Regulación de la homeostasis de hierro y hemo en bacterias: el sistema de señalización HemK-HemR de Leptospira

Abstract

Los sistemas de dos componentes (SDCs) son vías de señalización que regulan procesos biológicos importantes en bacterias. Trabajos previos sugieren que el SDC HemK-HemR (HemKR), presente en el género de bacterias espiroquetas Leptospira, juega un rol importante en la homeostasis del hemo. El regulador de respuesta HemR es un factor de transcripción que se une a promotores de genes que codifican para enzimas reguladoras del metabolismo de hemo. El estado de fosforilación de HemR es específicamente dictado por la histidín-quinasa HemK, determinante del encendido o apagado de la vía. Sin embargo, la señal que enciende o apaga a HemK era hasta ahora desconocida. En este trabajo, se emplearon aproximaciones microbiológicas, moleculares y bioquímicas para evaluar los mecanismos por los que HemKR regula el metabolismo de hemo en el organismo modelo Leptospira biflexa; en particular, se buscó dilucidar la señal que regula la actividad de HemK, y cómo HemR regula la transcripción de sus genes diana a partir de la detección de dicha señal. Los resultados obtenidos indicaron que el ácido 5-aminolevulínico (5ALA), un precursor metabólico clave para la biosíntesis de hemo, gatilla la inactivación de HemKR: se observó que el 5ALA induce la desfosforilación HemK-dependiente de HemR, resultando en la represión de la expresión de genes que codifican para las enzimas biosintéticas y de adquisición de hemo; y simultáneamente, la activación de la expresión del gen de la hemo-oxigenasa, que degrada hemo. La caracterización fenotípica de L. biflexa knockout para hemKR- (aquí denominada ΔHemKR) permitió profundizar en el análisis funcional. ΔHemKR es más tolerante a condiciones de deficiencia de hierro en cultivo, y también, secreta significativamente más metabolitos porfirínicos al medio extracelular comparado con la bacteria salvaje. Integrando todos los datos obtenidos, este trabajo propone un modelo mecanístico en el cual HemKR juega un rol importante en asegurar la homeostasis de hierro/hemo en Leptospira. Dado que la hemo-oxigenasa es un factor de virulencia en especies patógenas de Leptospira, HemKR emerge también como un sistema relevante en términos de regulación de la patogenicidad. Finalmente, se caracterizó bioquímicamente e in silico una tercera proteína, HemX, codificada en las proximidades de hemKR en L. biflexa; los resultados obtenidos sugieren fuertemente un rol de HemX en el combate al estrés oxidativo en Leptospira.