Pacheco González G1*, Mondragón Jaimes V2, Velázquez Fernández J3.
1Universidad Autónoma de Nayarit, Posgrado en Ciencias Biologico Agropecuarias, Unidad
Academica de Agricultura. Carretera Tepic-Compostela Km 9, C.P. 63780, Xalisco, Nayarit, México.
Universidad Autónoma de Nayarit, 2Unidad Académica de Ciencias Químico Biológicas y Farmacéuticas;
3Secretaria de Investigación y Posgrado. Cd. de la Cultura, Amado Nervio s/n, C.P. 63190, Tepic Nayarit, México.
*Autor corresponsal:
Pacheco González G. Estudiante de Maestría en Ciencias Biológico Agropecuarias. Unidad Académica de Agricultura. Universidad Autónoma de Nayarit. Carretera Tepic-Compostela Km 9, C.P. 63780. Xalisco, Nayarit, México. Tel. +52(311) 211 0128, Correo electrónico: dalu_18@hotmail.com
Información del Artículo
Recibido: 21 de noviembre de 2012
Aceptado: 11 de abril de 2013
Revista Bio Ciencias 2(3): 92-97
Como citar este artículo: Pacheco González G, Mondragón Jaimes V, Velázquez Fernández J. Oxidación del arsénico regulada por un sistema bacteriano de dos componentes. Revista Bio Ciencias. 2013; 2(3): 92-97.
Palabras Claves / Key Words
Arsenito-oxidantes, arsenito oxidasa, genes aoxSR / Arsenite oxidizing, arsenite oxidase, aoxSR genes
Resumen
El arsénico es un metaloide tóxico, ampliamente distribuido en ambientes terrestres y acuáticos. La biotransformación bacteriana juega un rol importante en el ciclo biogeoquímico de este metaloide, interviniendo en su movilidad, distribución y biodisponibilidad. Los mecanismos de resistencia bacteriana a arsénico, se encuentran asociados a determinantes genéticos, que les otorgan la capacidad de realizar principalmente transformaciones de oxidación y/o reducción. En esta revisión, se describe el mecanismo de resistencia bacteriana al arsénico por la Arsenito oxidasa (AOX) y el control transcripcional mediado por un sistema de dos componentes (aoxSR), que regulan la expresión de genes clave implicados en la oxidación de arsenito (AsIII).
Abstrac
Arsenic is a toxic metalloid, widely distributed in terrestrial and aquatic environments. Bacterial biotransformation plays an important role in the biogeochemical cycle of this metalloid, in its mobility, distribution and bioavailability. Mechanisms of bacterial resistance to arsenic are associated with genetic determinants, which give them the ability to perform transformations of oxidation and/or reduction mainly. This review describes the bacterial resistance to arsenic by the arsenite oxidase (AOX) and transcriptional control mediated by two component systems (aoxSR), which regulate the expression of key genes involved in the oxidation of AsIII.
Introducción
El arsénico (As), es un metaloide tóxico distribuido en ambientes terrestres y acuáticos. Las fuentes naturales de arsénico ambiental incluyen el volcanismo, la actividad hidrotérmica y la erosión de rocas sedimentarias. La acción antropogénica, por su parte, constituye una segunda fuente de arsénico en el medio, dada por el uso de químicos agrícolas: como plaguicidas y herbicidas, conservadores de maderas, residuos de la fundición de metales y explotación minera (Welch et al., 2000; Oremland y Stolz, 2003).
Los efectos toxicológicos del arsénico están relacionados con su forma química y su estado de oxidación; el arsénico en su forma inorgánica, puede presentarse en dos estados redox: la forma reducida, arsenito (AsIII) es de 25 a 60 veces más toxico que la forma oxidada, arsenato (As V), debido a su capacidad de unión a grupos sulfhidrilo de las proteínas, que ocasionan la degradación de membranas y la muerte celular (Smedley y Kinninburgh, 2002; Muller et al., 2003).
El estado de oxidación del arsénico y por tanto su movilidad y toxicidad, están controlados fundamentalmente por las condiciones redox (potencial redox, Eh) y el pH. Como aproximación y sin tener en cuenta otros factores como el contenido de materia orgánica en condiciones oxidantes, el estado AsV predomina sobre el AsIII, encontrándose fundamentalmente como H2AsO4- a valores de pH bajos (inferiores a 6.9); mientras que a pH más alto, la especie dominante es HAsO42-. En condiciones reductoras a pH inferior a 9.2, predomina la especie neutra H3AsO30 (Lillo, 2003; Smedley y Kinninburgh, 2002).
La contaminación del agua, aire y suelo por arsénico es uno de los problemas ambientales más severos ya que este elemento no se degrada y permanece en el ambiente (Acosta et al., 2007). Su presencia ejerce una fuerte presión de selección sobre los organismos que allí habitan (Cervantes y Vaca, 1990; Silver y Misra,1988) y si la descarga del contaminante es de carácter permanente, como sucede habitualmente con los metales pesados; se produce una selección de aquellos genotipos que pueden sobrellevar dicho estrés (Moraga et al., 2003; Silver y Walderharg, 1992).
La relación contaminante-microorganismo origina una serie de procesos adaptativos que finalmente se expresan como mecanismos de resistencia hacia el metaloide (Anisimova et al., 1993; Montuelle et al., 1994). Entre ellos, se encuentran principalmente los que involucran: a) componentes celulares que capturan a los iones, neutralizando su toxicidad, b) enzimas que modifican el estado redox de los metales o metaloides, convirtiéndolos en formas menos tóxicas, y c) la presencia de transportadores de membrana que expulsan las formas nocivas de As del citoplasma celular (Cervantes et al., 2006). El objetivo de esta revisión es describir el mecanismo de resistencia bacteriana al arsénico por la Arsenito oxidasa (AOX) y el control transcripcional mediado por un sistema bacteriano de dos componentes (aoxSR), que regulan la expresión de genes clave implicados en la oxidación de arsenito (AsIII).
Resistencia al arsénico: arsenito oxidasa (AOX)
Se han aislado microorganismos que presentan diversos mecanismos de resistencia que les permiten tolerar concentraciones de arsénico; algunos de ellos se encuentran asociados a determinantes genéticos, que les otorgan la capacidad de realizar transformaciones de oxidación y/o reducción (Silver y Phung, 2005a).
La oxidación bacteriana de AsIII a AsV fue descrita en 1918, pero no fue hasta 1992 que se aisló la primera arsenito oxidasa (AOX) de Alcaligenes faecalis (Anderson et al., 1992). Esta enzima participa tanto en la desintoxicación de arsénico en bacterias heterótrofas (Muller et al., 2003) como en la generación de energía en bacterias quimioheterótrofas y quimiolitotróficas (Santini et al., 2004; Santini y Vanden, 2004). Las bacterias arsenito oxidantes son filogenéticamente diversas (Battaglia-Brunet et al., 2006) pero todas llevan a cabo la oxidación del AsIII por arsenito oxidasa.
La AOX es una enzima redox periplasmática que presenta una estructura heterodimérica que consta de dos subunidades: la subunidad mayor que es la catalítica, presenta un centro de molibdeno y un centro [3Fe-4S] y la subunidad menor formada por un centro Rieske [2Fe-2S] (Figura 1) (Ellis et al., 2001; Silver y Phung, 2005b). Los genes que codifican estas dos subunidades fueron identificados y secuenciados por primera vez en la bacteria heterotrófica Herminiimonas arsenicoxydans, y se demostró que ambos genes están en el mismo operón denominado aox (Muller et al., 2003).
El primer gen del operón aox codifica la subunidad Rieske y se le nombró aoxA; la designación aoxB se utiliza para el gen que codifica la subunidad mayor (Hille,1996; Muller et al., 2003) AoxA que posee un péptido señal TAT (Twin-ArginineTransporter) en el extremo amino terminal que guía la proteína heterodimérica plegada durante su transporte del citoplasma al espacio periplásmico (Muller et al., 2003).
Figura 1. Modelo de la enzima arsenito oxidasa (AOX) (Tomado
y modificado de Silver y Phung, 2005b)
Se ha propuesto un mecanismo de oxidación del arsenito por esta enzima, que consiste en que el AsIII ingresa a través de un orificio cónico presente en la superficie de la enzima, entrando en contacto directo con el Molibdeno (VI) embebido en la misma; inmediatamente después se produce una transferencia de dos electrones y ahora el arsenato es liberado a través del mismo orificio de entrada y el molibdeno es reducido a Molibdeno (IV). Posteriormente, se transfieren los electrones primero al grupo [3Fe-4S], dentro de la subunidad grande Mo-pterina de la proteína, y después a un clúster [2Fe-2S] situado en la subunidad pequeña. A partir de ese sitio, los electrones se transfieren a la cadena respiratoria de la membrana interna, posiblemente primero a una azurina o un citocromo y eventualmente al oxígeno el aceptor final de electrones (Anderson et al., 1992, Ellis et al., 2001, Hoke et al., 2004; Silver y Phung, 2005a; Mukhopadhyay et al., 2002).
En Agrobacterium tumefaciens 5A se identificó un mecanismo complejo para la expresión de los genes estructurales de la arsenito oxidasa (aoxAB), que implica la percepción de señales a través de un “quorum sensing”, así como de la participación de un sistema de dos componentes en la transducción de señales (Kashyap et al., 2006); estos sistemas de transducción de señales existen en una amplia variedad de especies y regulan eficientemente una multitud de operones microbianos (Stock et al., 2000).
Regulación del operón aox: sistema de dos componentes
La adaptación al medio es un proceso esencial para la supervivencia de los organismos. Los sistemas que permiten a las células sensar y responder a una nueva situación se denominan sistemas de transducción de señales. Estos sistemas funcionan percibiendo la llegada de un estímulo externo y transmitiendo la información recibida al interior de la célula; generando así respuestas adaptativas específicas como la modulación de la expresión génica o la actividad catalítica (Casino, 2008).
Los sistemas de dos componentes (Two Component System) medían la transducción de la señal a través de dos proteínas conservadas: una proteína histidina quinasa sensora (HK) y una proteína reguladora de la respuesta (RR) que se fosforilan en un residuo de histidina y de ácido aspártico, respectivamente. La transferencia del grupo fosforilo desde la HK al RR en respuesta a múltiples estímulos, resulta generalmente, en la activación del RR para controlar una amplia variedad de procesos esenciales para la célula como la adquisición de nutrientes (carbono, nitrógeno, fósforo), la actividad metabólica (sistema de transporte de electrones, absorción y catabolismo), la virulencia, la adaptación física y química al medio (pH, osmolaridad, quimiotaxis), las rutas del desarrollo (esporulación, ciclo celular) y resistencia a antibióticos o metales pesados, entre otros (Grebe y Stock, 1999; Hoch y Varughese, 2001; Parkinson y Kofoid, 1992). Se ha mencionado que la regulación de la expresión del operón aoxAB responde a señales “quorum sensing” y a un sistema de dos componentes (Kashyap et al., 2006); sin embargo los mecanismos reguladores de la oxidación del arsenito, aún no están totalmente esclarecidos (Cai et al., 2009; Muller et al., 2007; Quéméneur et al., 2008; Chang et al., 2010; Sultana et al., 2012).
El sistema de dos componentes de la AOX esta integrado por los genes aoxS y aoxR, localizados rio arriba del operón aoxAB. aoxS que codifica para una histidina quinasa HK y aoxR funciona como un regulador transcripcional. Además de aoxA y aoxB, río abajo se localizan los genes aoxC y aoxD que codifican de forma respectiva, tanto para el citocromo C como para una enzima involucrada en la biosíntesis de la molibdopterina (Kashyap et al., 2006). Por último, dentro del operón aox se encuentra el gen denominado aoxX, el cual codifica para una proteína de unión a oxianiones (Cai et al., 2009).
En Ochrobactrum tritici se identificó la presencia de todos los genes anteriores dentro del operón aox (Branco et al., 2009), al igual que en cepas de Herminiimonas arsenicoxydans, en las cuales por mutagénesis con el transposon Tn5 se demostró que existen otras proteínas que participan en el control de la oxidación del arsenito, como son RpoN y DnaJ, las cuales presentan un factor sigma N (σ54) alternativo de la ARN polimerasa y la co-chaperona Hsp-70 (Koechler et al., 2010). Sardiwal et al., (2010), reportaron la identificación y caracterización de dos genes inmediatamente rio arriba de la arsenito oxidasa en Rhizobium spp. str. NT-26. También demostraron que los dos productos génicos designados AoxS y AoxR son esenciales para la oxidación arsenito y comprenden un clásico sistema de dos componentes.
Koechler et al., (2010), describieron una visión completa de la función de diversas proteínas en el control de la oxidación de arsenito en Herminiiomonas arsenicoxydans, mediante un mecanismo de sistema de dos componentes.
De lo anterior, se puede concluir que los controles transcripcionales regulan la expresión de genes clave (aoxAB) implicados en la oxidación de AsIII (Kang et al., 2012). La oxidación de arsenito por bacterias arsenito oxidantes, resulta de importancia en procesos de biorremediación; ya que la contaminación con arsénico es un grave problema a nivel mundial; en Asia (Bangladesh, varios estados de la India, Nepal, Pakistán, Vietnam, Camboya, China), se estima que más de 100 millones de personas están en riesgo, y alrededor de 70,0000 personas se han visto afectadas por enfermedades relacionadas con arsénico (Rahman et al., 2009; Sardiwal et al., 2010). Un buen entendimiento de los procesos de unión a arsenito y su oxidación son de gran interés para los biólogos sintéticos involucrados en la ingeniería de nuevas entidades moleculares que podrían ser utilizadas en la detección y remoción de arsenito en sitios contaminados (Hughes, 2002; Kitchin y Wallace, 2004; Sardiwal et al., 2010).
Conclusiones
El conocimiento de lo sistemas de transducción de señales de dos componentes ha permitido una mayor comprensión de los procesos fisiológicos que permiten la regulación de la expresión genética, por lo que podrían ser considerados como una herramienta útil biotecnológica para el diseño de propuestas que permitan el saneamiento de zonas contaminadas tanto por arsénico como por otros elementos tóxicos.
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