Terán-Melo, Rodríguez-Rangel, Georgellis, and Álvarez: Mecanismos de autofosforilación y transfosforilación en sistemas de dos componentes bacterianos



Introducción

Los organismos necesitan comunicarse y recibir información del medio que los rodea, para así adaptarse rápidamente a las condiciones imperantes. A nivel celular, esta comunicación se da a través de sistemas de transducción de señales (aunque no todas las respuestas adaptativas requieren de transducción de señales), que funcionan como vías procesadoras de información intracelular, acoplando cambios ambientales con cambios fisiológicos que resultan en respuestas adaptativas. A pesar de la gran diversidad de estímulos y respuestas, las células utilizan sólo un pequeño número de estrategias moleculares para la transducción de señales, siendo la fosforilación de proteínas una de las principales. En organismos eucariontes, las cascadas de señalización involucran proteín-cinasas que pueden autofosforilarse o fosforilar a otras proteínas en residuos de serina (Ser), treonina (Thr) o tirosina (Tyr). Sin embargo, en los sistemas de señalización bacteriano, predomina un esquema de fosforilación diferente, en donde están involucrados residuos de histidina (His) y aspartato (Asp). Estas vías de señalización están conformadas frecuentemente por dos proteínas: una cinasa sensora (CS) y un regulador de respuesta (RR), por lo que son conocidas como Sistemas de señalización de Dos Componentes (SDCs). Cada uno de estos sistemas está altamente especializado, de manera que detectan una o unas pocas señales moleculares, producto de una condición ambiental, y permiten una respuesta específica que es, en la mayoría de los casos, producida por una expresión génica diferencial. Con pocas excepciones, todas las bacterias tienen múltiples SDCs (Galperin, 2005; Ulrich & Zhulin, 2010; Wuichet, Cantwell, & Zhulin, 2010), necesarios para su adaptación a cambios en condiciones ambientales, como osmolaridad, balance redox, pH, temperatura, disponibilidad de nutrientes, etc. (Aguilar, Hernández-Arriaga, Cybulski, Erazo, & de Mendoza, 2001; Eguchi & Utsumi, 2014; Forst & Roberts, 1994; Iuchi & Lin, 1993; Nohno, Noji, Taniguchi, & Saito, 1989). Además, tienen un papel relevante en la regulación de diversos procesos celulares como esporulación, resistencia a antibióticos, motilidad y patogénesis (Bourret, Hess, Borkovich, Pakula, & Simon, 1989; Hutchings, Hong, & Buttner, 2006; Jiang, Shao, Perego, & Hoch, 2000).

Cabe destacar que los SDCs no son exclusivos de las bacterias, ya que también se encuentran presentes en la mitad de los genomas secuenciados de arqueas (Ashby, 2006), y están presentes en levaduras, hongos, amebas sociales y plantas (Catlett, Yoder, & Turgeon, 2003; Koretke, Lupas, Warren, Rosenberg, & Brown, 2000; Santos & Shiozaki, 2001; Schaller, Shiu, & Armitage, 2011; Thomason & Kay, 2000; Wolanin, Thomason, & Stock, 2002).

Funcionamiento de los SDCs bacterianos

En un SDC bacteriano típico, la CS es una proteína membranal y el RR es una proteína soluble que generalmente actúa como regulador transcripcional. La percepción de una señal específica por la CS permite su autofosforilación, dependiente de ATP, en un residuo de His que se encuentra en el dominio de la proteína que se denomina transmisor (DT) (Figura 1). Inmediatamente, el grupo fosforilo (~P) es transferido a un Asp en el RR, en un dominio que se conoce como receptor (DR) (Figura 1a). El RR fosforilado (RR-P) media la respuesta celular mediante la regulación de la expresión de genes a nivel transcripcional. Por otra parte, cuando la señal específica está ausente, el RR-P pierde el ~P, inactivándose como regulador transcripcional (Figura 1a). Por lo general, la desfosforilación del RR es acelerada por la misma CS cognada que, en ausencia de la señal, adquiere una actividad fosfatasa específica para su RR fosforilado (Kenney, 2010; Stock, Robinson, & Goudreau, 2000). No obstante, en algunos SDCs bacterianos, y en la mayoría de los que se encuentran en eucariontes, la CS cuenta con dominios proteicos adicionales que participan en la transducción de la señal. En estas CS, denominadas híbridas, además del DT, existe un dominio receptor adicional (DR), con un Asp conservado, y un dominio de fosfotransferencia (HPt), con una His conservada (Figura 1b). Cuando estos sistemas son activados por una señal específica, la CS híbrida se autofosforila en el dominio transmisor, y posteriormente transfiere el ~P secuencialmente al Asp del DR y a la His del HPt dentro de la CS, para finalmente fosforilar al Asp del RR (Figura 1b) (Burbulys, Trach, & Hoch, 1991; Georgellis, Lynch, & Lin, 1997; Takeda, Fujisawa, Matsubara, Aiba, & Mizuno, 2001; Uhl & Miller, 1996b; Williams & Whitworth, 2010). A este proceso se le conoce como fosforelevo. Nuevamente, cuando la señal está ausente, el RR-P se desfosforila, reacción que es catalizada por la misma CS, pero en este caso mediante un fosforelevo reverso, que involucra la transferencia del ~P del RR a la His del HPt, luego al residuo de Asp del DR de la CS híbrida, y finalmente la liberación de fosfato inorgánico (Figura 1b) (Georgellis, Kwon, De Wulf, & Lin, 1998; Peña-Sandoval, Kwon, & Georgellis, 2005; Uhl & Miller, 1996a).

Figura 1

Representación esquemática de los sistemas de dos componentes bacterianos y su funcionamiento. A) SDC canónico con una CS membranal y un RR citosólico. Se muestra el dominio transmisor (DT) de la CS, con un residuo de His (H) que se fosforila en condiciones estimulantes, y el dominio receptor (DR) del RR, con un residuo de Asp (D) conservado que recibe el grupo fosforilo de la CS. En condiciones no estimulantes, la CS funciona como fosfatasa y cataliza la desfosforilación del RR-P. B) SDC con una CS híbrida, que contiene el DT, un DR con un Asp (D) conservado, y un dominio HPt, con una His (H) también conservada. La fosforilación del RR se concreta mediante un fosforelevo. Cuando la señal está ausente, la CS híbrida cataliza la desfosforilación del RR-P mediante un fosforelevo reverso, que termina en la liberación de fosfato inorgánico (Pi). Fuente: elaboración propia.

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Los SDCs son sistemas modulares

Como se mencionó previamente, la transducción de la señal a través de un SDC involucra la transferencia de ~P entre dominios proteicos. Un aspecto interesante del funcionamiento de los SDCs es que cada dominio que los compone opera de manera autónoma e independiente. En algunos sistemas bacterianos, y en la mayoría de los de células eucariotas, la CS híbrida está compuesta sólo por los dominios DT y DR, mientras que el dominio HPt forma parte de una proteína separada. La naturaleza modular de los SDCs se hace evidente en CSs híbridas como ArcB de Escherichia coli, en donde se comprobó que el fosforelevo ocurre de igual manera si los tres dominios (DT, DR y HPt) están formando parte de la misma proteína (ArcB), o si estos se expresan intencionalmente en péptidos separados (Georgellis, Lynch, & Lin, 1997). Esto sugiere que los diferentes dominios catalíticos que componen un SDC han evolucionado de forma que cada uno puede operar de manera autónoma, interactuando con los demás módulos específicos aunque no exista un enlace covalente manteniéndolos en cercanía (Georgellis, Kwon, De Wulf, & Lin, 1998; Georgellis, Lynch, & Lin, 1997).

Dominio transmisor: dimerización y autofosforilación

El dominio transmisor es la parte catalítica de la CS que permite la autofosforilación en un residuo de His conservado. Por función y estructura este módulo proteico está compuesto por dos subdominios: el llamado dominio de dimerización e histidín-fosfo transferencia (DHp), y el dominio catalítico y de unión a ATP (CA) (Figura 2). El primero está formado por dos α-hélices que están unidas por un bucle y en la primera de las hélices se encuentra la His que es fosforilada. El segundo es un dominio globular conformado por 5 láminas β-plegadas flanqueadas por 3 hélices, que contienen el sitio de unión a ATP. Como su nombre lo indica, el dominio DHp permite la formación de dímeros estables y es el responsable de que la gran mayoría de las CSs se encuentren y funcionen al menos como homodímeros (Dutta, Qin, & Inouye, 1999; Levit, Liu, Surette, & Stock, 1996; Tanaka et al., 1998; West & Stock, 2001). Teniendo en cuenta la naturaleza dimérica de las CSs, existen dos modos posibles de autofosforilación: intramolecular (en cis), en donde el ATP unido al dominio CA de un monómero fosforila a la His del dominio DHp del mismo monómero; o intermolecular (en trans), en donde el ATP se une al dominio CA de un monómero para fosforilar a la His del otro monómero. Trabajos pioneros realizados a principios de los años 90 se propusieron averiguar cuál era el modo de autofosforilación en algunas CSs. Para ello, usaron versiones mutantes puntuales de la CS en uno o varios aminoácidos esenciales para la unión del ATP. Como era de esperar, estas CSs eran inactivas tanto in vivo como in vitro, ya que no eran capaces de autofosforilarse. Luego, intentaron complementar funcionalmente a esta mutante, con otra mutante puntual de la misma CS, pero ahora con un reemplazo de la His conservada en el dominio DHp (Figura 2a). En todos los casos, se encontró que los heterodímeros de una CS, con un monómero mutante en la His y el otro mutado en el dominio de unión a ATP (dominio CA), eran capaces de autofosforilarse. Así, se concluyó que las CSs EnvZ, NtrB y CheA se autofosforilan mediante una reacción intermolecular (en trans) (Ninfa, Atkinson, Kamberov, & Ninfa, 1993; Swanson, Bourret, & Simon, 1993; Yang & Inouye, 1991). Posteriormente, se determinó la naturaleza intermolecular de la autofosforilación de otras CSs (Tabla I). Con estos hallazgos, se estableció la noción de que todas las CSs tienen el mismo modo de autofosforilación; además esto le da sentido al hecho de que la gran mayoría de las CSs operan como homodímeros. Sin embargo, diferentes grupos de investigación encontraron recientemente que existe autofosforilación intramolecular en CSs que, a pesar de ello, funcionan también como homodímeros. Este es el caso de las CSs HK853 de Thermotoga maritima, PhoR de Staphylococcus aureus (Casino, Rubio, & Marina, 2009) y ArcB de E. coli (Kinoshita-Kikuta, Kinoshita, Eguchi, & Koike, 2016; Peña-Sandoval & Georgellis, 2010). Por lo tanto, parece que ambos modos de autofosforilación ocurren en cinasas de histidina bacterianas.

Figura 2

Estructura y análisis del dominio transmisor. A) Esquema de un experimento típico de complementación intermolecular para discernir entre una autofosforilación intramolecular o intermolecular. La mezcla o co-expresión de proteínas CSs mutantes en la His conservada y en el domino de unión a ATP (dominio CA) puede resultar en la fosforilación de la CS si la autofosforilación ocurre en trans, o en la formación de dímeros inactivos si la fosforilación ocurre en cis. La mutación puntual está representada por una "X". B) Representación esquemática de los determinantes estructurales para la autofosforilación en trans o en cis. Cada monómero de dominio transmisor, compuesto por dos α-hélices (α1 y α2), que conforman el subdominio DHp, y el subdomino de unión a ATP (CA), se encuentra representado con un tono de gris diferente. La naturaleza del conector entre la α1 y α2 determina la cercanía de la His conservada en la α1 con el dominio CA del mismo o del otro monómero, resultando en una autofosforilación en cis o en trans, respectivamente. Fuente: elaboración propia.

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Tabla I

Características de algunas cinasas sensoras bacterianas.

Cinasa sensora Organismo Autofos-forilación Tipo de sensor Genes / procesos regulados Responde a / señal Referencia
EnvZ E. coli trans Canónico ompC, ompF, fadL, tppB, regulación de la biosíntesis de flagelo y formación de biopelícula. Cambios en la osmolaridad del medio (Yang & Inouye, 1991)
NtrB E. coli trans Canónico Glutamina sintasa, transportadores, permeasas y enzimas catabólicas. Limitación de nitrógeno (Ninfa, Atkinson, Kamberov, & Ninfa, 1993)
AtoS E. coli trans Canónico Metabolismo de ácidos grasos de cadena corta, síntesis flagelar y quimiotaxis Acetoacetato (Filippou, Kasemian, Panagiotidis, & Kyriakidis, 2008)
CheA E. coli trans Canónico Cambios en el "switch" flagelar. Concentración externa del quimioefector (Swanson, Bourret, & Simon, 1993)
AgrC S. aureus trans Canónico Secreción de factores de virulencia Ligando autoinductor (George Cisar, Geisinger, Muir, & Novick, 2009)
VirA A. tumefaciens trans Híbrido Genes del regulón vir involucrados en la transferencia de T-DNA Compuestos fenólicos, acidez, monosacáridos (Brencic, Xia, & Winans, 2004)
RstB E. coli trans Canónico Genes involucrados en la tolerancia al ácido, formación de fimbria y respiración anaeróbica. pH ácido (Ashenberg, Keating, & Laub, 2013)
HK853 T. maritima cis Canónico Desconocido Cambios en pH ambiental (Casino, Rubio, & Marina, 2009)
PhoR S. aureus cis Canónico Hemolisinas Señal desconocida (Casino, Rubio, & Marina, 2009)
ArcB E. coli cis Híbrido Genes del metabolismo respiratorio y fermentativo Poza de quinonas, estado redox. (Peña-Sandoval & Georgellis, 2010)
KinA B. subtilis trans Canónico Regulación de la esporulación. Pocos nutrientes, señal desconocida (Devi, Kiehler, Haggett, & Fujita, 2015)
DesK B. subtilis trans Canónico Gen des, generación de insaturaciones en ácidos grasos. Cambios en la fluidez de la membrana por temperatura (Trajtenberg, Graña, Ruétalo, Botti, & Buschiazzo, 2010)
BvgS B. pertussis trans Híbrido Toxina pertussis, adenilato ciclasa, fimbria y biogénesis del flagelo. Señales desconocidas (Cotter & Jones, 2003)
EvgS E. coli cis Híbrido Genes para la resistencia a pH ácido. pH 5-6, altas concentraciones de metales alcalinos. (Kinoshita-Kikuta, Kinoshita, Eguchi, & Koike, 2016)
BarA E. coli trans Híbrido csrB y csrC Formato, acetato, propionato (Kinoshita-Kikuta, Kinoshita, Eguchi, & Koike, 2016)

Determinantes del modo de autofosforilación, cis o trans.

Diversos estudios demostraron que no todas las CSs se ajustan al paradigma de una autofosforilación en trans, sino que también hay algunas que lo hacen en cis (Tabla I). Por lo tanto, surge la siguiente cuestión: ¿qué determina que una CS se autofosforile en cis o en trans? Mediante la comparación de las estructuras cristalográficas de las regiones citosólicas de EnvZ (trans) y HK853 (cis), el grupo del Dr. Laub identificó una diferencia en la direccionalidad de las 4 α-hélices que se forman cuando los correspondientes dominios DHp dimerizan (Ashenberg, Keating, & Laub, 2013). Esta direccionalidad está dada por un bucle o conector entre las dos α-hélices que conforman el dominio DHp (Figura 2b). La secuencia primaria de aminoácidos y la longitud de este conector no están muy conservadas en las diferentes CSs; sin embargo, mediante la construcción y caracterización de quimeras de EnvZ (se fosforila en trans) con el conector de la CS PhoR (se fosforila en cis), se determinó que la direccionalidad de las α-hélices, determinada por esta pequeña secuencia, es suficiente para determinar el modo de autofosforilación. De esta manera se propuso un modelo que plantea que el posicionamiento de la hélice α-2 hacia la derecha de α-1, determinada por el conector, favorece una autofosforilación en trans, mientras que si la hélice α-2 se orienta hacia la izquierda de la hélice α-1, la fosforilación ocurre en cis (Figura 2b) (Ashenberg, Keating, & Laub, 2013). Sin embargo, la cinasa DesK parece ser la excepción a la regla para este modelo. En DesK, el conector está orientado hacia la izquierda pero los estudios bioquímicos indican que la autofosforilación en esta CS ocurre en trans (Trajtenberg, Graña, Ruétalo, Botti, & Buschiazzo, 2010). Por lo tanto, es posible que otros factores estructurales, que deben ser investigados de manera particular, influyan también en el modo de autofosforilación de una CS.

Transfosforilación del RR y fosforelevo en CSs híbridas

Una vez que un SDC es activado por una señal específica y la CS se autofosforila, la información es transmitida al aparato transcripcional mediante la transfosforilación del RR cognado. Este paso involucra una sola reacción de transferencia del grupo ~P si la CS es canónica. Varios mecanismos aseguran la especificidad de esta reacción, reduciendo la posibilidad de que una CS fosforile a un RR que no sea su cognado (Álvarez, Barba-Ostria, Silva-Jiménez, & Georgellis, 2016). Sin embargo, si el sistema está formado por una CS híbrida, la fosforilación del RR está precedida por dos reacciones de transferencia del grupo ~P entre dominios de la CS (Georgellis, Lynch, & Lin, 1997; Jourlin, Ansaldi, & Mejean, 1997; Kwon, Georgellis, & Lin, 2000; Uhl & Miller, 1996b). Nuevamente, considerando que las CSs híbridas operan también como homodímeros, existen dos posibilidades en cada paso de fosfotransferencia del fosforelevo: inter o intramolecular. En contraste con lo que se pensaba inicialmente del modo de autofosforilación de las CSs (se creía que era siempre intermolecular), desde un inicio se observó que no había patrones establecidos, y que el modo de fosfotransferencia dependía de la CS híbrida de la que se tratase, ya que a fines de los 90 se obtuvieron evidencias de que las transferencias del grupo ~P del DT al DR y del DR al dominio HPt de la CS híbrida BvgS, ocurren en cis y trans, respectivamente (Uhl & Miller, 1996a); mientras que en la CS híbrida TorS se observó que ambos pasos ocurren en trans (Jourlin, Ansaldi, & Mejean, 1997). Además, recientemente se caracterizó el fosforelevo de otras CSs híbridas encontrando diferentes modos de fosfotransferencia (Kinoshita-Kikuta, Kinoshita, Eguchi, & Koike, 2016; Terán-Melo et al., 2018), reforzando la idea de que cada sistema evolucionó adoptando características estructurales particulares que inciden sobre el modo de fosfotransferencia. En cualquier caso, se puede suponer que el patrón de transferencia del grupo ~P entre los dominios catalíticos de una CS híbrida, es producto del acomodamiento de dichos módulos en la estructura tridimensional del homodímero, teniendo en cuenta que para que ocurra la transferencia debe haber una interacción o contacto cercano entre los dominios que intervienen. En contraste con lo que ocurre en la autofosforilación, no se tienen evidencias de que regiones específicas de la proteína, como las que conectan dos dominios catalíticos, determinen el modo de transferencia. La elucidación de la estructura cristalográfica de la porción citosólica de CSs híbridas podría ayudar a entender el por qué una CS híbrida presenta tal o cual modo de transfosforilación. Por el contrario, el conocer la naturaleza de las transferencias de grupos ~P entre dominios de una CS híbrida, puede dar información sobre las características estructurales de esa cinasa. Más adelante en esta revisión se profundizará sobre esta idea con los hallazgos recientes del fosforelevo en la CS híbrida ArcB.

Desfosforilación del RR-P

Cuando la señal específica está presente, una CS se autofosforila y se inicia una serie de eventos que terminan en la regulación de la expresión génica por el RR cognado fosforilado. Cuando las condiciones ambientales cambian y la señal está ausente, el RR-P debe ser rápidamente desfosforilado. La reacción de desfosforilación del RR es un evento importante en las respuestas adaptativas, debido a que es perjudicial para las células seguir teniendo una repuesta a una condición ambiental que ya no existe. En efecto, muchas CSs son bifuncionales, es decir, además de participar en la fosforilación de su RR cognado (actividad cinasa) son capaces de desfosforilar específicamente a al RR-P (actividad fosfatasa) (Gao & Stock, 2009). Esta actividad ha sido observada tanto en CSs canónicas como híbridas. En las primeras, el dominio transmisor participa en la actividad fosfatasa. Sin embargo, se ha descartado que esta actividad se realice mediante una fosfotransferencia reversa, ya que la His conservada en CSs como EnvZ no es esencial para la actividad fosfatasa. Por el contrario, se ha sugerido que la actividad fosfatasa de las CSs canónicas es catalizada por residuos conservados como Gln, Asn o Thr en el dominio transmisor, en un mecanismo muy semejante al utilizado por fosfatasas auxiliares como CheZ y CheX (Huynh, Noriega, & Stewart, 2010). Además de los residuos catalíticos propuestos, la actividad fosfatasa del transmisor también requiere la correcta conformación de éste, así como de las interacciones apropiadas con el dominio receptor del RR. De esta manera, las conformaciones de cinasa y de fosfatasa de una CS deberían ser diferentes y mutuamente excluyentes, existiendo ambas conformaciones en un momento dado en equilibrio dinámico (Huynh & Stewart, 2011). Así, el desplazamiento de este equilibrio hacia una u otra conformación, en respuesta a la presencia o ausencia de la señal específica, determina la relación entre un RR y su forma fosforilada y, por consiguiente, la magnitud de la respuesta fisiológica.

En el caso de las CSs híbridas, el mecanismo de desfosforilación del RR es sustancialmente diferente. En los sistemas BvgS-BvgA de Bordetella pertussis y ArcB-ArcA de E. coli, se ha comprobado tanto in vivo como in vitro que el RR-P es desfosforilado mediante un fosforelevo reverso, que involucra la transferencia del ~P del Asp del RR a la His del HPt, luego al residuo de Asp del DR de la CS híbrida, y finalmente la liberación de fosfato inorgánico (Georgellis, Kwon, De Wulf, & Lin, 1998; Peña-Sandoval, Kwon, & Georgellis, 2005; Uhl & Miller, 1996a). Esto implica que los mismos residuos de Asp (en el DR) e His (en el HPt) de una CS híbrida están involucrados tanto en el fosforelevo como en el fosforelevo reverso, y que la transferencia del grupo ~P entre el domino DR y el HPt es un proceso reversible. Entonces surgen nuevas interrogantes, como ¿qué determina la dirección de esta reacción? y, el modo de transferencia del grupo ~P, entre- o intra- monómeros, ¿se conserva en ambos sentidos?

Fosforelevo y fosforelevo reverso en la CS híbrida ArcB

El sistema ArcB/ArcA de E. coli regula la expresión de una gran cantidad de genes en respuesta al estado redox del medio. Este SDC se encuentra activo en condiciones anaerobias y microaerobias de crecimiento, mientras que se inactiva cuando las células crecen en condiciones aerobias (Álvarez & Georgellis, 2010; Georgellis, Kwon, & Lin, 2001; Lynch & Lin, 1996; Malpica, Sandoval, Rodríguez, Franco, & Georgellis, 2006). ArcB es una cinasa híbrida y ha sido un modelo de estudio para este tipo de sensores, ya que fue uno de los pocos en los que se demostró que existe un fosforelevo y un fosforelevo reverso tanto in vivo como in vitro (Georgellis, Kwon, De Wulf, & Lin, 1998; Georgellis, Lynch, & Lin, 1997; Kwon, Georgellis, & Lin, 2000; Peña-Sandoval, Kwon, & Georgellis, 2005). El estudio del modo de autofosforilación y del de fosfotransferencia en ArcB ha sido abordado recientemente por distintos grupos de investigación y aplicando diferentes estrategias experimentales. Como se comentó anteriormente, se comprobó que ArcB se autofosforila en una reacción intramolecular (Kinoshita-Kikuta, Kinoshita, Eguchi, & Koike, 2016; Peña-Sandoval & Georgellis, 2010), en contra del paradigma instituido hasta ese momento. Pero fue en los pasos del fosforelevo en donde diferentes reportes llegaron a conclusiones disímiles. En un primer reporte, se hicieron ensayos in vivo de complementación de mutantes de ArcB en el fosforelevo (reemplazos puntuales en His292, Asp576 o His717), analizando los resultados con modelos matemáticos y estadísticos. En ningún caso lograron complementar la actividad del sistema al co-expresar dos formas mutantes de ArcB. Incluso, observaron que la co-expresión de una copia mutante en His292, Asp576 o His717 con ArcB silvestre, resultaba en un fenotipo comparable con una cepa mutante en arcB, a pesar de expresarse la copia silvestre. Con estos resultados, los autores concluyeron que las fosfotransferencias en ArcB ocurrirían por un mecanismo cooperativo o alostérico, en el que todos los sitios fosforilables de un dímero de ArcB deben ser funcionales para que ocurra el fosforelevo (Jovanovic et al., 2015), ya que ni transferencias en trans ni en cis del grupo ~P explicaban los resultados obtenidos. En contraste, en un trabajo posterior en el que se analizó la capacidad de complementación de mutantes del fosforelevo de ArcB in vitro, se sugirió que las dos transferencias de fosfato ocurren de manera intermolecular (trans) (Kinoshita-Kikuta, Kinoshita, Eguchi, & Koike, 2016). En este caso, la fosforilación de los péptidos purificados se observó mediante el retardo en la migración de las formas fosforiladas en geles de poliacrilamida con un componente comercial denominado Phos-tag (Wako Pure Chemical Industries, Osaka, Japan). Ya que este método tiene una sensibilidad y reproducibilidad limitada, y requiere del uso de grandes concentraciones de proteína, los resultados reportados no fueron concluyentes. Finalmente, en un trabajo reciente de nuestro grupo, se abordó el estudio de los pasos del fosforelevo en ArcB, incluyendo, además, el paso del domino HPt al DR durante la desfosforilación de ArcA (fosforelevo reverso). En este caso se evaluó la capacidad de completar un fosforelevo funcional in vivo, de distintas mutantes en el fosforelevo de ArcB (simples y múltiples) expresadas y co-expresadas a niveles silvestres, a fin de evitar efectos fisiológicos indeseables producto de una sobreexpresión del sensor. También se analizó la complementación de mutantes in vitro, evaluando la fosforilación de la proteína ArcA (destino final del grupo ~P en el fosforelevo), o la desfosforilación de ArcA-P, mediante el uso y detección de 32P. Los resultados de ambas estrategias experimentales comprobaron que la transferencia del grupo ~P desde el DT al DR es intramolecular (cis), y del DR al HPt es intermolecular (trans), mientras que el paso reverso desde el HPt al DR de ArcB es una fosfotransferencia intramolecular (cis) (Figura 3). Esto sugiere que la conformación de los dímeros de ArcB al actuar como cinasa aproxima los dominios DR y HPt de monómeros adyacentes (transferencia en trans), mientras que la estructura de dímeros de ArcB en estado de fosfatasa (en ausencia de la señal) empareja los dominios DR y HPt de un mismo monómero (transferencia en cis) (Figura 3). A su vez, podría imaginarse que estas conformaciones, mutuamente excluyentes y probablemente en un equilibrio dinámico, favorecidas por la presencia o la ausencia de la señal, determinan la dirección del grupo fosforilo hacia ArcA o hacia la liberación como fosfato inorgánico. Podría esperarse que otras CSs híbridas operasen de manera similar, dirigiendo el grupo ~P hacia uno u otro destino de acuerdo con conformaciones estructurales que determinen fosfotransferencias intra o intermoleculares. Ya que no existen evidencias del modo de transferencia del grupo ~P en el fosforelevo reverso para otra CS híbrida, lo anterior queda hasta el momento como una especulación.

Figura 3

Modos de autofosforilación y transferencias del grupo fosforilo en la CS híbrida ArcB durante la activación e inactivación del sistema. Cuando las condiciones son estimulantes, ArcB actúa como cinasa y se autofosforila mediante una reacción intramolecular (cis). Luego transfiere el grupo ~P desde el DT al DR en cis, y del DR al HPt en trans. El paso reverso a esta última transferencia, cuando ArcB funciona como fosfatasa de ArcA, ocurre en cis. Fuente: elaboración propia.

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Conclusiones

Los sistemas de dos componentes, basados en fosforilaciones y transferencias de grupos fosforilo entre residuos de His y Asp, son la principal vía de comunicación de las células bacterianas con su entorno. Desde la detección de una señal específica hasta la generación de una respuesta fisiológica, ocurren una serie de eventos que aseguran la eficiencia y fidelidad en la transducción de la señal. La transferencia de grupos ~P entre dominios de un SDC es parte de un mecanismo común para todos estos sistemas, y sin embargo, exhibe diferencias importantes entre sistemas particulares. El conocer la naturaleza de las transferencias de ~P entre módulos de una CS híbrida brinda la oportunidad de predecir características estructurales de estas proteínas, así como diferencias entre las formas activas e inactivas de las mismas, que determinan la dirección del ~P y, en última instancia, modulan la respuesta adaptativa.

Agradecimientos

Los autores agradecen a la Dirección General de Asuntos del Personal Académico (DGAPA) de la UNAM, por el apoyo financiero a los proyectos IN209918 y IN208718. Juan Luis Terán Melo agradece al CONACYT por la beca de doctorado otorgada.

Referencias

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