Para diversas bacterias patógenas, el hierro es un elemento esencial, necesario no sólo para procesos metabólicos básicos implicados en su crecimiento, como la respiración y la síntesis de ADN, sino que en ciertos casos determina su capacidad de establecerse en el hospedero.1 Debido a su toxicidad, la presencia de hierro libre en nuestro organismo es muy escasa, pues la mayor parte es captado por ferriproteínas y hemoproteínas;2 sin embargo, algunas bacterias patógenas se han adaptado a estas condiciones restrictivas mediante mecanismos de captura que permiten el aporte de hierro a partir de fuentes disponibles del hospedero.

Evidencias experimentales demuestran que la habilidad de algunas bacterias patógenas para captar hierro favorece la expresión de factores de virulencia que les permiten sobrevivir bajo las condiciones fisiológicas.3 Desde hace varios años se ha reconocido la estrecha asociación del hierro con la virulencia de diversas bacterias patógenas.

Hoy en día se sabe que el hierro posee un efecto regulador sobre la expresión de genes que codifican proteínas de captura y transporte de hierro, así como otros factores asociados a la virulencia bacteriana.4 Dichos genes han sido incluidos como marcadores de virulencia en estudios de epidemiología molecular.5, 6

Considerando el papel central del hierro en la virulencia bacteriana, este trabajo está enfocado a exponer un panorama general de los mecanismos de adquisición, transporte y regulación genética de hierro en bacterias patógenas. Estudios enfocados sobre esos mecanismos están teniendo un fuerte impacto en el desarrollo racional de fármacos y vacunas para el control de enfermedades producidas por bacterias cuya virulencia está asociada al hierro.

Propiedades del hierro en condiciones fisiológicas del hospedero

El hierro es esencial para el hospedero y el patógeno, ya que ambos requieren de este metal como un cofactor o como un grupo prostético para enzimas involucradas en muchas funciones celulares básicas y vías metabólicas. Bajo condiciones fisiológicas, el hierro está presente en forma de iones ferrosos (Fe2+) o férricos (Fe3+).2

La conversión reversible del Fe3+ a Fe2+, así como su facultad de integrarse como ligando en complejos coordinados, hacen del hierro un elemento ideal en las reacciones de transporte electrónico acopladas a la generación de energía y a la replicación del ADN; estos atributos son, a su vez, responsables del fuerte potencial tóxico de Fe2+/Fe3+, ya que generan radicales hidroxilo (OH) junto con oxígeno.2 Nuestro organismo aprovecha los beneficios del hierro y a su vez controla el potencial tóxico mediante la formación de ferriproteínas que captan Fe3+, como lactoferrina y transferrina, así como hemoproteínas que contienen Fe2+/Fe3+ incorporado al anillo de protoporfirina IX (el complejo Fe3+/protopor.rina IX y el Fe2+/protopor.rina IX se denominan hemina y hemo, respectivamente), como hemoglobina, mioglobina y catalasa. Algunas hemoproteínas como mioglobina y catalasa pueden ser ocupadas como fuente de hierro por bacterias como Gardnerella vaginalis7 y estreptococos del grupo A;8 sin embargo, las reservas de hierro que con mayor frecuencia suelen ser empleadas por bacterias patógenas9 se muestran en el Cuadro 1.

Cuadro 1 Fuentes de hierro para bacterias patógena

Fuente Bacteria

a) Iones Fe2+: La solubilidad de los iones Fe2+ libres es alta en condiciones anaerobias o reductoras y pH ácido, lo que permite su difusión libre a través de porinas de bacterias Gram (-) hacia el espacio periplásmico.9, 26 El transporte activo de Fe2+ del espacio periplásmico hacia el citosol está mediado por un complejo integral de membrana citoplásmica denominado ABC (ATP binding cassette ABC), presente en eubacterias Gram (+) y Gram (-).27 La energía requerida por la permeasa ABC deriva de la hidrólisis del ATP.27 En bacterias Gram (-), otra proteína estructural de membrana plasmática que exhibe actividad de permeasa, denominada FeoB, participa en el transporte contra gradiente de iones Fe2+ libres, en un proceso dependiente de la hidrólisis de GTP o ATP.1, 26

b) Ferriproteínas: El contacto directo de las bacterias con ferriproteínas como transferrina y lactoferrina está mediado por receptores de super.cie expresados en bacterias Gram (-)21 y Gram (+).23 El mecanismo directo de captura de Fe3+ .jado a la transferrina y/o lactoferrina que se conoce con mayor detalle es el de Neisseria meningitidis, Neisseria gonorrhoae y Haemophilus spp.28 En las neisserias patógenas, la .jación de Fe3+ unido a transferrina está mediada por el receptor de membrana denominado Tbp (transferrin binding protein) y por el receptor Lbp (lactoferrin binding protein). El Tbp está integrado por un complejo de proteínas TbpA y TbpB, implicado en la virulencia del neumococo.18 Este complejo receptor Tbp remueve los iones Fe3+ de la ferriproteína y permite su transporte contra gradiente de concentración a través de la membrana externa hacia el espacio periplásmico. La energía requerida para este transporte activo de Fe3+ mediado por Tbp deriva de la fuerza motriz de protones generada por el complejo TonB.29 Este último está formado por las proteínas integrales de membrana citoplásmica TonB, ExbB y ExbD, y es crucial en la virulencia de algunas bacterias que captan transferrina como fuente de hierro.30

El Fe3+ presente en el espacio periplásmico es captado por proteínas periplásmicas (periplasmic binding proteins, PBP) que promueven su unión a la permeasa ABC. Esta última lleva a cabo el transporte del Fe3+ hacia el citoplasma a expensas de la hidrólisis de ATP.9

c) Hemoproteínas y hemo: La captura de hemo o hemoproteínas (hemoglobina, hemopexina y haptoglobina) ha sido mejor caracterizada en bacterias Gram (-).10 Este proceso implica la unión del grupo hemo y/o hemoproteínas con receptores de membrana.14, 31 Los receptores remueven el grupo hemo de las hemoproteínas28 y permiten su transporte activo a través de la membrana externa hacia el periplasma mediante el complejo TonB, implicado en la virulencia de bacterias que expresan receptores para hemo o hemoproteínas.32, 33, 34 El grupo hemo presente en el espacio periplásmico es transportado en contra de un gradiente hacia el citosol mediante el complejo ABC, donde es degradado por una hemoxigenasa para liberar el Fe2+.28 El transporte del hemo hacia el citosol no requiere proteínas periplásmicas, como ocurre con el Fe3+ y sideróforos.26

Este mecanismo implica la secreción de a) sideróforos y/o b) hemóforos que se unen a la fuente de hierro para formar complejos que se .jan a la super.cie de la bacteria mediante receptores.

a) Sideróforos: son moléculas orgánicas de bajo peso molecular con una alta a.nidad por los iones Fe3+; se clasi.can en tres grupos: hidroxiamatos, catecolatos y â-hidroxicarboxilatos. 35 Los sideróforos favorecen la solubilidad de los iones Fe3+ a pH .siológico y remueven el Fe3+ de ferriproteínas pero no de hemoproteínas o grupo hemo. Los sideróforos son producidos por bacterias Gram (+) y Gram (-)1 no patógenas y patógenas7, 16, 20 y su secreción está asociada a la virulencia en algunas bacterias patógenas.36 La mayor parte de los sideróforos son secretados, aunque algunos están asociados a la super.cie celular como la micobactina de Mycobacterium tuberculosis.20

b) Hemóforos: son proteínas producidas sólo por bacterias Gram (-),9 cuya elevada a.nidad con grupos hemo libres o hemoproteínas permite formar complejos que son captados en la super.cie por receptores especí.cos expresados en la membrana externa.10

En las bacterias Gram (-) el mecanismo básico de captura de hierro mediado por sideróforos consiste en la unión del complejo ferrisideróforo a receptores de membrana externa esenciales para la expresión de virulencia en algunas bacterias, 37 seguido de su transporte activo hacia el espacio periplásmico mediante la energía provista por el complejo de la membrana citoplásmica TonB. Los sideróforos presentes en el espacio periplásmico son transportados contra gradiente de concentración por el complejo ABC hacia el citosol. El complejo ferrisideróforo es .nalmente reducido o degradado en el citosol para liberar los iones Fe2+.9 Los complejos TonB y ABC están vinculados a la virulencia en algunas bacterias que producen sideróforos para captar hierro.30, 32, 33 Las bacterias Gram (+) captan ferrisideróforos mediante receptores proteicos y los transportan hacia el citosol mediante permeasas ABC análogas a las de las Gram (-). A diferencia de las permeasas ABC de las Gram (-), los complejos tipo ABC en Gram (+) son lipoproteínas integrales de membrana con un sitio receptor orientado hacia el exterior del citoplasma.26

El mecanismo de captura de hierro en el que participan los hemóforos consiste en que estas moléculas extraen el grupo hemo de las hemoproteínas y lo dirigen a receptores de super.cie para ser posteriormente internalizado al espacio periplásmico mediante el complejo TonB.10 El transporte del complejo hemo del espacio periplásmico al citosol se lleva a cabo por la permeasa ABC. Al parecer, las proteínas periplásmicas no están implicadas en la captura del grupo hemo y su .jación con la permeasa ABC.26 Una vez en el citoplasma, el hemo es degradado por hemooxigenasas para liberar el Fe2+.10

El hierro y la expresión de genes asociados a la virulencia bacteriana

Para la mayor parte de las bacterias no patógenas, el hierro es esencial para las funciones metabólicas que les permiten multiplicarse; sin embargo, en algunas bacterias patógenas, el hierro determina además la expresión de factores de virulencia como cápsulas,13 adhesinas38 y toxinas.39 El hierro regula la expresión de sideróforos asociados a la virulencia como el producido por Staphylococcus aureus 40 o proteínas .jadoras de sideróforos codi.cadas en genes de islas de patogenicidad.16

Algunos genes regulados por el hierro que codifican receptores para sideróforos, como el ireA e iroN, han sido considerados como marcadores de virulencia37 en estudios de epidemiología molecular de E. coli patógenas.5, 6 El hierro también regula genes que codi.can otros determinantes de virulencia como cápsulas polisacáridas y resistencia antimicrobiana.3 Un mecanismo mediante el cual el hierro controla la expresión de genes está mediado por la proteína Fur ( ferric uptake regulator protein),41 presente en bacterias Gram (-)42 y algunas Gram (+).

El homodímero Fur de 17 kDa forma un complejo con el Fe2+ que reprime la transcripción al unirse en los sitios promotores de genes ubicados entre -10 a -30 pares de bases, que conforman la denominada Fur box (caja Fur).41 La caja Fur está formada por una secuencia consenso palindrómica: GATAATGAT(A/T)ATCATTATC.26 Cuando existe hierro disponible, Fur reprime la transcripción; en ausencia de hierro, Fur permite la transcripción.4 En algunas bacterias, Fur controla la expresión de genes implicados en la virulencia asociada a sistemas de transporte de hierro,43 sobrevivencia bacteriana44 y pilis.45

Otra proteína denominada DtxR ( diphteria toxin regulator) aislada de Corynebacterium diphteriæ y sus homólogas como IdeR y SirR aisladas en micobacterias y esta.lococos respectivamente, regulan también genes de virulencia cuya expresión está controlada por hierro.46 DtxR (y homólogas) es un dímero de 25 kDa que no comparte similitud en la secuencia de aminoácidos con Fur pero actúa también como represor transcripcional dependiente del hierro.1 DtxR, junto con Fe2+, forma complejos que se unen a secuencias palindrómicas del operador del gene tox y como consecuencia reprime la transcripción de la toxina diftérica. DtxR regula genes implicados en la expresión de toxinas y sideróforos asociados a la virulencia.47

Fármacos y vacunas contra bacterias con virulencia asociada al hierro

El extensivo estudio sobre los mecanismos de captura y transporte de hierro ha tenido un fuerte impacto en el desarrollo de fármacos para el control de infecciones producidas por bacterias con virulencia asociada a hierro. El interés

en la fabricación de estos productos ha sido impulsado por el creciente problema de la resistencia microbiana a los antibióticos.48 En el caso de las bacterias patógenas Gram (-), esta resistencia está asociada a diversos mecanismos, como la baja permeabilidad de la membrana externa ¯que reduce el acceso del antibiótico al interior de la célula¯, permeasas que expulsan a los antibióticos y enzimas que los degradan.48

Una estrategia para evadir estos mecanismos asociados a la resistencia ha sido desarrollar sideróforos sintéticos empleados como acarreadores de agentes antimicrobianos. Los sideróforos sintéticos conjugados con antibióticos han sido considerados caballos de Troya, pues al ser captados de manera similar a los sideróforos naturales propician la internalización del antibiótico. Sideróforos sintéticos conjugados con betalactámicos49 o con vancomicina50 han sido efectivos para inhibir el crecimiento de bacterias patógenas Gram (-). Estos complejos propician actividad de los agentes antimicrobianos, ya que favorecen su transporte y no son susceptibles a degradación mediada por enzimas hidrolíticas bacterianas.

A partir de estudios sobre los mecanismos asociados a la adquisición de hierro se ha fundamentado el desarrollo de vacunas para prevenir enfermedades ocasionadas por bacterias cuya virulencia ha sido fuertemente relacionada con su capacidad de captar este metal. Las moléculas consideradas como candidatos potenciales de vacunas son diversas e incluyen proteínas fijadoras de transferrina de gonococo51 y Moraxella catarrhalis52 y receptores proteicos de transferrina de meningococos.28

Existen muchos retos por enfrentar para la futura aplicación de estas vacunas, sobre todo relacionados con el empleo de adyuvantes,53 la búsqueda de la vías de inmunización que favorezcan una óptima respuesta protectora y el papel de anticuerpos específicos involucrados en la protección contra infecciones producidas por cepas con distintos serotipos.

Conclusión

Aún falta discernir muchos eventos relacionados con el papel del hierro en la virulencia bacteriana; sin embargo, es preciso decir que las expectativas de desarrollo de este campo de conocimiento son alentadoras y tendrán un fuerte impacto en diversas áreas de la medicina, como la epidemiología molecular, el desarrollo de fármacos y vacunas para el combate y prevención de enfermedades ocasionadas por bacterias cuya virulencia está fuertemente asociada al hierro.

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