Mehanizmi privzema $eleza pri mikobakterijah

Privzem $eleza pri po Gramu pozitivnih bakterijah poteka v %tirih fazah, i) vezava $eleza v ekstracelularnem prostoru, ii) transport $eleza preko celi#ne stene, iii) transport $eleza preko celi#ne membrane in iv) redukcija in vezava $eleza v bakterioferitin in druge intracelularne komplekse. Privzem lahko poteka preko visoko afinitetnih sideroforov, nizko afinitetnih kompleksov ali neposredno, s privzemom prostih kationov preko porinov/permeaz (Andrews in sod., 2003).

Mikobakterije proizvajajo dve vrsti sideroforov, eksoheline in mikobaktine. Saprofitske mikobakterije, kot je M. smegmatis proizvajajo obe vrsti sideroforov, medtem ko obligatno patogene, kot M. tuberculosis in M. bovis, ter nekatere oportunisti#no patogene mikobakterije, kot so podvrste bakterije M. avium, proizvajajo le mikobaktine (De Voss in sod., 1999). Mikobaktini se po strukturi delijo na polarne karboksimikobaktine (cMB), ki se izlo#ajo v ekstracelularni prostor, in bolj lipofilne mikobaktine (MB), ki so zasidrani v celi#ni steni ali membrani in sodelujejo pri transportu $eleza iz karboksimikobaktinov v intracelularni prostor (Macham in sod., 1975).

Status nizkoafinitetne siderofore pri mikobakterijah je sprva imel tudi salicilat, vendar slaba stabilnost feri-salicilata v fiziolo%kih pogojih gostitelja tak%ne klasifikacije ne podpira (Ratledge in sod., 1974). Feri-salicilati so stabilni le v okolju z nizkimi koncentracijami fosfatov, ki sicer povzro#ijo precipitacijo $eleza iz feri-salicilatnega kompleksa. Mo$no je, da ima salicilat bolj pomembno vlogo pri privzemu $eleza izven gostitelja, v okoljih z nizkimi koncentracijami fosfatov, kot so npr. #ista vodna okolja (Ratledge in sod., 1974).

Med nizkoafinitetnimi ligandi za $elezo pri mikobakterijah se omenja tudi citrat (Messenger in sod., 1986; Messenger in Ratledge, 1982). E. coli privzema feri-dicitrat s periplazemskim transportnim proteinom, kodiranim s fecB, katerega homolog je prisoten tudi v ve#ini mikobakterij in je pod regulacijo IdeR, celo pri M. leprae, ki ne proizvaja mikobaktinov (Yellaboina in sod., 2006).

Transport $eleza preko celi#ne stene in membrane mikobakterij je slabo raziskan. Feri-eksohelini M. smegmatis se v prvem koraku ve$ejo na receptorje v celi#ni steni. Tak%no funkcijo naj bi imeli razli#ni proteini iz skupine Irep (ang. iron regulated envelope protein), %e zlasti Irep-29, katerega blokada s protitelesi prepre#i privzem feri-eksohelinov (Dover in Ratledge, 1996; Hall in sod., 1987). Sledi prenos kompleksa $elezo-eksohelin na periplazemski protein FxuD in internalizacija preko membransko zasidranega kompleksa FxuABC, ki spada v dru$ino ABC transporterjev. Znotraj celice se $elezo sprosti iz siderofore preko redukcije z reduktazami, apo-eksohelin pa se reciklira in izlo#i preko ExiT ABC transporterja nazaj v ekstracelularni prostor (Slika 4B) (Zhu in sod., 1998).

Glavni receptor za karboksimikobaktine pri patogenih mikobakterijah naj bi bil membransko vezan MB (Gobin in Horwitz, 1996), vendar pa mutacija v operonu za sintezo obeh vrst mikobaktinov ne prepre#uje pridobivanje $eleza s pomo#jo eksogeno

dodanega feri-cMB (Fe-cMB) (Rodriguez in Smith, 2006). To pomeni, da morajo obstajati dodatni receptorji/transporterji za Fe-cMB, ki so neodvisni od MB. Rodriguez in sodelavci so pokazali, da je ABC transportni sistem iz transmembranskih proteinov IrtA in IrtB nujen za privzem Fe-cMB pri M. tuberculosis in da delecija genov za oba proteina zmanj%a sposobnost rasti v mediju brez $eleza in v makrofagih (Rodriguez in Smith, 2006; Ryndak in sod., 2010). Mo$no je, da MB deluje le kot ionofor, ki pove#a u#inkovitost prehajanja

$eleza preko celi#ne stene, do membranskih transporterjev, kot je IrtAB (Rodriguez, 2006) (Slika 4A). IrtA vsebuje na citoplazemskem N-terminalnem delu domeno za vezavo FAD (flavin adenin dinukleotid), ki sodeluje pri redukciji in spro%#anju $eleza iz siderofore (Ryndak in sod., 2010). Poleg IrtAB so razli#ne raziskave identificirale dodatne proteine vpletene v transport $eleza s Fe-cMB pri mikobakterijah. Delecija Esx-3 lokusa (esxG in esxH), ki je del mikobakterijskega sekrecijskega sistema tipa 7 (T7SS) in je pod IdeR regulacijo, onemogo#i privzem $eleza iz Fe-cMB pri M. bovis in M. smegmatis, medtem ko produkcija sideroforov v pogojih pomanjkanja $eleza ni motena (Siegrist in sod., 2009).

Yeruva in sod., 2004, so pokazali na mo$no vpletenost Irep-28 v transport $eleza z mikobaktini pri M. tuberculosis. Izra$anje Irep-28 pozitivno korelira s produkcijo mikobaktinov, lokaliziran je v celi#ni steni in je imunoreaktiven v kombinaciji s serumom iz tuberkuloznih bolnikov ter je ohranjen pri ve#ini mikobakterij, tudi pri bakterijah podvrste MAP (Yeruva in sod., 2006) (Slika 4A).

Privzem $eleza preko sideroforov je omejen na pogoje pomanjkanja $eleza, medtem ko so za privzem $eleza v pogojih normalne ali povi%ane dostopnosti $eleza potrebne druge transportne poti. Tak%no vlogo prevzamejo razli#ne permeaze/porini, ki bolj ali manj specifi#no prepu%#ajo topno $elezo. Pri M. smegmatis so to Msp porini (MspABCD), ki sodelujejo pri privzemu $elezovega citrata. Njihova inaktivacija povzro#i intracelularno pomanjkanje $eleza povi%ano produkcijo siderofor, navkljub visokim ekstracelularnim koncentracijam $eleza (Jones in Niederweis, 2010) (Slika 4B). Zaenkrat ni poro#il o homologih Msp porinov pri patogenih mikobakterijah. Pri M. tuberculosis je za nespecifi#ni transport $eleza odgovoren Mramp transporter divalentnih kationov (Slika 4A). Ohranjen je tudi pri MAP in MAH, kjer je pod IdeR kontrolo, ter M. rhodesiae in M.

ulcerans (www.uniprot.org). Mramp lahko prena%a Fe²⁺ kot tudi Zn²⁺, Cu²⁺ in Mn²⁺, je odvisen od pH (optimum pH 5.5-6.5) in ni potreben za pre$ivetje v pogojih pomanjkanja

$eleza in v mi%jih makrofagih (Agranoff in sod., 1999; Boechat in sod., 2002). Regulacija koli#in Mramp v membrani omogo#a tudi omejevanje privzema $eleza, kadar so v okolju povi%ane koncentracije $eleza (Agranoff in sod., 1999). Mramp je homolog evkariontskega proteina Nramp1 (ang. natural resistance-associated macrophage protein, uradni simbol SLC11A1), ki ima zaenkrat %e nerazjasnjeno vlogo pri regulaciji $eleza v makrofagih ob infekciji z mikobakterijami. Rezultati raziskav si namre# nasprotujejo glede vpra%anja, ali Nramp1 sodeluje pri pove#anem #rpanju $eleza v (oksidativni stres) ali iz (restrikcija

$eleza) fagosomov, kjer se nahajajo mikobakterije (Wyllie in sod., 2002). Nekateri polimorfizmi v genu za Nramp1 naj bi bili povezani s tveganjem za oku$bo z razli#nimi mikobakterijami, tako z M. tuberculosis kot tudi z MAH in MAP (Bellamy, 2003).

Pred kratkim je bil v M. tuberculosis identificiran tudi operon, ki kodira gene za neposredni privzem $eleza, vezanega v hemu. Operon kodira 6 genov (Rv0202c-Rv0207c) in vklju#uje gene za hemofor, membranske transportne proteine in citoplazemski protein za razgradnjo hema (Tullius in sod., 2011) (Slika 4C).

Slika 4: Transport $eleza pri mikobakterijah (Jones in Niederweis, 2010; Tullius in sod., 2011)

A – predlagani transport $eleza pri M. tuberculosis (povzeto po razli#nih virih ! glej besedilo; razlaga kratic v besedilu); B – predlagani transport $eleza pri M. smegmatis (brez mikobaktinskega transporta) (Jones in Niederweis, 2010: 6416): ExoMS – eksohelin bakterije M. smegmatis; Fe-ExoMS – kompleks ExoMS z

$elezom; C – predlagani transport $eleza s hemom pri M. tuberculosis (Tullius in sod., 2011: 5055); Hb – hemoglobin; Hm – hem; Rv0203 – hemofor; MhuD – citoplazemski protein za razgradnjo hema; MmpL11 in MmpL3 – membranski transporterji.

Figure 4: Iron transport in mycobacteria (Jones in Niederweis, 2010; Tullius in sod.; 2011)

A – proposed iron transport in M. tuberculosis (compiled according to various references ! see main text;

abbreviations in the main text): B – proposed iron transport in M. smegmatis (without mycobactin mediated iron transport): ExoMS – exochelin of M. smegmatis; Fe-ExoMS – ExoMS in complex with iron; C – proposed iron transport through haem in M. tuberculosis: Hb – haemoglobin; Hm – haem; Rv0203 – haemophore; MhuD – cytoplasmic haem degradation protein; MmpL11 and MmpL3 – membrane transport proteins.