Bacterias y los Mecanismos de Percepción y Transducción de Señales

Introducción

Es importante la comunicación celular porque los tejidos especializados se encuentran conformados por células y estas permiten mantener un funcionamiento armónico y coordinado a través de los diversos mecanismos.

Por otro lado, los organismos procariotas viven en ambientes en los que varían constantemente los factores, tales como el pH, la temperatura, la concentración de nutrientes, la cantidad de bacterias, de la misma especie y de otras, y por lo tanto la competencia. Por ello, tienen que adaptar su metabolismo a estos cambios para gastar el mínimo de energía, siendo más eficientes. Para lo que necesitan algún mecanismo que les permita percibir señales del entorno y comunicarse entre sí, para así realizar una respuesta adecuada a los cambios a los que están expuestos continuamente.

Mecanismos de transducción de señales

Los procariotas para poder adaptar su metabolismo a los cambios ambientales, necesitan un mecanismo que les permita percibir señales del entorno y comunicarse entre sí. Para ello utilizan un mecanismo de transducción de señales en dos componentes.

El sistema de dos componentes es un sistema de transducción de señales que usa los grupos fosfatos para controlar la transcripción génica y la actividad proteica. Tiene dos componentes principalmente: una proteína quinasa sensora que detecta las señales del medio externo y una proteína reguladora de repuesta que regula la célula.

• Proteína quinasa sensora: son proteínas transmembranales, generalmente poseen un dominio externo periplásmiso donde reciben la señal, y uno interno citoplásmico catalítico, donde tienen capacidad de autofosforilarse.
• Proteína reguladora: proteína citoplásmica que recibe la señal al fosforilarse. Suele ser una proteína de unión al DNA, controlando así la transcripción génica.

Un sistema regulador equilibrado debe tener un bucle de retroalimentación que consiste en un circuito regulador con una parada de la señal inicial para que no vuelva a iniciarse el proceso una y otra vez. Esto se consigue con la fosfatasa, que es una enzima que elimina el grupo fosforilo de la proteína reguladora de respuesta a velocidad constante.

Existen sistemas reguladores de dos componentes que regulan determinados genes que son los que dan lugar a la proteína reguladora de repuesta. Sin embargo, los sistemas de dos componentes parecen estar menos ampliamente distribuidos entre las especies de Archaea y están prácticamente ausentes en las bacterias.

Sistemas reguladores de dos componentes

Existen numerosos sistemas de dos componentes; un ejemplo interesante es el regulador de respuesta OmpR. Cuando OmpR esta fosforilada activa la transcripción del gen ompC y reprime la transcripción del gen OmpF. De esa forma se controla la osmolaridad del entorno.

Otro ejemplo es el sistema regulador Nar controla un conjunto de genes que permiten el uso del nitrato y el nitrito como aceptores alternativos de electrones durante la respiración aerobica. El sistema Nar contiene dos quinasas sensoras diferentes y dos reguladores de respuesta. Además, todos los genes regulados por este sistema están también controlados por la proteina FNR, un regulador global para genes implicados en la respiración anaerobica.

A continuación se desarrollarán dos ejemplos muy estudiados de esos sistemas de dos componentes: el sistema que controla la esporulación y la quimiotaxisis.

Esporulación

En el control de la esporulación (figura 1), la proteína kin A es la quinasa sensora. Sirve como transmisor de la señal autofosforilándose en un residuo de histidina como respuesta a señales ambientales. La proteína Spo0F actúa como receptor que transfiere el grupo fosforilo de kin A a un residuo de ácido aspártico en su superficie; Spo0F entonces doa su grupo fosforilo a una histidina de Spo0B. A continuación participa la proteína Spo0A, que actúa como reguladora de la respuesta. Tiene un dominio de aspartato que recoge el grupo fosforilo de Spo0B y pasa a ser un regulador transcripcional activo, controlando la esporulación mediante dos factores sigma. Entonces la RNA polimerasa transcribe genes de esporulación.

Quimiotaxis

El quimiotaxismo es un tipo de fenómeno en el cual las bacterias y otras células de organismos unicelulares o pluricelulares dirigen sus movimientos de acuerdo con la concentración de ciertas sustancias químicas en su medio ambiente. Si estos resultan interesantes las bacterias se moverán hacia la mayor concentración, si resulta perjudicial se alejarán de él. Este movimiento consiste en el control del movimiento de los flagelos. Puede ser positiva o negativa.

La quimiotaxis responde de manera compleja a los atrayentes y a los repelentes. La regulación de la natación afecta a la actividad de las proteínas en lugar de a su síntesis. Las sustancias químicas del medio se unen a unos receptores de membrana llamadas proteínas quimiotáctica aceptadora de metilos (MCPs). Esta adaptación por metilación permite al sistema volver a su estado inicial por la presencia continuada de una señal.

La respuesta es regulada por un complejo sistema (figura 2), en el que la proteína CheA actúa como quinasa sensora y la proteína CheY como reguladora de respuesta. Los receptores MCP se encuentran inmersas en la membrana plasmática con partes expuestas tanto hacia dentro como hacia fuera. El lado periplásmico de cada MCP tiene un sitio de unión para una o varias moléculas atrayentes, y además puede tener algún sitio de unión de moléculas repelentes. El lado citoplásmico interacciona con dos proteínas. La CheW se une a la MCP y ayuda a unir a CheA. Cuando la MCP no está unida a un atrayente, estimula a CheA a autofosforilarse con ATP. Esta autofosforilación se inhibe cuando MCP se une a un atrayente. Entonces la CheA puede donar su grupo fosfato a CheY o a CheB. Si se fosforila CheY, pasa a su estado conformacional activo y hace girar al flagelo en el sentido de las agujas del reloj, mientras que antes lo hacía al contrario; como consecuencia la bacteria pega una sacudida. El grupo fosfato es retirado de CheY unos 10 segundos después por la proteína CheZ. Este periodo tan corto hace que la bacteria sea muy sensible a cambios en la concentración de moléculas atrayentes. Mientras no haya atrayentes la fosforilación se mantiene en CheA y la bacteria no pega cambios en su rumbo y sigue una línea recta.

Pero este sistema además necesita que además se consiga mantener en el atrayente, no que continúe moviéndose. Por lo que es necesario un sistema de adaptación que compruebe la presencia de la molécula atrayente y se detenga en ella. Esta adaptación se realiza gracias a la metilación de los receptores MCP. Estos receptores se pueden metilar por la acción de la adenosil metionina (SAM). La reacción es catalizada por CheR, añadiendo constantemente grupos metilo a la MCP. Cuando se fosforila CheA, también lo hace CheB, que cuando se encuentra en estado fosforilado actúa como desmetilasa, eliminado los grupos metilo de la MCP.

El grado de metilación afecta a la configuración de la proteína MCP, afectando por lo tanto a su capacidad para unirse a la molécula atrayente. Cuando se encuentran muy metiladas, liberan al atrayente, siendo incapaces de unirse a él. Mientras que cuando están poco metiladas pueden unirse fácilmente al atrayente. Mediante este sistema de metilación/desmetilación, se controla el grado de sensibilidad al atrayente, lo que permite también comprobar constantemente la presencia de atrayentes en el medio.

Mecanismos de autoinducción

Las bacterias son también capaces de comunicarse entre ellas. Para ello utilizan un sistema diferente, llamado mecanismo de autoinducción. En estos sistemas también hay una proteína reguladora de respuesta que cuando se activa regula la transcripción del DNA; existiendo también señales que activan la proteína reguladora. Un buen ejemplo es el quorum sensing.

Quorum sensing

En la percepción del quorum sensing, la señal se llama autoinductor, que es una pequeña molécula que sale al exterior por un mecanismos de difusión. Salen al exterior a favor de gradiente de concentración. Si la concentración del exterior es demasiado alta, la señal, que actúa como autoinductor, comenzará a acumularse en el citoplasma, hasta que la concentración es lo suficientemente alta como para interactuar con la proteína reguladora. Por otro lado, para que los autoinductores se acumulen en el exterior tiene que haber muchas bacterias que lo vayan secretando; por lo que la concentración del mismo, es una medida indirecta del número de bacterias.

La percepción de quorum sensing se descubrió en primer lugar como el mecanismo para regular la emisión de luz en las bacterias bioluminiscentes de tal manera que cuando la concentración de bacterias era lo suficientemente grande producían luz y en caso contrario no emitían luz.

El primer sistema que se estudió fue en bacterias gran negativas (figura 3); en ellas la señal más común son las acil-homoserina lactonas (HSLs), que son derivados de ácidos grasos que se forman a partir de CoA y SAM. Estas HSLs van difundiendo hacia las células diana, que cuando llegan a un nivel lo suficientemente alto, se une a un receptor proteico y disparan un cambio conformacional. Normalmente activa complejos que actúan como inductores, que se unen a sitios específicos en el DNA y estimulan la transcripción de genes sensitivos al quorum. Este gen a su vez también produce HSL amplificando la señal y liberando más autoinductor.

Toda una serie de genes están controlados por un sistema de percepción de quorum incluyendo algunos en bacterias patógenas, como por ejemplo, las pseudomonas. Éstas presentan una función interesante e importante, promoviendo la formación de biopelículas. Por ejemplo, Pseudomonas aeruginosa, bacteria que tiene un papel clave en la fibrosis quística. La formación de biopelículas es un factor importante para la bacteria, ya que la protege de los antibióticos. Además, gracias a la formación de las biopelículas, la detección del quorum será más efectiva porque habrá menos dilución y los niveles de HSL aumentarán rápidamente. Al formar el complejo señal-regulador se produce una transcripción determinada, que genera factores de virulencia. Con una densidad media de bacterias, se produce una infección crónica, mientras que con una alta, se expresan aún más factores de virulencia, dando lugar a una infección aguda.

En las bacterias gran positivas, las señales son péptidos, que salen al exterior y actúan desde ahí, es decir, sin entrar en la célula, ya que, si entraran podrían ser degradados rápidamente por las peptidasas del citosol. Para captar la presencia de estas señales se utiliza un sistema de dos componentes. El mecanismo de quorum tiene además una serie de ventajas:

• Permite a las bacterias aumentar su supervivencia. Como por ejemplo en la bioluminiscencia, que cuando se produce en grupo es ventajosa, mientras que si lo hiciera una única bacteria puede ser una desventaja ya que consume mucha energía.
• Virulencia. Es más ventajoso producir factores de virulencia en un número elevado, ya que si fueran pocas el sistema inmune del hospedador podría eliminarlas fácilmente.
• Producción de antibióticos. Que sirven para eliminar a otras bacterias que podrían competir con ellas.

Conclusión

Los procariotas son organismos que se encuentran muy adaptados a los lugares en los que viven, por ello, responder a cualquier variación de temperatura, pH, concentración de nutrientes, cantidad de bacterias, etc., resulta esencial para su supervivencia.

Los mecanismos de percepción y transducción de señales, son vías que ayudan a los procariotas a detectar estos cambios en el medio, así como la presencia de otras bacterias, respondiendo a éstos de forma adecuada, regulando la transcripción de ciertos genes específicos. Por lo que, estos sistemas han sido fundamentales en la supervivencia y evolución de estos organismos.

Bibliografía

1. Madigan, M. (2015). Brock. Biología de los microorganismos. Madrid: Pearson Education.
2. Parashar, V., Mirouze, N., Dubnau, D. and Neiditch, M. (2011). Structural Basis of Response Regulator Dephosphorylation by Rap Phosphatases. PLoS Biology, 9(2), p.e1000589.
3. Prescott, L., Harley, J., Klein, D., Willey, J., Sherwood, L. and Woolverton, C. (2008). Microbiology. Estados Unidos: McGraw-Hill.