METALOTIONEÍNAS, PROTEÍNAS IMPORTANTES PARA SU APROVECHAMIENTO EN LA ECOLOGÍA

Por: Mónica Muñoz1, Rogelio Rodríguez2, Diana Sánchez1 y Eric Hernández1.

1Red de Estudios Moleculares Avanzados, Instituto de Ecología A.C. Facultad de Química.

2Departamento de Bioquímica, Facultad de Química, Universidad Nacional Autónoma de México, Ciudad de México

 

Agradecimientos

Se agradece al CONACyT que hizo posible esta investigación a través del financiamiento del proyecto 292399 FORDECyT-PRONACES. “Generación de estrategias científico-tecnológicas con un enfoque multidisciplinario e interinstitucional para afrontar la amenaza que representan los complejos ambrosiales en los sectores agrícola y forestal de México”.

 

Resumen

Los metales pesados son requeridos por los seres vivos para algunas funciones celulares, sin embargo, algunos metales como el mercurio y el plomo pueden ejercer efectos nocivos. Debido a una elevada actividad antropogénica, se registra una alta contaminación por metales pesados en muchos ambientes naturales. Afortunadamente los seres vivos cuentan con mecanismos que les ayuda a lidiar con este problema de toxicidad y algunos de estos mecanismos incluyen la participación de unas proteínas conocidas como metalotioneínas. Actualmente en el INECOL estamos interesados en estudiar estas proteínas en hongos fitopatógenos con el propósito de entender su participación en los procesos de patogenicidad y su relación en la tolerancia a metales pesados.

 

Palabras clave

Metales pesados, metalotioneínas, Fusarium kuroshium

 

Artículo

Figura 1. Representación de la estructura tridimensional de algunas proteínas caracterizadas por emplear metales para su función. El código en mayúsculas indica el registro de acceso de la proteína. Las figuras fueron elaboradas por los autores empleando la información disponible en el Banco de Datos sobre Proteínas (https://www.rcsb.org).

Los metales pesados (MeP) están formados por un grupo de elementos químicos que poseen una alta densidad en su forma pura (mayor a 4 g/cm3), pero forman minerales en la naturaleza. Algunos de ellos como hierro (Fe), cobalto (Co), cobre (Cu), manganeso (Mg), molibdeno (Mo) y zinc (Zn) son requeridos en pequeñas cantidades por los organismos vivos como componentes estructurales de las proteínas o para la función correcta de numerosas enzimas1 (Figura 1). Recordando que, las enzimas son proteínas que funcionan como catalizadores de reacciones bioquímicas.

 

Otros metales como el mercurio (Hg), plomo (Pb), cromo (Cr), arsénico (As), cadmio (Cd) y uranio (U) son tóxicos, ejercen efectos nocivos sobre los seres vivos y les causan daños como: interrupción de la división celular, ruptura de las membranas celulares, inhibición del crecimiento2, alteración de la estructura y la función de muchas proteínas, mediando su agregación patológica. Asimismo, se reconoce que los MeP disminuyen la viabilidad de las células en animales3, son causantes de cambios en la actividad enzimática antioxidante en plantas3 y de forma interesante, son responsables de afectar la supervivencia y las tasas de crecimiento, de los peces en poblaciones naturales y también en muestras producidas en laboratorio4.

 

 

Figura 2. Mecanismos utilizados por las bacterias para combatir la toxicidad provocada por los metales pesados. Algunos iones metálicos pueden ser atrapados en el interior de sustancias poliméricas extracelulares (EPS; 1), o intracelulares como las metalotioneínas (MT; 2) y otros quelantes endógenos. Pueden ser exportados activamente por transportadores (4), antes o después de su conversión enzimática (3), la cual también puede conducir a su inmobilización intracelular (5,6,7; Adaptado de Chatterjee et al., 2020).

Como consecuencia de la elevada actividad antropogénica, así como un uso excesivo de compuestos químicos en la agricultura3, actualmente se registra un importante incremento de la contaminación por MeP en los ambientes marinos y terrestres5, destacando el mercurio (Hg), cadmio (Cd), plomo (Pb) y cromo (Cr) por su alta toxicidad. Afortunadamente los seres vivos tanto eucariontes como procariontes, han desarrollado diversas estrategias para enfrentar concentraciones nocivas de estos MeP (ejemplo en las bacterias; Figura 2).

 

Como se muestra en la Figura 2, una de las estrategias que emplean los organismos para contrarrestar la toxicidad por MeP es el uso de las metalotioneínas (MTs) una familia de proteínas que se caracteriza por ser ubicuas en la naturaleza, tener una masa molecular pequeña, presentar un alto porcentaje de cisteínas (15-33%) y una fuerte afinidad de unión a metales6–10 (Figura 3).

Figura 3. Metalotioneínas de diversos hongos. En el panel A se muestra una comparación de las secuencias de las proteínas de varias metalotioneínas de hongos. Los aminoácidos que son iguales (conservados) se indican en color rojo y los aminoácidos cisteínas se marcan con flechas de color verde. En el panel B se esquematiza una interacción entre un hongo patógeno y una planta. Las plantas pueden utilizar sus reservas de metales para limitar el crecimiento del hongo; mientras el hongo podría utilizar sus MTs para secuestrar estos metales y establecer la infección. En C se muestra la representación de la estructura tridimensional para la metalotioneína de la levadura del pan (Saccharomyces cerevisiae).

 

¿Qué papel juegan estas proteínas en los hongos?—En los estudios más actuales, con el modelo de la levadura del pan (Saccharomyces cerevisiae), se sabe que las MTs son importantes como reservorio de metales esenciales y que le ayudan a combatir la toxicidad de MeP y el estrés oxidativo5. En otros hongos, las MTs se han relacionado con la protección contra MeP como (Cd), al igual que con el manejo de los niveles de metales esenciales como (Cu) y (Zn)11. Debido a que un gran porcentaje de patógenos tanto en humanos como de plantas son hongos, son de hacer notar los estudios que revelan la relación funcional entre las MTs y el proceso de infección que los hace patogénicos (Figura3). Por ejemplo, Magnaporthe grisea es un hongo que infecta y daña a las hojas de arroz. En este hongo hay una metalotioneína escencial para la formación de la estructura infectiva del hongo, sin la cual, es incapaz de causar enfermedad al arroz12. En otros ejemplos las evidencias sugieren que los hongos son capaces de utilizar las MTs para protegerse y favorecer la infección13–15. Sin embargo, a pesar de sus sorprendentes propiedades, son escasos los trabajos sobre las funciones de las MTs en la patogénesis de hongos filamentosos y en otros organismos.

 

¿Qué aplicaciones potenciales se proponen para las MTs?—A pesar de que su estudio no es completo, ya se les propone como moléculas biomarcadoras de contaminación acuática, se ha planteado que pueden ser producidas en gusanos de tierra y aplicada así a la detoxificación de campos agrícolas cercanos a zonas industriales en la India16. Además, las plantas transgénicas sobrexpresando MTs son capaces de tolerar mejor la contaminación por MeP17. Desde el punto de la biotecnología, por un lado, Irvine18 y colaboradores desarrollaron recientemente un biosensor a base de MTs para detectar arsénico y mercurio y por el otro, las MTs están siendo utilizadas en la producción de nano materiales para remover MeP19,20.

 

Figura 4. Esquema de las posibles aplicaciones de las metalotioneínas de los hongos fitopatógenos. Estas proteínas puedan usarse en el campo de la agricultura, la ecología y para la producción de herramientas biotecnológicas.

Actualmente en los laboratorios de Proteómica y Biología molecular de la REMAv del INECOL y en colaboración con el Dr. Rogelio Rodríguez de la Facultad de Química de la UNAM, estamos interesados en estudiar las MTs de hongos fitopatógenos con el propósito inicial de entender su participación en los procesos de patogenicidad. Para ello, se utiliza como modelo de estudio a las MTs del hongo fitopatógeno emergente Fusarium kuroshium. Hemos podido detectar al menos tres MTs en este organismo y una de ellas parece ser esencial para la infección. Por ello, estamos interesados en entender su participación en la patogénesis, así como su papel en la tolerancia del hongo a MeP a través de aproximaciones bioquímicas. Todo ello encaminado a contribuir, en el desarrollo de aplicaciones moleculares que puedan usarse en el campo de la agricultura, la ecología y para la producción de herramientas biotecnológicas (Figura 4).

 

Referencias

1          A. J. Guerra and D. P. Giedroc, in Comprehensive Inorganic Chemistry II, Elsevier, 2013, pp. 35–49.

2          U. M. Engwa GA, Ferdinand PU, Nwalo FN, Poisoning in the Modern World – New Tricks for an Old Dog?, IntechOpen, 2019.

3          Md. K. Hasan, Y. Cheng, M. K. Kanwar, X.-Y. Chu, G. J. Ahammed and Z.-Y. Qi, Frontiers in Plant Science, , DOI:10.3389/fpls.2017.01492.

4          D. G. Sfakianakis, E. Renieri, M. Kentouri and A. M. Tsatsakis, Environmental Research, 2015, 137, 246–255.

5          S. Chatterjee, S. Kumari, S. Rath, M. Priyadarshanee and S. Das, Metallomics, 2020, 12, 1637–1655.

6          M. J. Cismowski, S. S. Narula, I. M. Armitage, M. L. Chernaik and P. C. Huang, Journal of Biological Chemistry, 1991, 266, 24390–24397.

7          E. Carpenè, G. Andreani and G. Isani, Journal of Trace Elements in Medicine and Biology, 2007, 21, 35–39.

8          D. E. K. Sutherland and M. J. Stillman, Metallomics, 2011, 3, 444.

9          T. Yang, Y.-K. Li, M.-L. Chen and J.-H. Wang, Chinese Chemical Letters, 2015, 26, 1496–1501.

10         A. C. S. Cabral, J. Jakovleska, A. Deb, J. E. Penner-Hahn, V. L. Pecoraro and E. Freisinger, JBIC Journal of Biological Inorganic Chemistry, 2018, 23, 91–107.

11         M. Capdevila and S. Atrian, JBIC Journal of Biological Inorganic Chemistry, 2011, 16, 977–989.

12         S. L. Tucker, C. R. Thornton, K. Tasker, C. Jacob, G. Giles, M. Egan and N. J. Talbot, The Plant Cell, 2004, 16, 1575–1588.

13         C. Ding, R. A. Festa, Y.-L. Chen, A. Espart, Ò. Palacios, J. Espín, M. Capdevila, S. Atrian, J. Heitman and D. J. Thiele, Cell Host & Microbe, 2013, 13, 265–276.

14         C. Cabot, S. Martos, M. Llugany, B. Gallego, R. Tolrà and C. Poschenrieder, Frontiers in Plant Science, , DOI:10.3389/fpls.2019.01171.

15         D. Lorenzo-Gutiérrez, L. Gómez-Gil, J. Guarro, M. I. G. Roncero, A. Fernández-Bravo, J. Capilla and L. López-Fernández, Metallomics, 2019, 11, 1230–1240.

16         A. Yuvaraj, M. Govarthanan, N. Karmegam, M. Biruntha, D. S. Kumar, M. Arthanari, R. K. Govindarajan, S. Tripathi, S. Ghosh, P. Kumar, S. Kannan and R. Thangaraj, Chemosphere, , DOI:10.1016/j.chemosphere.2020.129240.

17         Md. K. Hasan, Y. Cheng, M. K. Kanwar, X.-Y. Chu, G. J. Ahammed and Z.-Y. Qi, Frontiers in Plant Science, , DOI:10.3389/fpls.2017.01492.

18         G. Irvine, S. Tan and M. Stillman, Biosensors, 2017, 7, 14.

19         T. Yang, Y.-K. Li, M.-L. Chen and J.-H. Wang, Chinese Chemical Letters, 2015, 26, 1496–1501.

20         Q. Xiao, J. Han, C. Jiang, M. Luo, Q. Zhang, Z. He, J. Hu and G. Wang, ACS Omega, 2020, 5, 2893–2898.

 

 

Leyendas de figura

 

Figura 1. Representación de la estructura tridimensional de algunas proteínas caracterizadas por emplear metales para su función. El código en mayúsculas indica el registro de acceso de la proteína. Las figuras fueron elaboradas por los autores empleando la información disponible en el Banco de Datos sobre Proteínas (https://www.rcsb.org).

 

Figura 2. Mecanismos utilizados por las bacterias para combatir la toxicidad provocada por los metales pesados. Algunos iones metálicos pueden ser atrapados en el interior de sustancias poliméricas extracelulares (EPS; 1), o intracelulares como las metalotioneínas (MT; 2) y otros quelantes endógenos. Pueden ser exportados activamente por transportadores (4), antes o después de su conversión enzimática (3), la cual también puede conducir a su inmobilización intracelular (5,6,7; Adaptado de Chatterjee et al., 2020).

 

Figura 3. Metalotioneínas de diversos hongos. En el panel A se muestra una comparación de las secuencias de las proteínas de varias metalotioneínas de hongos. Los aminoácidos que son iguales (conservados) se indican en color rojo y los aminoácidos cisteínas se marcan con flechas de color verde. En el panel B se esquematiza una interacción entre un hongo patógeno y una planta. Las plantas pueden utilizar sus reservas de metales para limitar el crecimiento del hongo; mientras el hongo podría utilizar sus MTs para secuestrar estos metales y establecer la infección. En C se muestra la representación de la estructura tridimensional para la metalotioneína de la levadura del pan (Saccharomyces cerevisiae).

 

Figura 4. Esquema de las posibles aplicaciones de las metalotioneínas de los hongos fitopatógenos. Estas proteínas puedan usarse en el campo de la agricultura, la ecología y para la producción de herramientas biotecnológicas.

 

Las figuras 3 y 4 fueron concebidas y elaboradas por los autores.