Regulación de la expresión de las toxinas CTX y STX: Estudio in vitro de regulación post-transcripcional de los genes ctx1ab y stx1ab de Vibrio cholerae y Shigella dysenteriae

Abstract

Vibrio cholerae y Shigella dysenteriae, entre otras bacterias enteropatógenas, causan enfermedades gastrointestinales, la segunda causa de muerte en niños menores de cinco años en el mundo. Los sucesos de gastroenteritis que desencadenan dichos microorganismos son mediados por la acción molecular de toxinas secretadas de tipo AB, CTX y STX, respectivamente para V, cholerae y S, dysenteriae. Dichas toxinas causan desbalances iónicos y lisis celular, generando deshidratación, pérdida de electrolitos y nutrientes. El correcto funcionamiento de ambas toxinas requiere una relación estricta de cinco subunidades de la proteína B por cada subunidad A, sin embargo, los mecanismos moleculares que regulan la expresión y mantienen la relación 5:1 entre las subunidades son poco entendidos. El objetivo de este estudio es analizar la regulación post transcripcional de las toxinas CTX y STX mediante aproximaciones experimentales in vitro y usando reacciones libres de células, en un entorno altamente puro y controlado. Nuestros resultados in vitro indican que CTX se expresa de manera más eficiente que STX. En el caso de CTX, la subunidad B tuvo mayor expresión que A, con una relación cercana a 5:1 como visto en estudios previos realizados in vivo. Por el contrario, STX fue sintetizada con baja eficiencia independientemente de la presencia o ausencia de la región codificantes para STXA, desviándose notablemente de una relación activa de 5 B por cada subunidad A. La adición de ppGpp, molécula implicada en la respuesta al estrés en bacterias, resultó en una ligera disminución de la expresión de ambas toxinas. En conclusión, nuestros resultados indican que la relación de 5 a 1 entre B y A de las toxinas CTX de V. cholerae es regulada durante la síntesis de proteínas. Por el contrario, la ausencia de regulación a nivel transcripcional o traduccional de STX del presente estudio in vitro, fue también observada en estudios in vivo, indicando que en la célula existen otros factores que podrían modular la estequiometría de síntesis. Si bien ambas toxinas, CTX y STX, permanecen a la misma familia de exotoxinas, los resultados del presente estudio indican que la regulación de su expresión difiere ampliamente entre ellas. Los resultados aquí reportados brindan nuevas perspectivas para el desarrollo de moléculas inhibidoras, con especial énfasis en perturbar el ribosoma de V, cholerae, para un desbalance en la síntesis de la toxina CTX y así reducir la patogenicidad de la bacteria.

Vibrio cholerae and Shigella dysenteriae, among other enteropathogenic bacteria, cause gastrointestinal diseases, the second cause of death in children under five years of age in the world. The events of gastroenteritis that trigger these microorganisms are mediated by the molecular action of secreted toxins of type AB, CTX and STX, respectively for V. cholerae and S. dysenteriae. These toxins cause ionic imbalances and cell lysis, generating dehydration, loss of electrolytes and nutrients. The correct functioning of both toxins requires a strict relationship of five subunits of protein B for each subunit A, however, the molecular mechanisms that regulate expression and maintain the 5: 1 ratio between the subunits are poorly understood. The objective of this study is to analyze the post transcriptional regulation of CTX and STX toxins by in vitro experimental approaches and using cell-free reactions, in a highly pure and controlled environment. Our in vitro results indicate that CTX is expressed more efficiently than STX. In the case of CTX, subunit B had greater expression than A, with a ratio close to 5: 1 as seen in previous studies conducted in vivo. In contrast, STX was synthesized with low efficiency regardless of the presence or absence of the region coding for STXA, deviating markedly from an active ratio of 5 B for each subunit A. The addition of ppGpp, a molecule involved in the stress response in bacteria, resulted in a slight decrease in the expression of both toxins. In conclusion, our results indicate that the ratio of 5 to 1 between B and A of CTX toxins of V. cholerae is regulated during protein synthesis. On the contrary, the absence of transcriptional or transcriptional STX regulation of the present in vitro study was also observed in in vivo studies, indicating that the cell may harbor other factors that could modulate the synthesis stoichiometry. Although both toxins, CTX and STX, belong to the same family of exotoxins, the results of the present study indicate that the regulation of their expression differs widely. The results reported here provide new perspectives for the development of inhibitory molecules, with special emphasis on disturbing the ribosome of V. cholerae, to provoke an imbalance in the synthesis of CTX toxin and thus to reduce the pathogenicity of the bacteria.