Piocianina

La piocianina (PCN ⁻ ) es uno de los muchos compuestos tóxicos producidos y secretados por la bacteria Gram negativa Pseudomonas aeruginosa . La piocianina es un metabolito secundario azul, que se torna rojo por debajo de pH 4,9, con la capacidad de oxidar y reducir otras moléculas ^{[ 2 ]} y, por lo tanto, matar microbios que compiten contra P. aeruginosa, así como células de mamíferos de los pulmones que P. aeruginosa ha infectado durante la fibrosis quística . ^{[ 3 ] [ 4 ]} Dado que la piocianina es un zwitterión al pH sanguíneo, puede atravesar fácilmente la membrana celular. Hay tres estados diferentes en los que puede existir la piocianina: oxidada (azul), monovalentemente reducida (incolora) o divalentemente reducida (roja). Las mitocondrias juegan un papel importante en el ciclo de la piocianina entre sus estados redox. Debido a sus propiedades redox-activas, la piocianina genera especies reactivas de oxígeno .

La biosíntesis de piocianina comienza con la síntesis del núcleo de ácido fenazina-1-carboxílico (PCA). ^{[ 5 ]} En esta reacción, la enzima PhzE cataliza la pérdida del grupo hidroxilo del C4 del ácido corísmico, así como la transferencia de un grupo amino de la glutamina para formar ácido glutámico y ácido 2-amino-2-desoxiisocorísmico (ADIC). ^{[ 6 ]} Posteriormente, PhzD cataliza la eliminación hidrolítica de la porción de piruvato del ADIC para formar ácido (5S,6S)-6-amino-5-hidroxi-1,3-ciclohexadievo-1-carboxílico (DHHA). ^{[ 6 ]} En el siguiente paso, PhzF cataliza dos pasos: la abstracción de un hidrógeno del C3 del DHHA, la deslocalización del sistema de doble enlace y la reprotonación en el C1, así como la tautomerización del enol para formar el ácido 6-amino-5-oxociclohex-2-eno-1-carboxílico (AOCHC), altamente inestable. ^{[ 6 ]} A partir de aquí, dos moléculas de AOCHC son condensadas por PhzB para formar el compuesto tricíclico, ácido hexahidrofenazina-1,6-dicarboxílico (HHPDC). ^{[ 6 ]} El producto de esta reacción, HHPDC, es inestable y sufre espontáneamente una descarboxilación oxidativa en una reacción no catalizada para formar ácido tetrahidrofenazina-1,6-carboxílico (THPCA). ^{[ 6 ]} En el paso final de la síntesis del ácido fenazina-1-carboxílico, la enzima PhzG cataliza la oxidación de THPCA a ácido dihidrofenazina-1-carboxílico. ^{[ 6 ]} Este es el último paso catalizado en la producción de PCA; el último paso es una oxidación no catalizada de DHPCA a PCA. ^{[ 6 ]} La conversión de PCA a piocianina se logra en dos pasos enzimáticos: primero, el PCA se metila en N5 a 5-metilfenazina-1-carboxilato betaína por la enzima PhzM utilizando el cofactor S-adenosil-L-metionina y, segundo, PhzS cataliza la descarboxilación hidroxilativa de este sustrato para formar el producto final, la piocianina. ^{[ 5 ]}

Los cromosomas de la mayoría de las cepas de P. aeruginosa portan dos operones casi idénticos, phzA1B1C1D1E1F1G1 y phzA2B2C2D2E2F2G2 , que codifican las enzimas necesarias para producir PCA. ^{[ 7 ]} La transcripción de estos operones está controlada por la detección de quórum , y más específicamente por el sistema de señal de quinolona de Pseudomonas (PQS), que involucra al regulador transcripcional MvfR (también conocido como PqsR). La conversión de PCA en piocianina se logra mediante los productos de phzS y phzS , que son genes únicos en el cromosoma. La biosíntesis puede verse afectada al interrumpir la vía aro , que es necesaria para la síntesis de ácido corísmico a partir de shikimato. ^{[ 8 ]}

La piocianina inactiva la catalasa al reducir la transcripción de su gen y al actuar directamente sobre la enzima. El glutatión es un antioxidante importante modulado por la piocianina. ^{[ 9 ]} En particular, la reserva de la forma reducida se agota, mientras que la forma oxidada se promueve por el peróxido de hidrógeno, que no es dismutado por la catalasa. En el pulmón con fibrosis quística, la piocianina intracelular convierte el oxígeno molecular en el radical libre superóxido al oxidar el NADPH a NADP ⁺ . Esto tiene un doble efecto negativo en los pulmones. En primer lugar, el NADPH utilizado por la piocianina agota el sustrato disponible para la reacción catalizada por la enzima NADPH oxidasa . En segundo lugar, el radical superóxido generado puede inhibir las citocinas , como IL-4 , IL-13 e IFN-γ , que normalmente regulan positivamente la NADPH oxidasa. Cuando el pulmón se enfrenta a la piocianina, se observa una mayor concentración de catalasa y superóxido dismutasa para hacer frente a la avalancha de radicales que se producen. ^{[ 10 ]}

La piocianina puede actuar sobre una amplia gama de componentes y vías celulares. Entre las vías afectadas por la piocianina se incluyen la cadena de transporte de electrones , el transporte vesicular y el crecimiento celular. Se observa una mayor susceptibilidad a la piocianina en células con ciertas proteínas o complejos mutantes. Las mutaciones en genes que afectan la síntesis y el ensamblaje de la V-ATPasa , ^{[ 11 ]} la maquinaria de transporte vesicular y la maquinaria de clasificación de proteínas confieren una mayor sensibilidad a la piocianina, lo que potencia aún más sus efectos en la fibrosis quística del paciente. La ATPasa vacuolar en las células de levadura es un objetivo particularmente potente, ya que es el principal productor no mitocondrial de ATP, pero también tiene numerosas otras funciones, como el control homeostático del calcio, la facilitación de la endocitosis mediada por receptores y la degradación de proteínas. Por lo tanto, la inactivación de la ATPasa vacuolar por el peróxido de hidrógeno producido por la piocianina tiene enormes consecuencias para el pulmón. Además de estos efectos, otro objetivo de la piocianina son las proteasas tipo caspasa 3 que pueden iniciar la apoptosis y la necrosis . Los transportadores de electrones mitocondriales ubiquinona y ácido nicotínico también son susceptibles a la piocianina. ^{[ 12 ]} El ciclo celular puede verse alterado por la acción de la piocianina, y puede impedir la proliferación de linfocitos . ^{[ 13 ]} Esto se produce mediante la generación de intermediarios reactivos de oxígeno , como el peróxido de hidrógeno y el superóxido , que causan estrés oxidativo dañando directamente el ADN o atacando otros componentes del ciclo celular, como la maquinaria de recombinación y reparación del ADN. La piocianina contribuye a la desproporción de la actividad de proteasa y antiproteasa al inactivar el inhibidor de la proteasa α ₁ .

Muchos estudios han concluido que la piocianina tiene un efecto perjudicial en la fibrosis quística, lo que permite que P. aeruginosa persista en el pulmón de los pacientes con fibrosis quística; a menudo se detecta en el esputo de estos pacientes. In vitro, la piocianina tiene la capacidad de interferir con funciones como el batido ciliar y, por lo tanto, causar disfunción epitelial, ya que los cilios son necesarios para eliminar el moco de la garganta. ^{[ 14 ]} Además, la apoptosis de los neutrófilos , ^{[ 15 ]} la liberación de inmunoglobulinas de los linfocitos B y la liberación de interleucinas (por ejemplo, IL-8 ^{[ 16 ]} y CCL5 ) se ven afectadas por la piocianina, debilitando el sistema inmunitario del pulmón. Estudios in vivo han demostrado que el crecimiento del hongo se inhibe en presencia de piocianina. ^{[ 17 ]} El mecanismo fungicida es la activación de NAD(P)H para inducir una cascada redox-activa que produce intermediarios reactivos de oxígeno. Esto permite que P. aeruginosa tenga una ventaja competitiva, ya que puede dominar sobre otros microorganismos en el pulmón con fibrosis quística. La concentración intracelular de ATP también se ve disminuida por la piocianina, lo que causa un daño adicional a CFTR , que ya está afectado en la fibrosis quística. Los canales CFTR dependen del ATP para dos propósitos principales. En primer lugar, la unión e hidrólisis del ATP deben ocurrir en dos dominios de unión de nucleótidos para que el canal se mueva entre su conformación abierta y cerrada. ^{[ 18 ]} En segundo lugar, la fosforilación de CFTR por la proteína quinasa A debe ocurrir para que el canal sea funcional. La PKA se activa por el AMPc, que se produce a partir del ATP. Ambos procesos se ven afectados cuando el ATP se agota por la piocianina.

Caenorhabditis elegans posee dos transportadores ABC específicos llamados pgp-1 y pgp-2 que son capaces de extruir eficazmente la piocianina intracelular de manera dependiente de la energía. ^{[ 19 ]}

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