La proteína humana disuelve las membranas bacterianas

ARRIBA: Antes de matar a Salmonella, la proteína APOL3 (verde), similar a un detergente, debe atravesar la membrana externa protectora de la bacteria (roja), que se muestra aquí en una sección transversal .R. GAUDET ET AL., SCIENCE, 2021

Cuando el sistema inmunitario de los mamíferos detecta un patógeno, se precipita una especie de llamada de atención inmunológica por la liberación de una citoquina conocida como interferón- gamma, que induce la transcripción de toneladas de genes del huésped en las células de todo el cuerpo, no solo en las células inmunitarias. Pero las identidades de todos esos genes y lo que hacen para proteger al huésped no se comprenden bien. En un estudio publicado hoy (15 de julio) en Science, los investigadores encontraron que un gen estimulado por el interferón-gamma, la apolipoproteína L3 (APOL3), produce una proteína que puede destruir las bacterias que se cuelan en las células huésped al actuar como un detergente que rodea los lípidos integrales de las membranas celulares de los patógenos y hace que se rompan.

El artículo es importante para una nueva comprensión de cómo las células no inmunes como las células epiteliales tienen respuestas antibacterianas, dice Christina Faherty, genetista bacteriana de la Escuela de Medicina de Harvard y el Hospital General de Massachusetts que no participó en el trabajo. Es un poderoso ejemplo de esa guerra constante entre bacterias y anfitriones de lucha y contraataque y simplemente tratando de descubrir quién puede sobrevivir.

En el nuevo estudio, John MacMicking, investigador del Instituto Médico Howard Hughes e inmunólogo en La Universidad de Yale y sus colegas se propusieron explorar la idea de que las respuestas inmunitarias a la infección no solo incluyen la respuesta inmunitaria clásica. . . pero también necesitan comunicarse o hablar con las células no inmunes para lograr la restricción de la infección, dice. En realidad, la infección tiene lugar en células que a menudo no forman parte del sistema inmunitario y son las primeras en ser penetradas por diferentes patógenos invasores, en particular organismos intracelulares.

MacMicking y su equipo utilizaron CRISPR en células epiteliales humanas. para mutar sistemáticamente cada uno de los miles de genes que podrían cambiar la actividad en respuesta al interferón-gamma. Luego expusieron estas células a interferón-gamma y descubrieron que las células con mutaciones en APOL3 no podían frenar la replicación rápida de una bacteria, Salmonella enterica serovar Typhimurium, una de las causas de intoxicación alimentaria en las personas. El equipo determinó que cuando las células reciben la señal del interferón-gamma que advierte de patógenos sueltos, activan la expresión de APOL3. 

Las apolipoproteínas son típicamente proteínas secretadas que se encuentran en espacios extracelulares, y se cree que su función principal es el transporte de lípidos, como el colesterol, por todo el cuerpo. Pero el trabajo anterior había demostrado que la proteína APOL3 y algunos de los miembros de su familia se encuentran dentro de varios tipos de células de mamíferos, donde podrían defenderse potencialmente contra las bacterias que se infiltran al unirse de manera similar a los lípidos, en este caso, las membranas lipídicas bacterianas. Más evidencia de que esta familia de proteínas puede funcionar en la defensa inmunológica es que otros grupos han demostrado que otro miembro, APOL1, brinda protección contra un protista patógeno extracelular llamado tripanosoma.

Cuando Salmonella ( rojo) invade una célula, APOL3 (verde) se pega a la superficie de la bacteria y la rompe.R. Gaudet et al., Science, 2021

Para descubrir cómo las células usan APOL3 para manejar a los invasores, los investigadores observaron qué hace APOL3 marcado con fluorescencia en respuesta a bacterias marcadas, tanto en las células como con los componentes mezclados en una placa de Petri. Vieron que APOL3 coopera con otra proteína inducida por el interferón-gamma, la proteína de unión al guanilato 1, para penetrar en el exterior membrana bacteriana. Luego, APOL3 se une específicamente a los lípidos en la membrana bacteriana interna, ignorando los lípidos comunes a las membranas anfitrionas, y los rodea de la misma manera que el jabón lavaplatos rodea la grasa de las ollas y sartenes. Esta unión rompe la membrana y destruye las células bacterianas.

Encuentran una propiedad similar a un detergente muy interesante que depende de la composición lipídica de la membrana con la que interactúa la proteína, dice Jayne Raper, microbióloga afiliada con Hunter College y la Escuela de Medicina de la Universidad de Nueva York que no participaron en el estudio. Raper ha trabajado en APOL1 y tripanosomas durante años y explica que ella y otros sospechaban que los otros miembros de la familia de las apolipoproteínas estaban involucrados en la inmunidad innata. El único del que teníamos datos era APOL1, pero la familia está evolucionando rápidamente. Y cuando ves que eso sucede en biología, siempre racionalizas que debe estar teniendo una carrera armamentista molecular con microbios, porque son los que evolucionan rápido.

Los autores están entre los primeros en descubrir una función antibacteriana para una apolipoproteína, escribe Lora Hooper, inmunóloga del UT Southwestern Medical Center en Dallas que no participó en el trabajo, en un correo electrónico a The Scientist. Normalmente pensamos que estas proteínas tienen una función dietética: transportar lípidos por todo el cuerpo para usarlos como energía o bloques de construcción celular, continúa. Pero la ubicación de APOL3 dentro de una célula no coincidía exactamente con una función nutricional, por lo que tiene sentido que esté haciendo algo completamente diferente, como defender a las células contra las bacterias invasoras.

El siguiente paso, según para MacMicking, es explorar otros aspectos de esa defensa, en particular, qué más están haciendo APOL3 y otros miembros de la familia. Es posible que tengan actividades que no sean solo antibacterianas, sino también antivirales o antiparasitarias, dice. Estamos en el proceso de tratar de examinar el tipo de actividad antimicrobiana que pueden tener estas proteínas.