Ролі сидерофорів бактерій та ссавців у взаємодії господар-збудник

Софі Волон 1, 2, 3, 4 * та Ізабель Шалк 5, 6

1 Inserm U1016, Institut Cochin, 24, rue du Faubourg Saint-Jacques, 75014 Париж, Франція
2 CNRS, UMR8104, Париж, Франція
3 Паризький університет Декарта, Сорбонна Paris Cité, Париж, Франція
4 Лабораторія досконалості GR-Ex
5 UMR 7242, Страсбурзький університет-CNRS, ESBS, Страсбург, Франція
6 CNRS, UMR 7242, ESBS, Ілкірх, Франція

Залізо є важливим харчовим продуктом майже для всіх форм життя, від бактерій до людини. Незважаючи на свою ключову роль у живих організмах, залізо стає токсичним при високих концентраціях. В організмі, щоб обійти цю токсичність, майже все внутрішньоклітинне залізо зв’язане з білками (особливо з феритином, білком, здатним зв’язувати до 4000 атомів заліза) і невеликою часткою (0,2% до 3%) з низькою молекулярною масою ліганди (менше 2 кДа), що становлять вільний залізний пул, здатний забезпечити рух внутрішньоклітинного заліза. Ряд малих молекул (цитрат, фосфат, фосфоліпід, поліпептид), здатних хелатувати залізо, із змінним спорідненістю, відомий давно. У 2010 році дві групи виявили нових хелаторів ендогенів ссавців, здатних пов'язувати залізо з подібними хімічними властивостями, як бактеріальні сидерофори. Нещодавно в декількох публікаціях наголошувалося, що більша частина вільного заліза, присутнього в клітинах організму, справді пов'язана з цими сидерофорами, які відіграють ключову роль у механізмах захисту зараженого господаря під час бактеріальних інфекцій, через гомеостаз заліза та регуляцію окисного стресу.

Залізо: функції та токсичність

Залізо має здатність легко отримувати та втрачати електрони, переходячи таким чином із залізної форми Fe 2+ на залізну форму Fe 3+, і навпаки. Ця досить унікальна властивість надає їй важливу роль у процесах окислення та відновлення в царстві живих істот. Насправді, незалежно від прокаріотичних чи еукаріотичних клітин, залізо має важливе значення для багатьох процесів, важливих для життя, таких як ДНК, РНК та синтез білка, транспорт електронів, клітинне дихання, проліферація клітин та регулювання експресії генів [1, 2]. Цей метал існує в основному у двох формах у нашому організмі: гемове залізо (95% заліза), яке використовується у складі гемоглобіну, міоглобіну та деяких ферментів (цитохроми), та залізо, не пов’язане з гемом (згруповане під терміном «не- гемового заліза), взаємодіючи з певними ферментами (наприклад, тирозингідроксилазою для синтезу катехоламінів, триптофану гідроксилазою для синтезу серотоніну та рибонуклеотидредуктазою для синтезу нуклеотидів), білками з центром Fe/S 1, білками шаперону та транспортом заліза та резервні білки (трансферин та феритин) [54] (→).

(→) Див. Синтез Б. Пая та Ф. Барраса, РС n ° 12, грудень 2014 року, сторінка 1110

Хімічні властивості заліза також роблять його потенційно токсичним [3, 4]. Ця токсичність обумовлена здатністю двовалентного заліза Fe 2+ генерувати активовані форми кисню (АФК: активні форми кисню) за реакцією Фентона:

Ця реакція каталізує перетворення пероксиду водню в гідроксильні радикали, високореактивні з білками, ліпідами та ДНК, які, якщо не детоксифікуються антиоксидантними системами, можуть призвести до патологічних ситуацій окисного стресу, включаючи наслідки в метаболічних та нейродегенеративних захворюваннях, атеросклерозі, раку та старіння добре описані [5]. Саме для того, щоб обійти ці проблеми токсичності чорного заліза та низької розчинності заліза із заліза, це залізо циркулює в нашому тілі, зв’язане з білками (або шляхом прямої взаємодії, або через групи протезів, такі як геми або центри Fe/S), таким чином запобігаючи їй каталізувати токсичні окислювально-відновні цикли [6]. Однак існує басейн заліза, не асоційованого з білками (так зване вільне залізо), у невеликих кількостях, важко вимірюється та є високореактивним, що має бути добре контрольованим [7]. Це залізо являє собою басейн перехідне залізо, у постійному русі, розподіл якого в клітині чутливий до навколишнього середовища (окисно-відновного потенціалу, окислювально-відновного та рН) [8].

Залізо також є необхідною поживною речовиною для бактерій, вірулентність яких залежить від їх здатності поглинати залізо від господаря. Як ми побачимо, під час інфекцій між патогеном та господарем встановлюється справжня конкуренція за залізо, кожна з яких бореться за своє виживання.

Бактеріальні сидерофори

Хімічні структури бактеріальних та ссавців сидерофорів. Основні хелатні структури обрамлені (білим кольором).

Як приклад сидерофорів ми можемо навести ентеробактин (також званий ентерохеліном), що виробляється Кишкова паличка (збудник кишкових інфекцій), один з найсильніших і найпоширеніших із заліза хелатних сидерофорів через три 2,3-DHBA групи [17], мікобактин, вироблений Мікобактерії туберкульозу (збудник туберкульозу) [18] та піовердини, вироблені Псевдомонада sp. (відповідальний за інфекції, особливо легеневі інфекції у випадку Синьогнійна паличка) [19]. Дуже сильна спорідненість сидерофорів до заліза дозволяє їм викрадати залізо господаря, найчастіше те, що пов'язане з молекулами низької молекулярної маси, але для деяких з них і те, що пов'язане з білками. Транспорт і зберігання заліза, трансферин та феритин [20, 21].

Анти-сидерофорна зброя господаря: сидерокаліни

Найбільш вивченим із сидерокалінів є ліпокалін 2 (також званий NGAL для нейтрофільна желатиназа, пов’язана з ліпокаліном, Lcn2 або 24p3). Це білок 25 кДа, який був ідентифікований у 1996 році в гранулах багатоядерних нейтрофілів, а потім у численних епітеліальних клітинах, зокрема в проксимальних канальцевих клітинах нирки. Він виробляється у відповідь на різні патофізіологічні подразники (запалення, інтоксикація, інфекція, ішемія, новоутворення). У людини білок виявляється в крові та на низькому рівні в сечі, фільтрується клубочком і реабсорбується в проксимальній трубці нирки [27].

Схематичне зображення білка NGAL у світло-сірому кольорі та його зв'язуючої кишені у синьому кольорі, приєднавши молекулу ent-Fe 3+ (адаптовано з [29]).

Через два роки після цієї новаторської роботи продемонстрована роль NGAL у вродженій імунній відповіді у природніх умовах. Експресія білка NGAL збільшується в умовах інфекції та запалення за допомогою TLR4-залежного механізму (митоподібний рецептор 4). NGAL перехоплює комплекси сидерофорів-Fe 3+ і виводить залізо з патогенних мікроорганізмів [31]. Миші NGAL - /- дуже сприйнятливі до інфекцій, спричинених систематичним введенням бактерій, запаси заліза в основному залежать від сидерофорів катехолатного типу, таких як ентеробактинКишкова паличка. Нещодавно захисна роль NGAL, що виробляється інтеркальованими клітинами збірної трубки нирки, також була продемонстрована при інфекціях сечовивідних шляхів [32]. У мишей, у яких відсутні ці спеціалізовані клітини нирок, експресія NGAL різко знижується, що призводить до зниження бактеріального кліренсу та стійкості інфекції [32].

Шляхи отримання бактеріального заліза та сидерофори: засоби або мішені при антибіотикотерапії

З огляду на важливість заліза для росту бактерій та вірулентності, багато команд зараз прагнуть орієнтувати ці молекули як новий терапевтичний підхід при інфекційних захворюваннях. Можливі різні мішені, і вивчається декілька шляхів, таких як зменшення продукції сидерофорів, пригнічення їх секреції або транспортування комплексів сидерофора-заліза з позаклітинного середовища в цитоплазму бактерій або навіть зміна механізмів, що контролюють гомеостаз заліза ... Робота команди Niederweis є перспективним прикладом у цій галузі. Після зараження мишей Balb/c мутантним штамом Мікобактерії туберкульозу дефіцит для експорту/переробки сидерофорів, легеневе бактеріальне навантаження різко зменшилось, а тканини не виявили уражень (Малюнок 3). Миші, заражені цим штамом, виживають 180 днів, на відміну від тих, які отримали дикий штам [33, 34].

Легкі миші, заражені М. туберкульоз. Дикий штам H37Rv створює важке ураження легенів. З подвійним мутантним штамом для білків mmpS4/S5, який бере участь у експорті та переробці сидерофорів з М. туберкульоз, пошкодження не виявлено (цей ефект втрачається внаслідок комплементації цікавих білків) (адаптовано з [33]).

Цікаво також зазначити, що дуже сильна спорідненість сидерофорів до заліза призвела до використання цих бактеріальних метаболітів для лікування перевантаження заліза. З 1960-х років дефероксамін (молекула природного походження, отримана з Streptomyces pilosus і відомий як десферал) застосовувався для лікування пацієнтів з гемоглобінопатіями, такими як таласемія [41]. Сьогодні на ринок вийшли нові синтетичні хелатори (деферипрон та деферазирокс). Окрім лікування системних перевантажень залізом (печінки, серця та ендокринних залоз, як при таласемії та генетичних гемохроматозах), використання цих хелаторів для більш локалізованих перевантажень залізом, як у мозку, у пацієнтів з атаксією де Фрідрайха або певними нейродегенеративними захворюваннями (такими як Хвороба Паркінсона), сьогодні процвітає [42].

Що, якби ссавці мали свій сидерофор ?

Гіпотеза про існування сидерофорів ссавців базується на відкритті рецептора NGAL, виявленому в 2005 році Девіредді та ін. [43] і називається 24p3R. Під час цієї роботи автори роблять дивовижну знахідку. Якщо рецептор здатний зв'язувати дві форми NGAL (апо- [вільна форма] або голо-NGAL [форма, заряджена комплексом сидерофора-Fe]), фенотип, що надається еукаріотичній клітині, однак сильно відрізняється залежно від того, чи є він це визнає ту чи іншу форму. У присутності комплексу голо-NGAL (NGAL-сидерофор-Fe 3+) збільшення басейн спостерігається внутрішньоклітинне залізо. З іншого боку, у присутності апо-NGAL клітини гинуть шляхом апоптозу, викликаного зменшенням внутрішньоклітинного заліза, цитотоксичним ефектом, який вже описаний для певних хелаторів заліза [44], з експортом металу екзоцитозом у середовищі культури у формі голо-NGAL. Таким чином, у своїй голо-NGAL-формі останній забезпечує надходження заліза до еукаріотичної клітини через відволікання бактеріальних комплексів сидерофор-Fe. У вільній формі (апо-NGAL) [45] NGAL буде витягувати залізо з еукаріотичної клітини за допомогою механізму, незалежного від бактеріальних сидерофорів (Малюнок 4).

Дві форми NGAL та їх роль у транспорті заліза. У своїй голоформі NGAL дозволяє еукаріотичній клітині отримувати залізо, експортуючи його з бактеріальних комплексів сидерофор-Fe. У вільній формі (апо-NGAL) молекула зв’яже залізо клітини, потенційно об’єднане з ендогенним сидерофором. Зменшення басейн транзит заліза призводить до апоптозу клітин (адаптовано з [44]).

Фермент BDH2, а отже, і синтезований ним сидерофор 2,5-DHBA, є важливими новими гравцями в гомеостазі заліза. Вони необхідні для правильної переробки заліза з гемоглобіну гемоглобіну макрофагами та його перенесення з клітин. Ця переробка макрофагів дозволяє забезпечити більшу частину заліза, необхідного для еритропоезу (тобто приблизно 25 мг, що експортується на добу), при цьому всмоктування заліза в кишечнику обмежується до 10-20% (тобто приблизно 1 мг/добу) залізом гормон, гепсидин 2 [55, 56].

З огляду на структурну схожість між 2,5-DHBA та ентеробактином, продукованим Кишкова паличка а з-за сильної конкуренції заліза між господарем та збудником інфекції під час зараження стає очевидною гіпотеза про те, що 2,5-DHBA може використовуватися бактеріями для сприяння їх росту в хазяїні. Дійсно, експерименти показали, що дефіцит 2,5-DHBA у мишей BDH2 - /- надає певну стійкість до бактеріальної інфекції Кишкова паличка який втрачається при попередній обробці мишей 2,5-DHBA [48]. Для боротьби з цим захопленням заліза бактеріями через 2,5-DHBA, клітини-господарі зменшують свою продукцію BDH2. Ця репресія залежить від TLR4 і включає фактор транскрипції Blimp-1 (В-індукований лімфоцитами білок дозрівання-1) [48]. Таким чином, NGAL-сидерокалін та фермент BDH2 взаємно регулюються TLR4, що забезпечує максимальний захист від інфекцій, збільшуючи поглинання заліза в комплексі з бактеріальними сидерофорами, одночасно зменшуючи продукцію сидерофорів ссавців у клітині.

Сидерофори типу 2,5-DHBA, безумовно, не є єдиними лігандами NGAL. Використання численних якісних та кількісних тестів на зв'язування в пробірці з сечі (яка багата на сидерокалін), команда Бараша показує, що проста група катехолів (2,3-DHBA-група ентеробактину, див. Фігура 1 ) здатний утворювати стабільні потрійні комплекси NGAL-2,3-DHBD-Fe [51]. Справді, у природніх умовах, коли автори окремо вводять мишам комплекси apo-NGAL та 2,3-DHBD-Fe, у крові виявляється комплекс NGAL-2,3-DHBD-Fe. Потім залізо розподіляється по ряду органів, зокрема по нирках. Зверніть увагу, що катехоли є рясними метаболітами у ссавців. Вони походять з харчових компонентів (поліфенолів), частково завдяки метаболічній активності мікроорганізмів, і у великих кількостях виводяться із сечею [52].

На закінчення, відкриття цих двох сидерофорів ссавців, 2,5-DHBA та 2,3-DHBA, є важливим у контексті гомеостазу заліза у вищих організмах. Протягом десятиліть сидерофори описувались як здатні вироблятися лише бактеріями, дріжджами та рослинами. Уся література, узагальнена в цьому огляді, вказує, що сидерофори присутні також у простіших хімічних формах у ссавців і, мабуть, дозволяють транспортувати залізо, яке повністю не залежить від трансферину [53]. У рамках взаємодії хазяїн-патоген кожен актор здатний зламати сидерофор іншого, щоб придбати залізо. Це ще раз ілюструє ключову роль заліза в живому світі та демонструє складність цієї конкуренції між господарем та збудником цієї поживної речовини. На майбутнє залишається багато питань: чи існують інші сидерофори ссавців та яка роль і значення цих молекул у патофізіології ?

Посилання, що цікавлять

Автори заявляють, що не мають ніякого інтересу стосовно даних, опублікованих у цій статті.

Білки з центрами Fe-S [54] знаходяться у всіх живих царствах і в основному містять центри типу [2Fe-2S], [3Fe-4S] та [4Fe-4S].

Гепсидин - це білок, який синтезується в печінці як попередник і виводиться в кровообіг у вигляді дуже короткого зрілого пептиду з 25 амінокислот. Він бере участь у регуляції кишкового всмоктування харчового заліза.

Список літератури

Список малюнків

Поточні показники використання показують сукупний підрахунок переглядів статей (повнотекстові перегляди статей, включаючи перегляди HTML, завантаження PDF та ePub, відповідно до наявних даних) та подання тез на платформі Vision4Press.

Дані відповідають використанню на платформі після 2015 року. Поточні показники використання доступні через 48–96 годин після публікації в Інтернеті та оновлюються щодня по днях тижня.

Початкове завантаження метрик може зайняти деякий час.