Proteína 1 de la membrana del eritrocito de Plasmodium falciparum - Plasmodium falciparum erythrocyte membrane protein 1

La proteína de membrana de eritrocitos de Plasmodium falciparum 1 ( PfEMP1 ) es una familia de proteínas presentes en la superficie dela membrana de los glóbulos rojos (glóbulos rojos o eritrocitos) que están infectados por el parásito de la malaria Plasmodium falciparum . La PfEMP1 se sintetiza durante la etapa sanguínea del parásito( esquizogonía eritrocítica) dentro de los glóbulos rojos, durante la cualse manifiestanlos síntomas clínicos de la malaria falciparum . Actuando como antígeno y comoproteína de adhesión , se cree que juega un papel clave en el alto nivel de virulencia asociado con P. falciparum . Fue descubierto en 1984 cuando se informó que los glóbulos rojos infectados tenían proteínas de membrana celular de tamaño inusualmente grande, y estas proteínas teníanpropiedades de unión a anticuerpos (antigénicas). Una proteína elusiva, su estructura química y propiedades moleculares se revelaron solo después de una década, en 1995. Ahora se establece que no hay una, sino una gran familia de proteínas PfEMP1, genéticamente reguladas (codificadas) por un grupo de aproximadamente 60 genes llamados var . Cada P. falciparum es capaz de activar y desactivargenes var específicospara producir una proteína funcionalmente diferente , evadiendo así el sistema inmunológico del huésped. Los glóbulos rojos que llevan PfEMP1 en su superficie se adhieren a las células endoteliales , lo que facilita la unión adicional con los glóbulos rojos no infectados (a través de los procesos de secuestro y formación de rosetas), lo que finalmente ayuda al parásito a propagarse a otros glóbulos rojos y provoca los síntomas fatales de P. falciparum malaria.

Introducción

Imágenes de glóbulos rojos infectados por P. falciparum utilizando microscopía de fuerza atómica. (A) Un esquizonte temprano con un grupo de protuberancias en el centro. Barra de escala = 1 μm. El recuadro es la misma imagen bajo microscopio óptico. (B) Un trofozoíto joven con protuberancias. Barra de escala = 1 μm. (C) Un primer plano de la membrana celular que muestra las perillas individuales. Barra de escala = 200 nm. (D) Un primer plano de una sola perilla. Barra de escala = 75 nm.

La malaria es la más mortal entre las enfermedades infecciosas, y representó aproximadamente 429.000 muertes humanas en 2015 según la última estimación de la Organización Mundial de la Salud . En los seres humanos, la malaria puede ser causada por cinco parásitos Plasmodium , a saber, P. falciparum , P. vivax , P. malariae , P. ovale y P. knowlesi . P. falciparum es la especie más peligrosa, atribuida a> 99% del número de muertes por malaria, y el 70% de estas muertes ocurren en niños menores de cinco años. Los parásitos se transmiten a través de la picadura de mosquitos hembra (de la especie Anopheles ). Antes de invadir los glóbulos rojos y causar los síntomas de la malaria, los parásitos primero se multiplican en el hígado. Los parásitos hijos llamados merozoitos solo infectan los glóbulos rojos. Sufren un desarrollo estructural dentro de los glóbulos rojos, convirtiéndose en trofozoítos y esquizontes. Es durante este período cuando se producen los síntomas de la malaria.

A diferencia de los glóbulos rojos infectados por otras especies de Plasmodium , se sabía que los glóbulos rojos infectados por P. falciparum se pegaban espontáneamente. A principios de la década de 1980, se estableció que cuando el parásito (tanto el trofozoíto como el esquizonte) ingresa al torrente sanguíneo e infecta los glóbulos rojos, las células infectadas forman protuberancias en su superficie. Luego se vuelven pegajosos y se adhieren a las paredes (endotelio) de los vasos sanguíneos a través de un proceso llamado citoadhesión o citoadherencia. Tal unión favorece la unión y la acumulación de otros glóbulos rojos. Este proceso se conoce como secuestro. Es durante esta condición que los parásitos inducen una respuesta inmune (reacción antígeno-anticuerpo) y evitan la destrucción en el bazo. Aunque el proceso y la importancia del secuestro fueron descritos en detalle por dos médicos italianos Amico Bignami y Ettore Marchiafava a principios de la década de 1890, tomó un siglo descubrir el factor real de la viscosidad y la virulencia.

Descubrimiento

PfEMP1 fue descubierto por Russell J. Howard y sus colegas en los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. En 1984. Usando las técnicas de radioyodación e inmunoprecipitación , encontraron un antígeno único pero aún desconocido de los glóbulos rojos infectados por P. falciparum que parecía causar la unión con otras celdas. Dado que la proteína antigénica solo se pudo detectar en células infectadas, afirmaron que la proteína fue producida por el parásito de la malaria y no por los glóbulos rojos. El antígeno era grande y parecía tener un tamaño diferente en diferentes cepas de P. falciparum obtenidas del mono nocturno ( Aotus ). En una cepa, llamada Camp (de Malasia), se encontró que el antígeno tenía un tamaño molecular de aproximadamente 285 kDa; mientras que en el otro, llamado Santa Lucía (de El Salvador), fue de aproximadamente 260 kDa. Ambos antígenos se unen a células cultivadas de cáncer de piel ( melanoma ). Pero los investigadores no pudieron confirmar si la proteína era realmente una molécula de adhesión a la pared de los vasos sanguíneos. Más tarde, en el mismo año, descubrieron que el antígeno desconocido estaba asociado solo con glóbulos rojos que tenían pequeños bultos llamados protuberancias en su superficie. El primer antígeno de glóbulos rojos humanos se informó en 1986. El equipo de Howard descubrió que los antígenos de los niños de Gambia, que padecían paludismo por P. falciparum, eran similares a los de los glóbulos rojos del mono nocturno. Determinaron que los tamaños moleculares de las proteínas oscilaban entre 250 y 300 kDa.

En 1987, descubrieron otro tipo de antígeno de superficie de las mismas cepas de parásitos de la malaria de Camp y St. Lucia. Ésta también era una proteína de gran tamaño de aproximadamente 300 kDa, pero bastante diferente de los antígenos reportados en 1984. La nueva proteína no pudo unirse a las células del melanoma y estaba presente solo dentro de la célula. Por lo tanto, nombraron a la proteína anterior proteína de membrana de eritrocitos de Plasmodium falciparum 1 (PfEMP1), para distinguirla de la proteína de membrana de eritrocitos de Plasmodium falciparum 2 (PfEMP2) recientemente identificada . La distinción se confirmó el próximo año, con una información adicional de que PfEMP1 es relativamente menor en número.

Aunque algunas de las propiedades de PfEMP1 se establecieron firmemente, la proteína fue difícil de aislar debido a su baja ocurrencia. Cinco años después de su descubrimiento, uno de los investigadores originales, Irwin Sherman, comenzó a dudar de la existencia de PfEMP1 como proteína única. Argumentó que el antígeno podría ser simplemente una proteína de superficie de los glóbulos rojos que cambia tras la infección con parásitos de la malaria. Se alcanzó un consenso en 1995 tras la identificación (mediante clonación ) del gen de PfEMP1. El descubrimiento de los genes fue informado de forma independiente por el equipo de Howard y otros dos equipos del NIH. El equipo de Howard identificó dos genes para PfEMP1, y se demostró que los productos de proteínas recombinantes de estos genes tienen propiedades antigénicas y adhesivas. Afirmaron además que PfEMP1 es la molécula clave en la capacidad de P. falciparum para evadir el sistema inmunológico del huésped. Joseph D. Smith y otros demostraron que PfEMP1 es en realidad una gran familia de proteínas codificadas por una familia multigénica llamada var . Los productos génicos pueden unirse a una variedad de receptores, incluidos los de las células endoteliales. Xin-Zhuan Su y otros demostraron que podría haber más de 50 genes var distribuidos en diferentes cromosomas del parásito de la malaria.

Estructura

Estructura típica de PfEMP1. NTS = segmento terminal N. TMD = dominio transmembrana. ATS = segmento terminal ácido intracelular.

PfEMP1 es una gran familia de proteínas que tienen altos pesos moleculares que oscilan entre 200 y 350 kDa. El amplio rango de tamaño molecular refleja una variación extrema en la composición de aminoácidos de las proteínas. Pero se puede describir que todas las proteínas PfEMP1 tienen tres componentes estructurales básicos, a saber, un dominio extracelular (ECD), un dominio transmembrana (TMD) y un segmento terminal ácido intracelular (ATS). El dominio extracelular está completamente expuesto en la superficie celular y es la región más variable. Consiste en varios subdominios, incluido un segmento N terminal (NTS) corto y conservado en la región más externa, seguido de un dominio de tipo de unión a Duffy (DBL) altamente variable , a veces un dominio C2 de unión a Ca ²⁺ y luego una o dos regiones interdominio ricas en cisteína (CIDR).

Los dominios de tipo de unión a Duffy se denominan así debido a su similitud con las proteínas de unión a Duffy de P. vivax y P. knowlesi . Hay seis tipos variantes de DBL, denominados DBLα, DBLβ, DBLγ, DBLδ, DBLε y DBLζ. CIDR también se divide en tres clases: CIDRα, CIDRβ y CIDRγ. Tanto DBL como CIDR tienen un tipo adicional llamado PAM, llamado así debido a su participación específica en la malaria asociada al embarazo (PAM). A pesar de las diversas proteínas DBL y CIDR, la región amino terminal extracelular está parcialmente conservada y consta de aproximadamente 60 aminoácidos de NTS, una de cada una de las proteínas DBLα y CIDR1 en tándem. Esta región DBLα-CIDR1 semiconservada se denomina estructura de la cabeza. La última región CIDR se une al TMD, que está incrustado en la membrana celular. El TMD y el ATS están altamente conservados entre diferentes PfEMP1, y sus estructuras se han resuelto mediante RMN en solución ( PDB : 2LKL ).

A la estructura de la cabeza le sigue una combinación variable de diversas proteínas DBL y CIDR, y en muchos casos junto con C2. Esta variación da lugar a diferentes tipos de PfEMP1. La combinación DBL-CIDR en un tipo particular de proteína PfEMP1 nunca es aleatoria, sino que está organizada en secuencias específicas conocidas como casetes de dominio. En algunos casetes de dominio, solo hay dos o pocos dominios DBL y dominios CIDR, pero en otros cubren toda la longitud de PfEMP1. Estas diferencias son responsables de la diferente capacidad de unión entre diferentes PfEMP1. Por ejemplo, entre los tipos más conocidos, VAR3 (anteriormente llamado tipo 3 PfEMP1) es el más pequeño, y consta únicamente de NTS con dominios DBL1α y DBL2ε en el ECD. Su tamaño molecular es de aproximadamente 150 kDa. En el tipo de casete de dominio (DC) 4, el ECD está formado por tres dominios DBLα _{1.1 / 1.4} , CIDRα _1.6 y DBLβ ₃ . El dominio DBLβ ₃ contiene un sitio de unión para la molécula de adhesión intercelular 1 ( ICAM1 ). Esto está particularmente relacionado con el desarrollo de infecciones cerebrales. VAR2CSA es atípico al tener un casete de dominio único que consta de tres dominios _PAM DBL N terminales seguidos de tres dominios DBLε y un _PAM CIDR . Los siete dominios siempre ocurren juntos. El NTS habitual está ausente. La proteína se une específicamente al sulfato de condroitina A (CSA); de ahí el nombre VAR2CSA.

Síntesis y transporte

Modelo de una estructura de botón de glóbulos rojos infectados con P. falciparum que muestra la unión de PfEMP1.

Las proteínas PfEMP1 están reguladas y producidas (codificadas) por aproximadamente 60 genes var diferentes , pero un P. falciparum individual activaría solo un gen var a la vez para producir solo un tipo de PfEMP. Los genes var se distribuyen en dos exones . El exón 1 codifica los aminoácidos del ECD altamente variable, mientras que el exón 2 codifica los del TMD y el ATS conservados. Según su ubicación en el cromosoma y la secuencia, los genes var se clasifican generalmente en tres grupos principales, A, B y C, y dos grupos intermedios, B / A y B / C; oa veces simplemente en cinco clases, upsA , upsB , upsC , upsD y upsE respectivamente. Los grupos A y B se encuentran hacia la región del extremo terminal ( subtelomérico ) del cromosoma, mientras que el grupo C está en la región central ( centromérica ).

Una vez que la proteína PfEMP1 está completamente sintetizada ( traducida ), se transporta al citoplasma hacia la membrana de los glóbulos rojos. El NTS es crucial para tal movimiento direccional. Dentro del citoplasma, la proteína recién sintetizada se une a una vesícula membranosa similar a Golgi llamada hendidura de Maurer . Dentro de las hendiduras de Maurer hay una familia de proteínas llamadas proteínas subteloméricas intercaladas helicoidales de Plasmodium ( PHIST ). De las proteínas PHIST, PFI1780w y PFE1605w se unen al ATS intracelular de PfEMP1 durante el transporte a la membrana de RBC.

La molécula de PfEMP1 se deposita en la membrana de RBC en las perillas. Estas protuberancias se identifican fácilmente como protuberancias visibles en los glóbulos rojos infectados desde la etapa temprana del trofozoíto en adelante. El parásito de la malaria no puede inducir su virulencia en los glóbulos rojos sin protuberancias. Se distribuyen hasta 10.000 protuberancias por toda la superficie de un eritrocito maduro infectado, y cada protuberancia tiene un diámetro de 50 a 80 nm. La exportación de pfEMP1 desde la hendidura de Maurer a la membrana de los eritrocitos está mediada por la unión de otra proteína producida por el parásito llamada proteína rica en histidina asociada a la protuberancia ( KAHRP ). KAHRP mejora la rigidez estructural de los glóbulos rojos infectados y la adhesión de PfEMP1 en las perillas. También es directamente responsable de la formación de protuberancias, como lo indica el hecho de que los parásitos de la malaria deficientes en el gen kahrp no forman protuberancias. Para formar una perilla, KAHRP agrega varias proteínas esqueléticas de membrana de los glóbulos rojos del huésped, como espectrina , actina , anquirina R y el complejo espectrina-actina banda 4.1. Al llegar al botón, PfEMP1 se une a la red de espectrina utilizando las proteínas PHIST.

Función

Modelo de unión de RBC y WBC infectados por P. falciparum a células endoteliales.

La función principal de PfEMP1 es unir y unir los glóbulos rojos a la pared de los vasos sanguíneos. Las propiedades de unión más importantes de P. falciparum conocidas hasta la fecha están mediadas por la estructura principal de PfEMP1, que consta de dominios DBL y CIDR. Los dominios DBL pueden unirse a una variedad de receptores celulares que incluyen trombospondina (TSP), receptor del complemento 1 (CR1), condroitín sulfato A (CSA), P-selectina , receptor de proteína C endotelial (EPCR) y heparán sulfato . El dominio DBL adyacente a la estructura de la cabeza se une a ICAM-1. Los CIDR se unen principalmente a una gran variedad de determinantes de grupo 36 ( CD36 ). Estas uniones producen las características patogénicas del parásito, como el secuestro de células infectadas en diferentes tejidos, la invasión de glóbulos rojos y la agrupación de células infectadas mediante un proceso llamado formación de rosetas.

El sitio de unión a glóbulos rojos de PfEMP1. (A) La estructura de la cabeza (malva = región NTS, gris = DBL1α1, naranja = CIDR1γ) con el grupo sanguíneo A acoplado (barras verde-azul-negras) y moléculas de heparina (barras amarillo-negras). (B) Detalle del sitio de unión a glóbulos rojos con moléculas unidas (amarillo = C, azul = N, rojo = O).

La proteína CIDR1 en la estructura de la cabeza semiconservada es el sitio de adhesión principal y mejor entendido de PfEMP1. Se une a CD36 en células endoteliales. Solo las proteínas de los grupos B y C pueden unirse, y eso también con solo aquellas que tienen tipos de secuencia CIDRα2-6. Por otro lado, las proteínas del grupo A tienen CIDRα1 o CIDRβ / γ / δ, y son responsables de la afección más grave de la malaria. La unión con ICAM-1 se logra a través del dominio DBLβ adyacente a la estructura de la cabeza. Sin embargo, muchas PfEMP1 que tienen dominio DBLβ no se unen a ICAM-1, y parece que solo el DBLβ emparejado con el dominio C2 puede unirse a ICAM-1. El par en tándem DBLα-CIDRγ es el factor principal para la formación de rosetas, uniendo los glóbulos rojos infectados con las células no infectadas y, por lo tanto, la obstrucción de los vasos sanguíneos. Esta actividad se realiza mediante la unión con CR1.

La infección por malaria más peligrosa está en el cerebro y se llama malaria cerebral. En la malaria cerebral, las proteínas PfEMP1 implicadas son DC8 y DC13. Reciben el nombre de la cantidad de casetes de dominio que contienen y son capaces de unirse no solo a las células endoteliales del cerebro, sino también a diferentes órganos, incluidos el cerebro, los pulmones, el corazón y la médula ósea. Inicialmente, se asumió que PfEMP1 se une a ICAM-1 en el cerebro, pero se encontró que DC8 y DC13 eran incompatibles con ICAM-1. En su lugar, DC8 y DC13 se unen específicamente a EPCR usando subtipos de CIDRα como CIDRα _1.1 , CIDRα _1.4 , CIDRα _1.5 y CIDRα _1.7 . Sin embargo, más tarde se demostró que DC13 puede unirse tanto a ICAM-1 como a EPCR. El EPCR es, por tanto, una vacuna potencial y un objetivo farmacológico en la malaria cerebral.

VAR2CSA es único porque es producido principalmente por la placenta durante el embarazo (la condición llamada malaria asociada al embarazo , PAM o malaria placentaria). Por tanto, la mayor parte de PAM se debe a VAR2SCA. A diferencia de otras PfEMP1, VAR2CSA se une al condroitín sulfato A presente en el endotelio vascular de la placenta. Aunque sus dominios individuales pueden unirse a CSA, su estructura completa se usa para la unión completa. La principal complicación de la PAM son los bebés con bajo peso al nacer. Sin embargo, las mujeres que sobrevivieron a la primera infección generalmente desarrollan una respuesta inmunitaria eficaz. En las regiones africanas prevalentes de P. falciparum , las mujeres embarazadas contienen altos niveles de anticuerpos ( inmunoglobulina G o IgG) contra VAR2CSA, que las protegen del parásito de la malaria que ataca la placenta. Se destacan por dar a luz a bebés más pesados.

Importancia clínica

En un sistema inmunológico humano normal, el parásito de la malaria que se une a los glóbulos rojos estimula la producción de anticuerpos que atacan las moléculas PfEMP1. La unión del anticuerpo con PfEMP1 inhabilita las propiedades de unión de los dominios DBL, provocando la pérdida de adhesión celular y la destrucción de los glóbulos rojos infectados. En este escenario, se evita la malaria. Sin embargo, para evadir la respuesta inmune del huésped, diferentes P. falciparum activan y desactivan diferentes genes var para producir PfEMP1 funcionalmente diferentes (antigénicamente distintos). Cada tipo de variante de PfEMP1 tiene una propiedad de unión diferente y, por lo tanto, no siempre es reconocido por los anticuerpos.

De forma predeterminada, todos los genes var del parásito de la malaria están desactivados. La activación ( expresión génica ) de var se inicia tras la infección de los órganos. Además, en cada órgano solo se activan genes var específicos . La gravedad de la infección está determinada por el tipo de órgano en el que se produce la infección, por lo tanto, el tipo de gen var activado. Por ejemplo, en los casos más graves de paludismo, como el paludismo cerebral, solo se activan los genes var para las proteínas DC8 y DC13 de PfEMP1. Tras la síntesis de DC8 y DC13, sus dominios _{α1 de} CIDR se unen a EPCR, lo que provoca la aparición de paludismo grave. La abundancia de productos génicos ( transcripciones ) de estas proteínas PfEMP1 (específicamente las transcripciones del subtipo _{α1 de} CIDR ) se relaciona directamente con la gravedad de la enfermedad. Esto indica además que prevenir la interacción entre CIDR _α1 y EPCR sería un buen objetivo para una posible vacuna. En el paludismo asociado al embarazo, otro tipo grave de paludismo falciparum, el gen de VAR2CSA (llamado var2csa ) se activa en la placenta. La unión de VAR2CSA a CSA es la causa principal de parto prematuro, muerte del feto y anemia grave en la madre. Esto indica que los medicamentos dirigidos a VAR2CSA podrán prevenir los efectos de la malaria y, por esta razón, VAR2CSA es el principal candidato para el desarrollo de una vacuna PAM.

Referencias

Este artículo fue adaptado de la siguiente fuente bajo una licencia CC BY 4.0 ( 2017 ) ( informes de los revisores ): Kholhring Lalchhandama (2017). "Proteína 1 de membrana de eritrocitos de Plasmodium falciparum" (PDF) . WikiJournal de Medicina . 4 (1). doi : 10.15347 / WJM / 2017.004 . ISSN  2002-4436 . Wikidata  Q43997683 .