Proteínas de membrana externa en cepas patógenas aviares de Escherichia coli adherentes al colágeno tipo IV. Luz Elena Vidales Rodríguez,
Laura Libier Salazar Serrano, Rosa María Ramírez Santoyo*,
Yolanda Almanza Márquez*. Resumen: Las proteínas de membrana externa (Omp) de las bacterias patógenas Gram negativas además de participar en el transporte y como receptoras de fagos y colicinas, también pueden desempeñar junto con otros factores de virulencia un papel importante en la patogenicidad. En el presente trabajo se estudiaron los patrones electroforéticos con PAGE-SDS y Western blot de las Omp de cepas de Escherichia coli aviares patógenas y de flora indígena adherentes y no adherentes al colágeno tipo IV. En las cepas adherentes, 3 de ellas patógenas y una de flora indígena, sólo en las patógenas se detectó una banda de peso aproximado de 92 kDa, lo que es indicativo de que se requiere de características adicionales presentes en las cepas patógenas, pero no en las indígenas. Por otro lado, dentro del grupo de cepas no adherentes probadas, se usaron dos cepas APEC y la cepa del laboratorio K12 711, así como las cepas indígenas CA2 y CA5, ninguna presentó la banda mencionada. Estos hallazgos nos permiten proponer que la Omp de peso aproximado de 92 kDa está asociada a la capacidad de adherencia al colágeno tipo IV de las cepas APEC. También se detectó una banda de peso aproximado de 39 kDa únicamente en las cepas patógenas. Antecedentes La membrana externa es un componente importante de la pared celular de las bacterias Gram negativas. Se encuentra externamente al peptidoglicano y está constituida principalmente por fosfolípidos, lipoproteína mureina llamada de Braun, lipopolisacárido (LPS) y proteínas a las que se les denomina proteínas de membrana externa (Omp). Las Omp han sido ampliamente estudiadas para entender su papel en la estructura y función de la célula bacteriana. Aproximadamente el 50% de la masa seca de la membrana externa de las bacterias Gram negativas son proteínas (1, 2). En la bicapa de fosfolípidos de la membrana externa flotan más de 100,000 canales proteínicos individuales. que se clasifican en tres grandes grupos (1, 2): 1.- Las porinas, llamadas
también proteínas de matriz o proteínas principales
de membrana por ser las mas abundantes (en términos de masa, ellas
representan hasta el 2% del total de las proteínas de la célula),
forman canales de gran tamaño que permiten la difusión pasiva
de iones y moléculas hidrofílicas = 600 daltons a través
de la membrana. Las porinas mas conocidas de E. coli son el trímero
PhoE (38,782 Da), OmpF (38,306 Da) y OmpC (37,683); cada subunidad produce
un canal, por lo que el trímero tiene tres canales. La proteína
PhoE se expresa únicamente en condiciones de estarvación
de fosfato . En medio de cultivo usual solamente la OmpF y la OmpC se
producen . Cuando E. coli se encuentra en el aparato digestivo, a 37ºC y en ambiente de osmolaridad alta, sintetíza sobre todo OmpC (la porina mas pequeña). Se cree que la OmpC protege a la bacteria de los efectos tóxicos de las sales biliares, pero permiten que los nutrientes penetren en la célula. Cuando E. coli se encuentra en el agua, donde se desarrolla a temperaturas inferiores, en un ambiente de baja osmolaridad y y con escasez de nutrientes, sintetíza sobre todo OmpF. 2.- Las proteínas similares a las porinas, la mas estudiada es la Lamß, que es receptora del fago lambda y que facilita la difusión pasiva específica de la maltosa y otros solutos pequeños. 3.-Receptores Ton dependientes, son porinas inducibles en pequeñas cantidades que se caracterizan porque los receptores están enlazados a una proteína dependiente de energía llamada TonB localizada en la membrana citoplasmática.. Los receptores TonB se enlazan con moléculas de gran tamaño y escasas como la vitamina B12 y los complejos quelantes de Fe+ facilitando su desplazamiento hacia el periplasma.
Otras proteína muy estudiada de la membrana externa es la OmpA (35,159), monómero cuya función está asociada a la integridad estructural y forma de la célula. Puede ser extraída por SDS a baja temperatura, sin embargo, su movilidad en PAGE-SDS disminuye a 100ºC por su desnaturalización, por lo que se conoce como “modificable al calor”. Hay aproximadamente 105 moléculas de OmpA per célula; es receptora de fagos y de pelo sexual y está involucrada en la captación de aminoácidos y péptidos (1, 2). Prácticamente todas las proteínas de membrana externa son hidrofílicas y tienen una estructura de barriles ß una vez que han sido completamente ensambladas, requisito para que pasen del espacio periplásmico a su lugar en la membrana externa. Esta es una diferencia marcada con las proteínas de la membrana citoplasmática, la mayoría de conformación a hélices que pueden insertarse sucesivamente de una por una (2). Las Omp en la patogenicidad La estructura y función de las Omp están siendo ampliamente estudiadas y en años recientes se han relacionado algunas de estas proteínas con los mecanismos de patogenicidad bacteriana. Asi, las proteínas OmpC y Omp F de E. coli pueden actuar como modulinas al estimular la síntesis de citosinas (3, 4). Algunas proteínas se pueden asociar al lípido A (LAP) del LPS y tener actividades biológicas diferentes del LPS sólo. El complejo LAP es muy estable, ya que al calentarlo a 100ºC durante 30 minutos y someterlo a tripsina durante dos horas, no se disminuye su actividad biológica. El efecto modulador o simulador de citocinas varía según la especie bacteriana, en E. coli pueden inducir la formación de colonias de granulocitos/macrófagos y este efecto puede ser bloqueado por neutralización con antisuero anti-IL-1 ß. La proteína activa en la preparación LAP tiene una masa molecular de 17 kDa (3, 4). Cuadro1.- Algunas proteínas
de membrana externa asociadas a transporte Los pesos moleculares se
calcularon de las secuencias nucleotídicas. E. coli es la
bacteria Gram negativa más común de casos de meningitis
neonatal en humanos, su principal vía de entrada es la hematógena,
aunque no está claro su neurotropismo el principal blanco de estas
cepas son las células endoteliales de la La interacción entre las bacterias patógenas y sus productos con los tejidos o proteínas solubles del huésped es crucial durante las enfermedades infecciosas. Una gran variedad de bacterias se pueden unir a proteína del huésped, en especial a proteínas de la matriz extracelular como el colágeno, la laminina y la fibronectina. La proteína YadA de Yersinia está asociada a diversas funciones de virulencia como son la resistencia a la acción lítica del complemento, resistencia a la fagocitosis, adherencia a células mamíferas y más recientemente se ha demostrado que media la unión específica a los colágenos tipo I, II, III, IV, V y IX así como a la fibronectina celular. Esta interacción podría ser la adhesión inicial a la membrana basal del huésped. (10, 11). Efectos similares producidos por la Omp YopE de Yersinia pseudotuberculosis se han reportado (12). Se ha propuesto que la proteína EspD de E. coli enterohemorrágica participa en el ensamble de un apéndice que le permite a las bacterias adherirse a la célula blanco y participa en la traslocación de moléculas efectoras mediante el sistema de secreción III (13) Moléculas de superficie asociadas a la patogenicidad de E. coli aviar En el estudio de la patogenicidad bacteriana de la enfermedad respiratoria y la colisepticemia causadas por cepas patógenas aviares de E. coli (APEC), es de gran interés detectar las moléculas de superficie que pudieran actuar como mediadoras en la adherencia a los tejidos o proteínas solubles del huésped, dado que la adherencia y colonización son el primer paso para que se presente la enfermedad. Aunque en E. coli se han detectado 171 antígenos de superficie somáticos “O” (constituyentes del LPS), 103 antígenos capsulares “K” y más de 56 antígenos flagelares “H”, apenas algunos serotipos y serogrupos se presentan en las cepas APEC, y su papel en la patogenicidad parece ser más importante durante la diseminación de la bacteria en el huésped, ya que se han asociado a las resistencias al complemento y a la fagocitosis. Otras proteínas de superficie cuya participación en la patogenicidad de las cepas APEC llaman la atención son los apéndices fimbriales Tipo 1, curli y P, así como la proteína Tsh, hemoaglutinina sensible al calor, cuya fracción de 33 kDa se queda anclada transmembranalmente, mientras que la fracción de 106 kDa es secretada (14-17). El papel de la fimbria tipo 1 en la adherencia al epitelio traqueal es controversial, pero no se descarta que esta fimbria pudiera participar en la colonización de los pulmones. Aunque se reporta que es muy frecuente en cepas APEC, nosotros encontramos que también es muy frecuente en cepas de E. coli de pollos sanos (18).Las adhesinas fimbriales P se han detectado en algunas cepas APEC y se ha correlacionado con algunos serogrupos y serotipos, así, Van den Bosh et al encontraron que el 92% de 203 aislamientos de E. coli de pollos con septicemia expresaron esta fimbria cuando los serotipos fueron O1:K1, O2:K1 y O78:K80. Fuertes evidencias sugieren que las cepas expresan esta fimbria al colonizar pulmones pero no al colonizar traquea . La participación de curli en procesos patogénicos no es claro, pero se ha propuesto que estas estructuras filamentosas median la unión bacteriana a proteínas de la matriz extracelular y a proteínas del suero como a la fibronectina, laminina, plasminógeno y proteína activadora del plasminógeno. Algunos investigadores han reportado que el gen csgA que codifica para la subunidad principal de curli se encuentra tanto en cepas de E. coli aislada de aves enfermas como de E. coli comensal aislada de pollos sanos. En cambio, llama la atención que Tsh, se detecta frecuentemente en cepas APEC, pero no en E. coli de aves clínicamente sanas. Se ha propuesto que el gen tsh se encuentra localizado en el plásmido relacionado con la virulencia ColV. Tsh se ha asociado con la resistencia a la acción bactericida del suero y con lesiones en sacos aéreos (14-17). Aún cuando existe cierta uniformidad en los serogrupos que causan colisepticémia, los estudios de polimorfismo en las proteínas de membrana externa, fimbria y enzimas metabólicas revelan una variación genética sustancial. En los estudios de los patrones de las Omp de cepas APEC se han encontrado divergencias entre varios autores, por lo que proponen que probablemente se debe a que usaron diferentes condiciones de cultivo y procedimientos para su aislamiento. Aunque algunas Omp como la OmpA se ha demostrado que participa en la virulencia, la contribución de la variación entre las otras Omp para diferencias en la virulencia y en la patogénesis de la colisepticemia aviar se desconoce (19). Recientemente en nuestro laboratorio se encontró que de 6 cepas APEC aisladas de septicemia, 4 mostraron una alta adherencia al colágeno tipo IV, en contraste, de las cinco cepas de E. coli de la flora indígena sólo una mostró adherencia significativa a este componente de la matriz extracelular (19). Con la finalidad de determinar si había diferencias entre los patrones electroforéticos con PAGE-SDS y Western blot de las Omp de cepas de Escherichia coli aviares patógenas y de flora indígena adherentes y no adherentes al colágeno tipo IV se realizó el presente trabajo. Material y Métodos: Cuadro 2.- Calendario de
inmunización a conejos N.Z. para obtener anticuerpos Policlonales
anti-Omp.La fuente de Omp fue la cepa YA21 adherente al colágeno.
ACF = Adyuvante completo de Freund; Microorganismos: Se utilizaron 4 cepas de E. coli que de acuerdo a estudios previos presentaron adherencia positiva al colágeno tipo IV: YA26, EI35, CA4,YA2114; y 3 cepas de E. coli que presentaron adherencia negativa al colágeno tipo IV: YA4, K12-711 y YA2106. Para ensayos comparativos entre bacterias patógenas y de flora normal se utilizaron además las cepas:CA2,CA3 y CA5 aisladas de aves clínicamente sanas (18). Obtención
de Proteínas de Membrana Externa (Omp): Las bacterias
se crecieron en 5 ml de caldo infusión cerebro corazón (CICC)
a 37°C toda la noche, en condiciones estáticas. El cultivo
bacteriano se concentró por centrifugación a 10,000 rpm
y se lavó dos Producción de anticuerpos anti-Omp: Se utilizaron conejos machos Nueva Zelanda de 6 meses de edad. El calendario de inmunización se describe en el cuadro 2. Descomplementación
y adsorción de suero hiperinmune anti-Omp: El suero hiperinmune
fue descomplementado a 56ºC durante 30 min. PAGE- SDS y electrotransferencia
(21): Las Omp se sometieron a una electroforesis en geles de poliacrilamida
en condiciones reductoras (). Se utilizó un gel separador de gradientes
de 8% y 18% de acrilamida y un gel concentrador de 4%. Para los ensayos
comparativos entre cepas adherentes y no adherentes al colágeno
tipo IV se corrieron 35ml de Omp de las cepas adherencia positiva: YA26,
EI35, CA4 y YA21-14; y 70ml de las cepas adherencia negativa: YA4, K12-711
y YA21-6; por carril, en tanto que para los ensayos comparativos entre
el grupo de cepas patógenas: YA26, EI35 y YA21-14; y el de cepas
aisladas de aves clínicamente sanas: CA2, CA4, CA5 y CA1 se corrieron
35ml de Omp por carril. Como estandar de peso molecular se utilizaron:
miosina (200 kDa), b-galactosidasa (116 kDa), fosforilasa B (97 kDa),
ASB (66.2 kDa), ovolbumina (45 kDa), anhidrasa (31 kDa), inhibidor de
la tripsina (21.5 kDa Bio-Rad). La electroforésis se corrió
a 150 volts por aproximadamente 8 horas Western Blot (21):. La membrana de nitrocelulosa se bloqueó en PBS-leche al 3% toda la noche, posteriormente se le realizaron dos lavados con PBS-Tween 20 al 0.5% seguido de tres lavados con PBS, luego se incubó con el suero hiperinmune descomplementado y adsorbido a una dilución 1:200 en PBS leche al 3% por 1 hora en agitación suave, pasado este tiempo se realizaron nuevamente tres lavados con PBS-leche 3%, dos lavados con PBS-Tween 20 al 0.5% y tres con PBS de 5 minutos cada uno en agitación suave, para enseguida incubar por 1 hora con el segundo anticuerpo anti-IgG de conejo marcado con peroxidasa a una dilución 1:1000 en PBS-leche 3%, se hicieron tres lavados con PBS, dos lavados con PBS-Tween 20 0.5% y tres con PBS. La bandas inmunorreactivas de las cepas de E. coli adherentes y no adherentes al colágeno tipo IV se revelaron utilizando como sustrato diaminobencidina (Sigma) (0.25 g de diaminobencidina en 50ml de PBS y 7.5 ml de H2O2) y el inmunoblot del grupo de cepas patógenas y de cepas aisladas de aves clínicamente sanas fue revelado con quimiluminiscencia (Amersham- Pharmacia) exponiéndolo a una película Kodak Biomax ML en un casette con pantalla intensificadora. Resultados: Figura 1. SDS-PAGE de Omp de cepas de E. coli adherentes (3-6) y no adherentes (7-9) al colágeno tipo IV. 1. ASB; 2. Marcador de peso molecular; 3. YA26 adh. +++; 4.CA4 adh+++; 5.EI35 adh +++; 6. YA21-14 adh +++; 7.YA21-6 adh -; 8. YA4 adh -; 9.K12-711 adh. -. Figura 2. SDS-PAGE de Omp
de cepas de E. coli patógenas (3-5) y cepas de E.
coli aisladas de aves clínicamente sanas (6-9). 1. ASB; 2.
Marcador de peso molecular; 3.YA21-14; 4. EI35; 5. YA 26; 6. CA2; 7.CA4;
8. CA5; 9. CA1. Figura 3. Western-blot revelado por diaminobencidina de Omp de cepas de E. coli adherentes al colágeno tipo IV: 1)YA26; 2) YA21-14; 3) EI35; 4) CA4y no adherentes al colágeno tipo IV: 5)YA 2106; 6) YA4; 7) K12-711. Figura 4. Quimiluminicencia de Omp de cepas de E. coli aviar patógenas: 1)YA2114; 2) EI35; 3)YA26 y cepas de E. coli aisladas de aves clínicamente sanas: 4) CA2; 5) CA4; 6) CA5. Resultados: Detección de Omp en cepas adherentes y
no adherentes al colágeno tipo 1V Detección de Omp en cepas APEC y en cepas
indígenas aisladas de pollos sanos Discusion: Es un gran reto entender como se desarrolla la fisiopatología de la colisepticemia aviar y la manera como E. coli utiliza sus moléculas de superficie en eventos específicos. Un hallazgo sorprendente al analizar los PAGE-SDS fue el encontrar claras diferencias entre las Omp principales de las cepas APEC y las de la flora indígena. Detectándose claramente una banda de Omp de peso aproximado de 39 kDa (fig. 2), además de las esperadas OmpF y OmpC en las patógenas, inclusive, en la figura 1 se visualiza que las Omp de las cepas CA4 de flora indígena (carril 4) y de la cepa de laboratorio avirulenta K12 711 (carril 9) únicamente presentan dos bandas, quizá parte de estos resultados se deban al rigor con que se seleccionaron las cepas indígenas, ya que de 80 aislamientos de E. coli provenientes de pollos clínicamente sanos únicamente se seleccionaron cinco que mostraron ser ColV- y fimbria tipo 1 negativos (), características asociadas a la patogenicidad , por lo que será importante ampliar estos estudios para elucidar si esta banda adicional corresponde a PhoE así como su papel en la patogenia e inmunogenicidad en la colisepticemia aviar. Resulta interesante observar los
resultados de los estudios en Western blot, ya que se detectó una
banda característica en los rangos entre 97 kDa y 45 kDa únicamente
en las Omp de cepas patógenas adherentes al colágeno tipo
(no se detectó en las cepas APEC YA4 ni en la YA2106, no adherentes).
En contraste, dicha banda no se observó en la cepa indígena
CA4, a pesar de ser adherente al colágeno tipo IV (figura 3). Es
importante mencionar que una cepa, la YA4, a pesar de ser muy virulenta
(DL50 1.6X107) () no mostró la capacidad de adherencia al colágeno
tipo IV ni presentó el patrón de Omp observado en las cepas
patógenas adherentes, lo que pudiera ser indicativo de que dicha
banda podría estar relacionada con la capacidad de adherencia bacteriana
a esta proteína de la matriz extracelular. Sin embargo, será
necesario realizar pruebas más finas utilizando anticuerpos específicos
contra esta Omp para elucidar su papel como adhesina. Asimismo, estos
hallazgos corroboran la gran diversidad de fenotipos asociados a la patogenicidad. El conocimiento cabal de los eventos que interactúan durante el desarrollo de la colibacilosis aviar, permitirá desarrollar estrategias para su prevención y control, de manera objetiva. Reconocimientos: Conacyt:
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