Tal vez los mecanismos más potentes y sofisticados utilizados por las bacterias para manipular su entorno son los sistemas de secreción de macromoléculas que operan en el transporte de proteínas y/o ADN, a través de la envoltura bacteriana hacia el medio extracelular. La secreción de proteínas dentro del espacio extracelular es importante para todas las bacterias, y en particular media las interacciones entre las bacterias patogénicas o simbióticas con sus hospedadores eucariotas, ya que son la primera línea en la interacción hospedador- microorganismo. Hasta la fecha, seis tipos de sistemas de secreción, Tipo I a Tipo VI han sido caracterizados en las bacterias Gram negativas. Si bien, los descubrimientos de la gran mayoría datan desde hace ya varias décadas, de otros no se tiene mucha información en la actualidad. Ellos difieren en cuanto a los mecanismos de secreción, las proteínas que lo componen y los sustratos secretados (Figura 1.6).
Figura 1.6. Esquema representativo de los distintos sistemas de secreción de macromoléculas encontradas en bacterias. Se muestran los componentes de cada uno, además de una división entre los Sistema Sec dependientes e independientes. No se muestra el Sistema de Secreción Tipo VI.
Adaptado de Fronzes et al., 2009.
Los Sistemas de Secreción Tipo III, IV y VI se destacan de los otros porque permiten la translocación de macromoléculas en el interior de las células blanco, donde puede realizar funciones que promuevan la supervivencia bacteriana y, a
menudo poner en peligro la salud de los hospedadores, tanto animales como plantas.
Los Sistemas de Secreción Tipo I (SST1s) son sistemas simples, tripartitos que facilitan el paso de proteínas de diferentes tamaños a través de la envoltura celular de las bacterias Gram negativas. Se componen de un casete de unión a ATP (ABC, del inglés ATP Binding Cassette) transportador o un antiportador de protón, una proteína adaptadora ubicada entre la membrana interna y la membrana externa, y un poro en la membrana externa. Ellos secretan sustratos en un sólo paso sin la necesidad de un intermediario periplásmico estable. Los SST1s están involucrados en la secreción de citotoxinas pertenecientes a la familia de proteínas RTX (del inglés, Repeats-in-Toxin), de proteínas de la capa superficial celular, proteasas, lipasas, bacteriocinas y proteínas de adquisición de grupos hemo (Omori e Idei, 2003). No se ha demostrado que este sistema de secreción contribuya a la virulencia en especies del género Xanthomonas (Büttner y Bonas, 2010).
Los Sistemas de Secreción Tipo II (SST2s) son máquinas multicomponentes que utilizan un mecanismo de dos pasos para la translocación. Durante el primer paso, el efector de la proteína precursora se transloca a través de la membrana interna por el Sistema Sec o la vía Tat (del inglés Twin-arginine translocation) (Voulhoux et al., 2001). Una vez en el periplasma, la proteína efectora se transloca por el SST2 a través de la membrana externa. El translocón SST2 consiste en 12 a 16 proteínas componentes (Filloux, 2010) que se encuentran en ambas membranas bacterianas, citoplasma y periplasma. Los SST2s son conocidos por secretar muchas enzimas que degradan la pared de las células vegetales como celulasas, xilanasas, lipasas y proteasas, entre otros. Cada especie tiene su conjunto único de enzimas, que ayudan a degradar los componentes de la pared celular de las plantas, por lo tanto ayudando en la patogénesis (Jalan et al., 2001). Se ha demostrado que varios sustratos de SST2 no sólo afectan la virulencia sino que también inducen respuestas de defensa de las plantas. El SST2 y sus sustratos son controlados por reguladores del SST3 (Guo et al., 2011).
Los Sistemas de Secreción Tipo III (SST3s), también llamados inyectisomas, median un mecanismo de secreción en un sólo paso y son utilizados por muchos agentes patogénicos tanto de animales como de plantas, incluyendo especies de los géneros Salmonella, Shigella, Yersinia, las especies de Escherichia coli
aeruginosa. Los SST3s translocan las proteínas efectoras al citoplasma de la célula eucariota del hospedador en una manera Sistema Sec independiente. Los SST3s están genéticamente, estructuralmente y funcionalmente relacionados con la estructura flagelar bacteriana (Cornelis y van Gijsegem, 2000). Están compuestos de más de 20 proteínas diferentes, que forman una gran estructura supramolecular que atraviesa la envoltura de célula bacteriana (Cornelis y van Gijsegem, 2000; Galán y Wolf-Watz, 2006). Existen una gran variedad de trabajos donde se detalla y remarca la importancia de este sistema de secreción en la patogenicidad de la especie (Dunger et al., 2005; Coburn et al., 2007; Weber et al., 2005).
Los Sistemas de Secreción Tipo IV (SST4s) son sistemas versátiles que se encuentran en las bacterias Gram negativas y Gram positivas y que secretan una amplia gama de sustratos fuera de la célula bacteriana, desde proteínas individuales a complejos proteína-proteína y proteína-ADN. Estos sistemas de transporte se pueden dividir en tres grupos: los sistemas de conjugación, los sistemas para capturar y exportar ADN, y los sistemas de translocación de efectores (Cascales y Christie, 2003; Álvarez-Martinez y Christie, 2009). Contribuyen a la plasticidad de los genomas de bacterias y son vehículos importantes para la difusión de genes de resistencia a antibióticos y factores de virulencia (de la Cruz y Davies, 2000). La translocación de efectores en el citoplasma de células eucariotas a través de este sistema es esencial para la virulencia de varios patógenos, incluyendo a
Agrobacterium tumefaciens, Bordetella pertussis y Leptospira pneumophila. Los genes que codifican los componentes estructurales del SST4 están generalmente dispuestos en un único locus. En Agrobacterium tumefaciens, son un total de 12 proteínas, donde todas, excepto una, son esenciales para la función correcta del sistema (Berger y Christie, 1994).
Los Sistemas de Secreción Tipo V (SST5s) incluyen autotransportadores y sistemas de secreción de dos componentes (en inglés, Two-partner Secretion System). Los SST5s translocan sustratos en dos pasos (Henderson et al., 2004). Las proteínas autotransportadoras son proteínas multidominio que son secretadas como proteínas precursoras a través de la membrana interna en un proceso dependiente del Sistema Sec. Posteriormente, el dominio translocador de la proteína se inserta en la membrana externa y facilita la localización en la superficie del dominio pasajero. En los sistemas de secreción de dos componentes, una proteína translocadora (TpsB) media la secreción de la proteína efectora (TpsA) a través de
la membrana externa. Más de 700 proteínas con funciones que incluyen la auto- agregación, adhesión, invasión, citotoxicidad, propagación célula a célula y proteólisis utilizan estos sistemas secreción para atravesar las membranas tanto interior y exterior durante un proceso sencillo de dos pasos (Henderson y Nataro, 2001; Mazar y Cotter, 2007).
Los Sistemas de Secreción Tipo VI (SST6s) fueron descubiertos recientemente en varios patógenos como Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli
Enteroagregativa, Salmonella typhimurium, Vibrio cholerae y Yersinia pestis. Los SST6s son sistemas multicomponentes que pueden estar compuestos por entre 12 y 25 subunidades proteicas, y transportan efectores a diversos tipos de células, tanto procariotas como eucariotas, participando en la competencia entre las bacterias y en la patogénesis. Recientemente se han publicado trabajos acerca de su arquitectura completa y su función (Russell et al., 2014; Coulthurst, 2013; Zoued et al., 2014).
Xac posee diversos sistemas de secreción de proteínas, entre los que se encuentran los de Tipo I, II, III, IV y V. Un grupo de genes localizados en el cromosoma de Xac codifican para un SST1; y otros dos grupos de genes codifican para el SST2 (van Sluys et al., 2002). En su genoma, Xac cuenta además con los genes de cluster hrp que codifican para el SST3. Distintas mutantes de Xac en este sistema de secreción no producen enfermedad en plantas hospedadoras, ni HR en plantas no hospedadoras indicando que en Xac este sistema es esencial para la patogenicidad (Dunger et al., 2005). Se han encontrado dos grupos de genes que estarían relacionados con la biosíntesis y regulación del SST4 (da Silva et al., 2002; Alegria et al., 2004). Este sistema, también media la transferencia intercelular de macromoléculas y moléculas efectoras (Souza et al., 2011; Christie y Vogel, 2000). El análisis del genoma de Xac reveló que existen dos SST4, uno localizado en el plásmido pXAC64 y el otro en el cromosoma principal, aunque este último se encuentra incompleto (Alegria et al., 2004). El SST4 o de conjugación esta localizado en pXAC64 y es necesario para la transferencia de plásmidos que poseen un sitio de movilización u oriT (Alegria et al., 2004). Con respecto al SST5 presente en el genoma de Xac, se ha demostrado la funcionalidad de este sistema en la secreción de adhesinas que cumplen un rol muy importante en los estadíos iniciales de infección del patógeno (Gottig et al., 2009).