema Mxi-Spa.

  • Yersinia spp., Pseudomonas aeruginosa, y varios patógenos de plantas.

• Arquitectura Estructural:

  • Cuerpo Basal: Anillos múltiples que anclan el sistema en ambas membranas.

  • Aguja (Needle): Estructura de proteína polimerizada (ej. YscF) que sobresale al exterior.

  • Translocón: Proteínas (ej. YopB/D en Yersinia) que forman un poro en la membrana de la célula eucariota.

• Mecanismo de Acción en Yersinia:

  1. La proteína de la aguja se desplaza por los anillos y se autopolimeriza.

  2. Se secretan las proteínas del translocón.

  3. Se inyectan los efectores (toxinas) directamente al citoplasma eucariota.

Sistema de Secreción Tipo IV (T4SS): Conjugación y Entrega de Efectores

• Clasificación Funcional:

  1. Sistemas de Conjugación (T4ASS): Transfieren ADN (plásmidos, transposones) entre bacterias. Ejemplo: Sistema VirB/VirD4 de Agrobacterium tumefaciens.

  2. Sistemas de Secreción de Efectores (T4BSS): Inyectan proteínas en células eucariotas. Ejemplo: Proteína CagA en Helicobacter pylori.

• Componentes de Agrobacterium tumefaciens:

  • Subcomplejo IM: ATPasas (VirB4, VirB11, VirD4) que proveen energía, y proteínas de anclaje (VirB3, VirB6, VirB8).

  • Complejo Central (CC): VirB7, VirB9 y VirB10. Estructura de andamiaje que atraviesa ambas membranas.

  • Pilus: Formado por VirB2 y VirB5 para el contacto con la célula receptora.

• Etapas de la transformación por Agrobacterium:

  1. Detección de señales vegetales por VirA/VirG.

  2. Activación de la región vir.

  3. Formación del complejo T inmaduro.

  4. Exportación del complejo T y proteínas Vir por el T4SS.

  5. Formación del complejo T maduro en el citoplasma del huésped.

  6. Importación nuclear.

  7. Desensamblaje del complejo.

  8. Integración del T-ADN en el genoma vegetal.

• Caso Helicobacter pylori:

  • Inyecta CagA y peptidoglicano.

  • La proteína CagL se une a integrinas mediante el motivo RGD.

  • Efectos: Reorganización del citoesqueleto de actina, alteración de uniones estrechas (tight junctions) y respuesta proinflamatoria (vía Nod1 y NF-$\kappa$B).

Sistema de Secreción Tipo VI (T6SS): El Mecanismo de Arpón Contráctil

• Estructura del T6SS en E. coli:

  • Complejo de Membrana: TssJ, TssL y TssM (poro pentagonal).

  • Cola Contráctil: Vaina (TssB y TssC) y Tubo Interno (proteínas Hcp).

  • Placa Base y Espiga: Baseplate y complejo VgrG/PAAR que perfora la célula diana.

  • Reciclaje: La ATPasa ClpV desensambla la vaina contraída para permitir nuevos ensamblajes.

• Efectores representativos:

  • AaiC (EAEC): Objetivo desconocido.

  • KatN (EHEC): Catalasa para supervivencia en macrófagos.

  • Tle1, Tle4: Lipasas contra bacterias o células eucariotas.

  • Hcp-ET1: DNasa tipo HNH.

Vías de Translocación a través de la Membrana Interna: Sec y Tat

• Vía Sec (General Secretion):

  • Transporta proteínas en estado no plegado.

  • SecB: Chaperona tetramérica citosólica que mantiene la proteína desplegada.

  • SecA: ATPasa esencial que impulsa la translocación.

  • Translocasa (SecYEG): El canal central (SecY tiene 10 dominios TM, SecE tiene 3).

  • LepB: Peptidasa de señal que corta el péptido líder.

• Vía Tat (Twin Arginine Translocase):

  • Transporta proteínas ya plegadas u oligómeros.

  • Péptido señal: Más largo, menos hidrofóbico, con el motivo conservado RR ($S/L-R-R-X-F-L-K$).

  • Involucra proteínas TatA, TatB y TatC.

  • Impulsada por el gradiente de protones ($\Delta pH$).

• Estructura del péptido señal:

  1. Dominio N: Polar, carga neta positiva.

  2. Dominio H: Hidrofóbico (hélices $\alpha$).

  3. Dominio C: Sitio de reconocimiento para peptidasas (motivo AXA).

Sistema de Secreción Tipo II (T2SS) y la Toxina del Cólera

• Mecanismo de Secreción:

  1. Las subunidades A y B de la toxina cruzan la IM por la vía Sec como monómeros.

  2. En el periplasma, se ensamblan en el complejo $AB_5$.

  3. Las pseudopilinas (GspG-GspK) forman un "pseudopilus" mediante hidrólisis de ATP por GspE.

  4. El pseudopilus empuja la toxina hacia el exterior a través del poro de secretina (GspD) en la membrana externa.

• Acción de la Toxina del Cólera (CTX):

  • Estructura: CTX-A1 ($22\,kDa$), CTX-A2 ($5\,kDa$) y pentámero CTX-B ($11.6\,kDa$ cada subunidad).

  • Unión a gangliósidos GM1 en células epiteliales.

  • Internalización vía endosomas al Aparato de Golgi y Retículo Endoplásmico (RE).

  • CTX-A1 sale al citosol, es activada por ARF6 y activa la adenilil ciclasa (AC).

  • Aumento de $cAMP$ activa PKA, que fosforila el canal CFTR.

  • Resultado: Salida masiva de $Cl^-$, $HCO_3^-$, $Na^+$, $K^+$ y agua (diarrea).

Sistema de Secreción Tipo V (T5SS): Autotransportadores y Sistemas TPS

• Autotransportadores Clásicos:

  • Organización tripartita: Péptido señal, dominio pasajero y dominio $\beta$.

  • El dominio $\beta$ forma un barril en la membrana externa por el cual pasa el pasajero.

  • Intervienen chaperonas periplásmicas (Skp, SurA) y el complejo Bam.

• Sistemas TPS (Two-Partner Secretion):

  2. TpsB: Transportador de membrana externa (ej. FhaC) con dominios POTRA.

  3. TpsA: Proteína secretada (ej. FhaB) que posee un dominio TPS N-terminal para reconocimiento.

Secreción en Bacterias Gram-positivas: El Sistema Sortasa

• Motivo LPXTG:

  • Presente en el C-terminal de más de 100 proteínas de superficie y virulencia.

  • Seguido por un dominio hidrofóbico y una cola cargada.

• Mecanismo de la Sortasa (SrtA):

  • Es una transpeptidasa de membrana.

  • Corta entre la Treonina (T) y la Glicina (G) del motivo LPXTG.

  • Une covalentemente el grupo carboxilo de la T al grupo $NH_2$ del puente de pentaglicina del peptidoglicano.

Vía Chaperona-Usher: Biogénesis de Pili

• Ejemplo: Pili P en E. coli uropatogénica (UPEC):

  • Codificado por el cluster de genes pap.

  • PapD: Chaperona periplásmica.

  • PapC: Usher (formador del poro en la membrana externa).

  • Proceso de "Intercambio de hebra donante" (Donor strand complementation): Las subunidades del pilus se ensamblan secuencialmente para formar una fibra rígida con una punta adhesiva (PapG).