Trampas de ADN en un protista ameboide

Dictyostelium discoideum es un protista ameboide que vive en el suelo de los bosques y tiene un ciclo de vida muy particular. Además, se defiende de los patógenos expulsando ADN fuera de sus células a modo de trampa.

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El sistema inmunitario innato de los vertebrados e invertebrados posee dos mecanismos de eliminación de patógenos. El primero, la fagocitosis, la cual mata a los cuerpos extraños dentro de la propia célula donde tiene lugar este proceso, los fagocitos. La célula envuelve al invasor y lo extermina mediante el uso de especies reactivas del oxígeno (iones de oxígeno, radicales libres y peróxidos, tanto inorgánicos como orgánicos), generadas gracias a una enzima conocida como NADPH oxidasa o NOX2 . Estas sustancias, derivadas del oxígeno molecular, se caracterizan por tener una alta reactividad.

Cuando el invasor es demasiado grande para ser atacado desde el interior celular, las células utilizan un segundo mecanismo de defensa que consiste en la expulsión de su ADN, es decir, el material genético. Este se transforma en redes reticuladas y pegajosas llamadas «trampas extracelulares» (o ETs, por sus siglas en inglés). Estas redes de ADN capturan las bacterias fuera de la célula y las matan. Varias células fagocíticas de mamíferos e invertebrados producen ET, sin embargo, la historia evolutiva de esta estrategia basada en el ADN no está clara. Este proceso también ocurre en un organismo cuyo tamaño no supera el milímetro: el protista Dictyostelium discoideum, un habitante de los suelos boscosos.

Trampas extracelulares (ETs). A la izquierda (A) se muestra una imagen de microscopía electrónica de barrido de ETs. A la derecha (B), se muestra una imagen de bacterias atrapadas por ETs. Créditos de las imágenes: Volber Brinkmann y Arturo Zychlinsky, del Max Planck Institute for Infection Biology, Alemania.

Un ciclo de vida particular: de unicelular a multicelular

El organismo Dictyostelium discoideum (Dicty) es un protista ameboide unicelular que vive en el suelo de los bosques. Tiene un ciclo de vida particular: en su Ciclo Vegetativo, vive como células ameboides independientes, fagocitando bacterias y reproduciéndose por mitosis mientras haya alimento, es decir, esta fase del ciclo de vida lo hace como un organismo unicelular. En respuesta a la falta de nutrientes, pone en marcha un programa de desarrollo multicelular, dando lugar a un Ciclo Social o Multicelular. Estas células realizan una transición desde una colección de células ameboides unicelulares a un organismo multicelular mediante un programa de desarrollo caracterizado por complejos mecanismos que van desde procesos de señalización, diferenciación y apoptosis, entre otros.

Cuando se agota el alimento, las células de Dicty entran en la etapa de agregación; seguida de un proceso de diferenciación que da lugar a los dos únicos tipos celulares: las células pre-esporas y las células pre-tallo que dan lugar a una forma migratoria denominada ‘babosa’ (o slug, en inglés). Este movimiento está dirigido hacia la luz y hacia temperaturas más elevadas. Cuando llega a un lugar idóneo para continuar el desarrollo, vuelve a una posición vertical y comienza entonces la etapa de culminación, en donde se da la formación del cuerpo fructífero.

En la imagen de arriba se muestra el ciclo de vida de D. discoideum. Créditos: Chisholm, R.L. y Firtel, R.A., 2004. En la imagen de abajo se pueden observar los distintos estadios del Ciclo Social/Multicelular de D. discoideum. Créditos: Francisco Velazquez.

Dicty se defiende expulsando ADN

Las células centinelas (S)son células fagocíticas que son responsables de eliminar el material tóxico de la etapa de babosas del ciclo social. Generalmente, estas células de forma redonda están presentes dentro de la vaina de las babosas donde circulan libremente.

El proceso de desintoxicación ocurre cuando estas células ‘engullen’ toxinas y patógenos dentro de la babosa a través de la fagocitosis. Luego, las células se agrupan en grupos de cinco a diez células, y se unen a la vaina interna de la babosa.

La vaina se desprende a medida que la babosa migra a un nuevo sitio. Estas células representan aproximadamente el 1% del número total de células en la babosa, y la cantidad de células centinela permanece constante incluso cuando se liberan. Esto indica una regeneración constante de células centinelas dentro de las babosas a medida que se eliminan junto con toxinas y patógenos y están presentes en la babosa incluso cuando no hay toxinas ni agentes patógenos para eliminar.

Estas células centinela emplean trampas extracelulares (ETs) para la eliminación de bacterias. Mediante una investigación pudo probarse que las células centinela de la etapa de babosas (etapa multicelular) producen ETs tras la estimulación con bacterias de la especie Klebsiella pneumoniae (K.p) o lipopolisacárido – LPS – (el mayor componente de la membrana extracelular de las bacterias de tipo Gram negativas) de una manera que es dependiente de las especies reactivas de oxígeno, mencionadas anteriormente.

La figura muestra imágenes de microscopía de contraste de fases (panel superior, gris) y de fluorescencia (panel inferior). Los puntos fluorescentes rojos indican el ADN extracelular de babosas que migran en placas de agar conteniendo yoduro de propidio (PI) en ausencia o presencia del pasto de bacterias o el lipopolisacárido (LPS). Créditos: Zhang, X., Zhuchenko, O., Kuspa, A. et al., 2016.

Para probar la hipótesis de que las células S emplean ETs para la eliminación de bacterias, un grupo de científicos generó babosas migratorias en placas de Petri con el agregado de yoduro de propidio (PI), un tinte que impermeabiliza la membrana y tiñe el ADN extracelular. Cuando las babosas migraron en un césped de bacterias de la especie K. pneumoniae, el número y el tamaño de los puntos rojos fluorescentes, indicativos de la liberación de ADN extracelular aumentaron drásticamente, en comparación con babosas que no tenían bacterias.

La expulsión del ADN depende de la presencia de especies reactivas del oxígeno

Por un lado, la producción de trampas extracelulares por las células S requiere una proteína llamada TirA. La interrupción de este gen da como resultado una disminución de la eliminación de infecciones bacterianas. Por otro, en D. discoideum, existen tres enzimas que generan especies reactivas del oxígeno (NoxA, NoxB y NoxC) que son homólogas a Nox2 de humano.

Las células de Dicty que carecen de los genes que codifican tanto para la proteína TirA y como para las enzimas Nox (TirA-KO y NoxABC-KO, respectivamente) y sus cepas parentales de tipo salvaje (es decir, que poseen intactos ambos genes) se colocaron en placas y se cultivaron en un césped de bacterias hasta el agotamiento de nutrientes, lo que indujo la agregación y la formación de cuerpos fructíferos.

La diferencia entre las cepas que no tenían esos genes y los tipos salvajes fue sorprendente; los resultados indicaron que, durante la finalización del ciclo de desarrollo, la generación trampas extracelulares inducida por especies reactivas del oxígeno por las células S contribuye a la eliminación de bacterias en las babosas, lo que lleva a la generación de cuerpos fructíferos estériles, es decir, sin contaminación de bacterias.

A la izquierda: Producción de ROS in situ (tinción con Dihidroetidio -DHE-, rojo) en babosas de tipo salvaje (AX4, AX2) y mutantes (TirA-KO, NoxABC-KO) visualizadas mediante microscopía confocal. A la derecha: En las babosas de tipo salvaje (superior), las células S producen ET para atrapar y matar las bacterias extracelulares, lo que lleva a la formación de cuerpos fructíferos estériles. La deficiencia de la formación de ET en cepas mutantes (inferior) da como resultado una eliminación ineficaz de bacterias y cuerpos fructíferos contaminados. Créditos: Zhang, X., Zhuchenko, O., Kuspa, A. et al., 2016.

Como vemos, D. discoideum es un poderoso organismo modelo para estudiar la evolución y la conservación de los mecanismos de inmunidad intrínseca de las células.

Bibliografía consultada:

Ana Belen Benitez. (2019).Dicty: Una Ameba muy Social. Mas science.
Araceli VIsentin, Francisco Velazquez. (2018). Una ameba social y previsora. Ciencia hoy.
Fey, P., Kowal, A. S., Gaudet, P., Pilcher, K. E., Chisholm, R. L. (2007). Protocols for growth and development of Dictyostelium discoideum. Nat Protoc 2:1307-16.
Gabriela Camicia, Gabriela de Larrañaga. Trampas extracelulares de neutrófilos: un mecanismo de defensa con dos caras,Medicina Clínica,Volume 140, Issue 2, (2013), Pages 70-75
McMains, V.C., Liao, X.-H., and Kimmel, A.R. (2008). Oscillatory signaling and network responses during the development of Dictyostelium discoideum. Ageing Res. Rev. 7, 234–248.
Kessin, R.H. (2001). Dictyostelium: evolution, cell biology, and the development of multicellularity. England: Cambridge University Press.
Zhang, X., Zhuchenko, O., Kuspa, A. et al. Social amoebae trap and kill bacteria by casting DNA nets. Nat Commun 7, 10938 (2016).

Ana Belén Benitez Dos SantosEstudiante de Biología Molecular y tesinista. Amante de la ciencia, la escritura y la combinación de ambas. Persona curiosa que busca diferentes maneras de dar a conocer la ciencia a los demás.

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