Cómo una bacteria patógena utiliza el mimetismo molecular para comprometer la fábrica de proteínas de una célula

El dogma central de la biología molecular postula que los paquetes de información codificados en moléculas de ácido desoxirribonucleico (ADN) se transcriben primero en moléculas de ácido ribonucleico mensajero (ARNm) y posteriormente se traducen/descodifican para generar moléculas llamadas proteínas.

Las proteínas son biomoléculas esenciales formadas por múltiples subunidades más pequeñas llamadas aminoácidos. Estos aminoácidos se unen mediante enlaces peptídicos y contribuyen a la forma, el tamaño y la distribución de carga que eventualmente exhibe la proteína, como suma de sus partes de aminoácidos.

Para que las células produzcan proteínas, necesitan decodificar el lenguaje del ARNm (ácido nucleico) y traducirlo al lenguaje de las proteínas (aminoácido). Este proceso se describe en los libros de biología molecular indistintamente como traducción de ARNm o síntesis de proteínas.

En el interior de las células, la traducción la lleva a cabo un centro de decodificación molecular llamado ribosoma. El propio ribosoma está formado por docenas de proteínas y ARN. Además, muchos otros factores reguladores se asocian con el ribosoma para ayudar a que el proceso de traducción sea rápido, preciso y ajustable. De hecho, si contamos la cantidad de proteínas involucradas en este proceso, hay más de 100; sí, ¡se necesitan más de 100 proteínas para producir una! Por tanto, el proceso de traducción consume muchísimo energía y recursos, lo que refleja su enorme importancia para la célula.

Durante la traducción, una molécula clave que facilita la decodificación se llama ARNt (ARN de transferencia). El ARNt es el «traductor» que conoce tanto el lenguaje del ácido nucleico como el lenguaje de las proteínas. Los ARNt llevan un aminoácido (bloque de construcción de proteínas) a la secuencia de ARNm correspondiente (llamada codón), mientras que el ribosoma se mueve a lo largo del ARNm y simultáneamente une los aminoácidos. Así, el complejo ribosoma-ARNt traduce un lenguaje a otro, realizando el paso fundamental en la síntesis de proteínas.

Como ocurre con cualquier proceso, las células hacen todo lo posible para mantener la eficiencia y precisión de la síntesis de proteínas. De hecho, las mediciones en muchas células diferentes han determinado que las proteínas generalmente se sintetizan con alta precisión a una velocidad promedio de ~6 aminoácidos por segundo.

Los patógenos se dirigen a la síntesis de proteínas.

Numerosos patógenos, incluidos virus, bacterias y hongos, han desarrollado mecanismos que atacan directamente la maquinaria de síntesis de proteínas en las células que infectan. Esto permite que los patógenos se propaguen, subviertan las defensas de la célula huésped y, en última instancia, regulen la lisis de la célula huésped para que la progenie pueda liberarse para futuras rondas de infección.

En estas células infectadas, el alargamiento de las cadenas de aminoácidos que forman las proteínas no progresa a un ritmo uniforme, lo que resulta en una acumulación de ribosomas en posiciones específicas de los ARNm que se traducen y una caída en las tasas de síntesis de proteínas de la célula huésped. . Por analogía, pensemos en el tráfico en hora punta en una autopista donde los coches son los ribosomas y la carretera pavimentada tiene la longitud de un ARNm. Debido a un incidente desagradable, los coches comienzan a acumularse en la carretera y el ritmo del tráfico disminuye.

Evidencias anteriores han indicado que una bacteria patógena llamada Legionella pneumophila provoca una reacción similar en las células que infecta: una reducción en las tasas de síntesis de proteínas en las células huésped y una pausa en los ribosomas en los ARNm, es decir, atascos en la «autopista de la síntesis de proteínas». . Legionella pneumophila es una bacteria intracelular (infecta y reside en las células donde se replica) y es el organismo que causa la enfermedad del legionario, una forma atípica y debilitante de neumonía.

Preguntamos cómo y por qué Legionella pneumophila alcanza el paso de alargamiento por traslación. Y nos propusimos responder estas preguntas en un estudio reciente ahora publicado en Biología celular de la naturaleza.

Nuestro camino hacia el descubrimiento está lleno de sorpresas.

Legionella secreta algunas toxinas en una célula infectada. Por lo tanto, primero medimos si estas toxinas podrían ser equipotentes en su capacidad para inhibir la síntesis de proteínas. Aquí fue nuestra primera sorpresa: aunque seis de las toxinas que probamos tuvieron efectos similares, una toxina de Legionella se destacó del resto y se llamó SidI (pronunciado “Sid-eye”). Descubrimos que pequeñas cantidades de SidI inhibían fuertemente la síntesis de proteínas. Nuestras mediciones indicaron que la potencia del SidI es comparable a la potencia del ricino, una de las toxinas más potentes de la naturaleza.

Nuestra segunda sorpresa se produjo cuando resolvimos la estructura de este potente inhibidor mediante microscopía crioelectrónica, una técnica que preserva la arquitectura tridimensional de una biomolécula en solución incrustándola en un entorno de hielo vítreo (aproximadamente -320 °F). . Nuestra estructura reveló un fascinante mimetismo molecular.

Aunque la mitad de SidI tiene un pliegue arquitectónico presente en enzimas llamadas glicosiltransferasas, la otra mitad se asemeja en forma y tamaño a una molécula de ARNt. Recuerde que los ARNt llevan aminoácidos individuales a los ribosomas para ayudar a decodificar los ARNm. SidI pretende ser un ARNt y engaña al ribosoma para que lo acepte, pero en lugar de llevar un aminoácido al ribosoma, impide que el ribosoma se traduzca.

Realizamos una batería de experimentos para determinar que SidI apunta directamente y modifica los ribosomas de la célula huésped. Esto da como resultado una condición en la que el ribosoma modificado en un ARNm se mueve mucho más lentamente que el ribosoma que lo sigue, provocando colisiones de ribosomas. Siguiendo la analogía de la autopista, es como una colisión automovilística cuando el coche que va delante tiene problemas y de repente reduce la velocidad.

Hasta donde sabemos, este acoplamiento de forma (mimetismo de ARNt) y función (actividad enzimática) hace de SidI una molécula única y sin precedentes en la naturaleza.

“¿Cuáles son entonces [the] ¿Consecuencias de una colisión tan aberrante de ribosomas en células infectadas?», preguntamos.

Al intentar responder a esta pregunta, nos llevamos nuestra tercera sorpresa. Descubrimos que las células huésped detectan que estos ribosomas colisionados activan una vía de respuesta al estrés ribotóxico que culmina en la acumulación de un regulador maestro de la expresión génica llamado factor de transcripción activador 3 (ATF3).

Sorprendentemente, incluso cuando se inhibe la mayor parte de la síntesis de proteínas, la proteína ATF3 escapa a este bloqueo de traducción del ARNm y se induce en niveles elevados. ATF3 ingresa al núcleo celular y organiza un programa que regula la lisis celular. Creemos que este mecanismo puede ser importante para el escape de bacterias replicadas al entorno extracelular, facilitando nuevas rondas de infección.

Perspectivas

Las toxinas de microorganismos patógenos se han utilizado durante mucho tiempo como herramientas moleculares precisas para investigar procesos fundamentales que ocurren dentro de las células. SidI se suma ahora a este arsenal de herramientas de la naturaleza. Los conocimientos fundamentales adquiridos en nuestros estudios arrojan nueva luz sobre los mecanismos mediante los cuales los patógenos emplean el mimetismo molecular para secuestrar procesos que son críticos para monitorear la función óptima de la célula huésped.

Curiosamente, a través de nuestra elucidación del mecanismo molecular de SidI, a su vez descubrimos nodos de señalización críticos de la vía de respuesta al estrés que se activan aguas abajo de la colisión de estrés del ribosoma. Como siempre dice nuestra mentora, Shaeri Mukherjee, profesora de la Universidad de California en San Francisco: «¡Las bacterias son los mejores biólogos celulares!»

Esta historia es parte Ciencia del diálogodonde los investigadores pueden informar los resultados de sus artículos de investigación publicados. Visita esta pagina para obtener información sobre ScienceX Dialog y cómo participar.

Advait Subramanian es biólogo celular en Altos Labs Inc., Redwood City, California. Anteriormente, Subramanian fue becario postdoctoral asesorado por Shaeri Mukherjee y Peter Walter en la Universidad de California, San Francisco, donde se realizó el trabajo descrito en este artículo. Correo electrónico para correspondencia: [email protected]

Lan Wang es biólogo estructural y profesor asistente que trabaja en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong, Hong Kong. Anteriormente, Lan fue becario postdoctoral asesorado por Peter Walter en la Universidad de California, San Francisco. Correo electrónico para correspondencia: [email protected]