pobieranie ¯elaza przez paso¯ytnicze

RECEPTORY DLA BIA£EK WI¥¯¥CYCH ¯ELAZO U PIERWOTNIAKÓW
POSTÊPY BIOLOGII KOMÓRKI
169
TOM 32 2005 NR 2 (169–180)
POBIERANIE ¯ELAZA PRZEZ PASO¯YTNICZE
PIERWOTNIAKI: RECEPTORY DLA BIA£EK
WI¥¯¥CYCH ¯ELAZO*
AN IRON UPTAKE BY PARASITIC PROTOZOA: RECEPTORS
FOR IRON-BINDING PROTEINS
Henryka D£UGOÑSKA, Bo¿ena DZIADEK, Katarzyna DZITKO
Zak³ad Immunoparazytologii, Katedra Immunologii i Biologii Infekcyjnej,
Uniwersytet £ódzki
Streszczenie: Efektywne pobieranie ¿elaza przez paso¿ytnicze pierwotniaki jest warunkiem ich prze¿ycia w organizmie ¿ywiciela. Rodzaj dostêpnego Ÿród³a ¿elaza, o które paso¿yt musi konkurowaæ z
makroorganizmem, zale¿y od niszy, jak¹ zasiedla i trybu ¿ycia (wewn¹trz- lub/i zewn¹trzkomórkowy).
W pracy opisano ró¿ne sposoby pozyskiwania ¿elaza ze zwi¹zków chelatowych (transferyna, laktoferyna) u wybranych gatunków Protozoa. Szczególn¹ uwagê poœwiêcono wiciowcom Trypanosoma brucei.
W uwagach koñcowych wskazano na problemy zwi¹zane z badaniami nad metabolizmem ¿elaza u
wewn¹trzkomórkowych paso¿ytniczych pierwotniaków oraz znaczne zró¿nicowanie receptorów zaanga¿owanych w pobieranie ¿elaza, zale¿nie od gatunku i postaci paso¿yta.
S³owa kluczowe: bia³ka wi¹¿¹ce ¿elazo, receptory, paso¿ytnicze pierwotniaki.
Summary: An effective iron uptake by parasitic protozoa is a determining factor for their survival in
host. The available iron source, for which the parasite must compete with the macroorganism, depends
on the niche where it resides and its life mode (intracellular or/and extracellular). In the paper an iron
acquisition from chelate compounds (transferrin, lactoferrin) in selected protozoan species has been
presented. A particular interest has been focused on flagellated protozoon, Trypanosoma brucei. In
concluding remarks any particular problems associated with the studies on iron metabolism in intracellular parasitic protozoa and a significant variety of protozoan receptors involved in iron delivery, depending on a parasite species and form, have been pointed out.
Key words: iron-binding proteins, receptors, parasitic protozoa.
*Praca zosta³a dofinansowana przez KBN: projekt badawczy 2 P04C 014 26.
170
H. D£UGOÑSKA, B. DZIADEK, K. DZITKO
¯elazo jest nieodzownym do ¿ycia pierwiastkiem zarówno dla makroorganizmów,
jak i drobnoustrojów. Uczestniczy ono w wielu kluczowych procesach metabolicznych, m.in. w transporcie tlenu, syntezie RNA i DNA, transporcie elektronów,
wi¹zaniu azotu i detoksykacji utleniaczy. Mo¿e jednak tak¿e katalizowaæ proces
wytwarzania wysoko reaktywnego rodnika hydroksylowego (reakcja Fentona:
H2O2 + Fe2+ → Fe3+- +OH– +oOH), który indukuje szereg reakcji szkodliwych dla
komórek, w tym peroksydacjê lipidów i uszkodzenie DNA oraz powstawanie innych
toksycznych metabolitów, np. N-chloramin, czynnych w procesie wewn¹trzkomórkowego zabijania drobnoustrojów. Wydaje siê, ¿e ze wzglêdu na powszechnoœæ i
obfitoœæ ¿elaza w biosferze ¿ycie jest rodzajem ci¹g³ego hazardu, poniewa¿ zarówno
brak ¿elaza, jak i jego nadmiar s¹ zdecydowanie szkodliwe [20].
Patogenne drobnoustroje wykszta³ci³y bogaty wachlarz mechanizmów zaopatrywania
siê w ¿elazo z zasobów organizmu gospodarza. Poniewa¿ w fizjologicznym pH i w
obecnoœci tlenu ¿elazo tworzy nierozpuszczalne wodorotlenki, jedynym dostêpnym jego
Ÿród³em s¹ ró¿ne zwi¹zki chelatowe, zwykle o charakterze bia³kowym. Nale¿¹ do nich
bia³ka rodziny transferyn, obejmuj¹cej u ssaków transferynê surowicz¹, laktoferynê i
melanotransferynê, a u ptaków owotransferynê oraz wewn¹trzkomórkowe bia³ka na
czele z hemoglobin¹ i ferrytyn¹, która magazynuje ¿elazo i bierze udzia³ w procesach
detoksykacji [4,28].
BIA£KA METABOLIZMU ¯ELAZA:
TRANSFERYNA SUROWICZA I LAKTOFERYNA
Transferyna surowicza ssaków i ptaków (owotransferyna) odpowiadaj¹ za transport
¿elaza Fe3+ z p³ynów ustrojowych do cytosolu, natomiast laktoferyna jest raczej uwa¿ana
za „zmiatacz” ¿elaza. Te trzy bia³ka charakteryzuj¹ siê wysokim stopniem podobieñstwa
topologii i identycznymi miejscami wi¹zania ¿elaza. Cz¹steczkê transferyn stanowi pojedynczy glikozylowany polipeptyd o masie cz¹steczkowej wzglêdnej, Mr prawie
80 kDa (ok. 700 aminokwasów), uorganizowany w dwa p³aty (N i C), spiête wewnêtrznym ³añcuchem zbudowanym z 10–12 reszt aminokwasowych. Ka¿dy p³at,
podzielony na dwie domeny, ma jedno miejsce wi¹¿¹ce jon ¿elazowy, które le¿y miêdzy
wewnêtrznymi powierzchniami g³êbokiej, hydrofilnej szczeliny na styku domen i jest
utworzone przez 4 aminokwasy: asparaginê, dwie tyrozyny i histydynê. Brak
przy³¹czonego ¿elaza (apotransferyna) sprawia, ¿e p³at przybiera konformacjê „otwartej
szczêki”. Przy³¹czenie ¿elaza (holotransferyna) podwy¿sza stopieñ upakowania
cz¹steczki, zamykaj¹c ¿elazo wewn¹trz i chroni¹c je przed przypadkowym uwolnieniem.
To sprawia, ¿e wi¹zanie ¿elaza przez transferyny jest mocne, lecz odwracalne. Jedna
cz¹steczka transferyny uczestniczy w 100–200 cyklach transportu i uwalniania ¿elaza.
Mimo i¿ prawie ca³e ¿elazo niehemowe w kr¹¿eniu jest zwi¹zane w³aœnie z transferyn¹,
to jej miejsca wi¹¿¹ce ¿elazo s¹ wysycone tylko w ok. 30% [4,28].
RECEPTORY DLA BIA£EK WI¥¯¥CYCH ¯ELAZO U PIERWOTNIAKÓW
171
Laktoferyna wystêpuje zewn¹trzkomórkowo (b³ony œluzowe, p³yny biologiczne: siara,
mleko, nasienie, œlina) i wewn¹trzkomórkowo (ziarnistoœci wtórne neutrofili). Zdolnoœæ
wi¹zania ¿elaza przez laktoferynê jest bardzo du¿a i a¿ ponad 300-krotnie wy¿sza ni¿
transferyny surowiczej. Prócz wi¹zania ¿elaza, laktoferyna, a nawet tylko jej proteolityczny fragment powsta³y po trawieniu pepsyn¹ i obejmuj¹cy N-koñcowy region
cz¹steczki (laktoferycyna) wykazuj¹ dzia³anie bakteriobójcze, oparte na obecnoœci silnie
zasadowych aminokwasów, które sprawiaj¹, ¿e punkt izoelektryczny laktoferyny (pI)
znajduje siê w przedziale 8,4–9,0, podczas gdy innych przedstawicieli rodziny transferyn
– 5,4–5,9. Silnie elektrododatnia laktoferyna chciwie wi¹¿e ujemnie na³adowane
komponenty komórkowe, np. bakteryjny LPS czy DNA [12,17]. Transferyny, chocia¿
bardzo podobne pod wieloma wzglêdami, ró¿ni¹ siê mechanizmem uwalniania ¿elaza
w ró¿nych warunkach œrodowiska, m.in. ró¿nica dotyczy pH – w przypadku holotransferyny ¿elazo jest uwalniane w pH ok. 5,5, a w przypadku hololaktoferyny – w
pH ≤ 3,5 [1].
Transferyny (holotransferyny) s¹ g³ównym Ÿród³em ¿elaza dla komórek. Prócz tego,
bior¹ one udzia³ w wielu wa¿nych procesach fizjologicznych: reakcji zapalnej,
proliferacji, ró¿nicowaniu i nowotworzeniu komórek, a tak¿e w odpornoœci przeciwzakaŸnej [12,17,39]. Nie tylko laktoferyna i jej pochodne [12], ale równie¿ transferyna
surowicza i owotransferyna maj¹ dzia³anie przeciwbakteryjne, spowodowane zwiêkszeniem przepuszczalnoœci b³ony zewnêtrznej bakterii [2].
Wiêkszoœæ komórek pobiera ¿elazo drog¹ endocytozy swoistych receptorów
wi¹¿¹cych zwi¹zki chelatuj¹ce ¿elazo, rzadziej bez udzia³u tych receptorów. Ten
pierwszy sposób charakteryzuje siê du¿ym powinowactwem, ale ograniczon¹ wydajnoœci¹, ten drugi natomiast – niskim powinowactwem, ale du¿¹ wydajnoœci¹. Po oddaniu
¿elaza nastêpuje recykling transferyny, który jest cech¹ obu procesów, z tym ¿e jest on
bardziej efektywny w przypadku drogi zale¿nej od receptorów [15].
POZYSKIWANIE ¯ELAZA PRZEZ PIERWOTNIAKI
Wiedza na temat mechanizmów zaopatrywania siê paso¿ytniczych pierwotniaków
w ¿elazo pochodz¹ce z organizmu ¿ywiciela jest doœæ uboga. Najwiêcej informacji z
tego zakresu dotyczy zewn¹trzkomórkowych paso¿ytów, szczególnie wiciowców z
rodzaju Trypanosoma, które bytuj¹c w osoczu krwi ssaków mog¹ wykorzystywaæ
zwi¹zki chelatuj¹ce ¿elazo (g³ównie surowicz¹ transferynê) w sposób bezpoœredni.
Trypanosoma brucei (œwidrowiec afrykañski)
Œwidrowiec afrykañski, paso¿yt ssaków, jest czynnikiem etiologicznym œpi¹czki
afrykañskiej u ludzi, przenoszonej przez muchy tse-tse. U form trypomastigota,
wyizolowanych ze krwi, wykazano obecnoœæ receptorów dla transferyny, kodowanych
przez geny ESAG6 i ESAG7 (expression site associated gene). Produkty tych genów
tworz¹ swoisty receptor (TfR) z³o¿ony z glikoprotein: pESAG6 (Mr 50–60 kDa) i
172
H. D£UGOÑSKA, B. DZIADEK, K. DZITKO
pESAG7 (Mr 40-42 kDa). Ten heterodimer jest wbudowany w b³onê za pomoc¹ GPI
(glikozylofasfatydyloinozytolu), który przy³¹cza siê do pESAG6 w siateczce œródplazmatycznej [31]. Brak GPI upoœledza utworzenie dimeru ESAG6-ESAG7 i jego
zakotwiczenie w b³onie komórkowej [7]. U T. brucei stwierdzono a¿ 1000 genów
VSG (variant surface glycoprotein), koduj¹cych hiperzmienn¹ powierzchniow¹
glikoproteinê o Mr ok. 50 kDa, odpowiedzialn¹ za tworzenie bardzo licznych wariantów
antygenowych paso¿yta i kolejne fale (nawet ponad 100) parazytemii u jednego ¿ywiciela.
Czêœæ tych genów zlokalizowana jest w oko³o 20 telomerycznych jednostkach transkrypcyjnych, z których ka¿da zawiera promotor, osiem lub wiêcej genów ESAG (w
wiêkszoœci o nieznanej funkcji), w tym geny ESAG6 i ESAG7 oraz gen VSG. W
danym momencie aktywna jest tylko jedna jednostka transkrypcyjna, co prowadzi do
ekspresji tylko 1 formy VSG i jednej formy receptora ESAG6/ESAG7, chocia¿ jak
niedawno wykazano ok. 20% mRNA dla ESAG6 pochodzi z wyciszonych (silent)
jednostek transkrypcyjnych [5,8]. Receptory kodowane przez poszczególne jednostki
transkrypcyjnie ró¿ni¹ siê znacznie powinowactwem w stosunku do transferyny ró¿nych
gatunków, np. TfR kodowane przez jednostkê 221 wi¹¿¹ silnie transferynê bydlêc¹,
œrednio intensywnie transferynê ludzk¹, a prawie wcale nie wi¹¿¹ transferyny psa;
wartoœci Kd wahaj¹ siê od 0,002 do > 1 mM. U wariantu T. brucei z aktywn¹ jednostk¹
221, hodowanego w obecnoœci transferyny psa, nastêpuje prze³¹czenie na jednostkê
VO2, koduj¹c¹ TfR o wysokim powinowactwie w stosunku do transferyny tego gatunku.
Zmiennoœæ sekwencji aminokwasów w czêœci receptorów wi¹¿¹cej ligand (obszar
obejmuj¹cy aminokwasy 205–215 i 223–238 w N-terminalnej czêœci ESAG6) umo¿liwia
wykorzystywanie transferyny ró¿nych gatunków ssaków, a tak¿e mo¿liwoœæ przystosowania siê do obecnoœci przeciwcia³ antyreceptorowych, powstaj¹cych w przewlek³ym
zara¿eniu i konkuruj¹cych z transferyn¹ o wi¹zanie z TfR [13,32]. Wykazano, ¿e
pokrewny gatunek, Trypanosoma equiperdum cechuje znacznie mniejsze zró¿nicowanie
genów ESAG6, co koreluje ze znacznie mniejszym wachlarzem potencjalnych ¿ywicieli
tego paso¿yta (tylko konie, os³y i mu³y) [16].
Tanaka i wsp. [34] stwierdzili ostatnio, ¿e Trypanosoma brucei wi¹¿e transferyny:
bydlêc¹ i ludzk¹ laktoferynê, bydlêc¹ transferynê i owotransferynê przy u¿yciu dwóch
tych samych bia³ek receptorowych o Mr 40 i 43 kDa. Bia³ko 40 kDa zosta³o zidentyfikowane jako dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego (GAPHD). Warto
nadmieniæ, ¿e enzym ten, zlokalizowany u Staphylococcus aureus w œcianie
komórkowej, wi¹¿e ludzk¹ transferynê. Drugie z opisanych bia³ek, o Mr 43 kDa, jest
byæ mo¿e analogiem ESAG7.
Potraktowanie form bytuj¹cych we krwi T. brucei zwi¹zkiem chelatuj¹cym ¿elazo,
deferoksamin¹, hamuje ich proliferacjê. S¹ one 10-krotnie bardziej wra¿liwe na brak
¿elaza ni¿ komórki ssaków, co otwiera potencjalne mo¿liwoœci terapeutyczne, oparte
na zaburzaniu metabolizmu ¿elaza tych paso¿ytów [9].
Jest interesuj¹ce, ¿e postaci trypomastigota spokrewnionego gatunku Trypanosoma
cruzi, czynnika etiologicznego trypanosomozy amerykañskiej (choroby Chagasa) nie
wi¹¿¹ i nie poch³aniaj¹ transferyny, byæ mo¿e dlatego, ¿e s¹ to formy krótko ¿yj¹ce i
nieproliferuj¹ce. Natomiast formy epimastigotyczne, paso¿ytuj¹ce u pluskwiaków,
RECEPTORY DLA BIA£EK WI¥¯¥CYCH ¯ELAZO U PIERWOTNIAKÓW
173
pobieraj¹ transferynê do cytostomu (otwór pokarmowy u orzêsków i niektórych
wiciowców), sk¹d jest ona transportowana do rezerwosomów, znajduj¹cych siê na tylnym
biegunie komórki i bêd¹cych prawdopodobnie ekwiwalentem lizosomów. Stamt¹d, po
uwolnieniu ¿elaza receptory transferynowe powracaj¹ na powierzchniê komórki [24].
Proces poch³aniania transferyny (Tf) przez komórki T. brucei i ssaków ró¿ni siê
zasadniczo. W tabeli przedstawiono g³ówne cechy receptorów dla transferyny (TfR), a
na rysunku – sam proces jej poch³aniania i recyklingu TfR u cz³owieka i pierwotniaka T.
brucei. U cz³owieka opisano dwa rodzaje receptorów dla transferyny: TfR1 i TfR2.
Funkcja tego drugiego jest s³abo okreœlona [36], st¹d podane w tabeli informacje dotycz¹
tylko TfR1.
Wi¹zanie transferyny przez TfR mo¿e siê odbywaæ na ca³ej powierzchni komórek
cz³owieka, a u T. brucei tylko w jednym wydzielonym miejscu – kieszonce wici, bêd¹cej
zag³êbieniem b³ony, gdzie odbywa siê endo- i egzocytoza [3,24]. Kompleksy Tf-TfR u
ssaków s¹ internalizowane w pêcherzykach pokrytych klatryn¹, a u trypanosomy –
kompleksy Tf-TfR (zakotwiczone w pellikuli przez GPI, glikozylofosfatydyloinozytol)
s¹ najprawdopodobniej przesuwane do wnêtrza komórki wraz z przep³ywem ³adunku
w b³onie. Nastêpnie i jedne, i drugie s¹ dostarczane do endosomów (pH ok. 5,5), a ich
dalszy los ró¿ni siê. W endosomach komórek ssaków ¿elazo od³¹cza siê i przy udziale
DMT1 (czynnika transportuj¹cego metale diwalentne) przedostaje siê do cytosolu, zaœ
holotransferyna przekszta³ca siê w apotransferynê, a ta nadal skompleksowana z TfR
wraca na powierzchniê komórki i tam, w obojêtnym pH (7,4), oddysocjowuje od
receptora i ulega uwolnieniu. Natomiast u T. brucei, apotransferyna jest transportowana
do lizosomów, gdzie ulega degradacji proteolitycznej. Wolne TfR wracaj¹ prawdopodobnie do kieszonki wici [3,28,31]. Mocno zdegradowane fragmenty transferyny,
która uleg³a endocytozie w komórkach T. brucei, mo¿na jednak znaleŸæ w pod³o¿u
TABELA. Porównanie w³aœciwoœci receptorów dla transferyny (TfR) cz³owieka i T. brucei
Cecha
TfR
cz³owiek
T. brucei
Budowa
Homodimer (2 x 90 kDa)
Modyfikacje potranslacyjne
Glikozylacja, fosforylacja,
acylacja
2 0 –7 0 0 x 103
2 domeny przezb³onowe
Heterodimer ESAG6/ESAG7;
ESAG6 50- 60 kDa + ESAG7 40- 42 kDa
Glikozylacja
Liczba kopii na komórkê
Sposób umocowania
w b³onie komórkowej
Wi¹zanie transferyny
liczba cz¹steczek/TfR
liczba cz¹steczek/TfR/h
Powinowactwo do
apotransferyny w pH 7
pH 5
Recykling – powrót TfR
na powierzchniê komórki
po dostarczeniu ¿elaza
3 x 10 3
GPI (glikozylofosfatydyloinozytol)
na C- terminalnym koñcu ESAG6
2
18 (erytoblasty)
1
4 ,5
niskie
wysokie
powraca kompleks
TfR- apotransferyna
wysokie
niskie
powraca sam TfR
174
H. D£UGOÑSKA, B. DZIADEK, K. DZITKO
RYCINA. Poch³anianie transferyny w drodze endocytozy mediowanej przez receptory TfR: A – komórka
ssaka, B – Trypanosoma brucei
RECEPTORY DLA BIA£EK WI¥¯¥CYCH ¯ELAZO U PIERWOTNIAKÓW
175
hodowlanym, co wskazuje na mo¿liwoœæ jej czêœciowego recyklingu, który przebiega z
udzia³em markerów endocytarnych Rab5 i Rab11 [27].
Trichomonas vaginalis (rzêsistek pochwowy)
T. vaginalis zasiedla z du¿¹ czêstoœci¹ nab³onek uk³adu moczop³ciowego u ludzi,
przyczepiaj¹c siê do komórek ¿ywiciela za pomoc¹ cytoadhezyn (AP65, AP51, AP33
i AP23), których ekspresja jest wiêksza w obecnoœci ¿elaza [30,37]. Œrodowisko ¿ycia
otwiera mo¿liwoœæ wykorzystania przez tego paso¿yta, poza prostymi zwi¹zkami ¿elaza,
tak¿e laktoferyny i hemoglobiny (z krwi menstruacyjnej). Intensywnoœæ ekspresji i
powinowactwo bia³ka wi¹¿¹cego laktoferynê (136 kDa) do ligandu jest zale¿na od
stê¿enia ¿elaza w œrodowisku wzrostu [37].
Blisko spokrewniony paso¿yt byd³a Trichomonas foetus, przenoszony drog¹ p³ciow¹,
mo¿e wi¹zaæ zarówno transferynê, jak i laktoferynê, ale co charakterystyczne, z wiêksz¹
intensywnoœci¹ przy³¹cza laktoferynê, w tym silniej laktoferynê bydlêc¹ ni¿ ludzk¹. Na
podstawie testu hamowania kompetycyjnego wykazano, ¿e wi¹zanie laktoferyny tylko
w niewielkim stopniu ma charakter nieswoisty, tj. oparte jest na si³ach elektrostatycznych.
Aktywnoœæ wi¹zania laktoferyny znaleziono we frakcjach powierzchniowych bia³ek
paso¿yta o Mr: 22, 49, 55, 72 i 155 kDa. Nie wiadomo, czy s¹ to ró¿ne bia³ka czy
multimery jednego bia³ka [14]. Tachezy [33] zwraca uwagê, ¿e Trichomonas vaginalis
i Trichomonas foetus maj¹ beztlenowy metabolizm, ze znacz¹cym udzia³em bia³ek
typu FeS (np. ferredoksyna), zlokalizowanych w hydrogenosomach. Te dwufunkcyjne
bia³ka, oprócz udzia³u w metabolizmie energe-tycznym, mog¹ mieæ tak¿e udzia³ w
cytoadhezji paso¿yta. Nie ulega w¹tpliwoœci, ¿e ¿elazo jest bardzo istotnym regulatorem
zjadliwoœci T. foetus. Szczepy o mniejszej wirulencji s³abiej przyswajaj¹ ¿elazo z
transferyny i niskocz¹steczkowych kompleksów ¿elazowych [18]. Inkubowanie T. foetus
w pod³o¿u pozbawionym ¿elaza zwiêksza jego zdolnoœæ adhezji do komórek
nab³onkowych w hodowli in vitro, ale obni¿a aktywnoœæ proteaz cysteinowych paso¿yta
i jego cytotoksycznoœæ [22]. Obserwacje dotycz¹ce zwi¹zku: ¿elazo - zdolnoœæ
cytoadhezji u T. foetus i T. vaginalis s¹ wiêc sprzeczne i byæ mo¿e wskazuj¹, ¿e te
dwa bliskie filogenetycznie gatunki rodzaju Trichomonas ró¿ni¹ siê pod wzglêdem
metabolizmu.
Entamoeba histolytica (pe³zak czerwonki)
Ten kosmopolityczny paso¿yt, czynnik etiologiczny pe³zakowicy jelitowej, wykorzystuje jako Ÿród³o ¿elaza w hodowli in vitro, oprócz soli tego pierwiastka, hemoglobinê
ró¿nych gatunków (cz³owieka, œwini i byd³a), degraduj¹c j¹ przy u¿yciu obojêtnych
proteaz cysteinowych. Swoje wymagania od¿ywcze wzglêdem ¿elaza mo¿e tak¿e
zaspokoiæ wi¹¿¹c, a nastêpnie internalizuj¹c ludzk¹ holotransferynê przy u¿yciu dwóch
bia³ek receptorowych (Mr 140 i 70 kDa), z których jedno jest zlokalizowane w b³onie
komórkowej, a drugie w cytosolu [29]. Te obserwacje nie pokrywaj¹ siê z nieco
wczeœniejszymi, otrzymanymi przez inn¹ grupê badaczy, która œledz¹c szlaki endocytozy
ró¿nych bia³ek u E. histolytica stwierdzi³a, ¿e paso¿yt ten nie poch³ania transferyny,
176
H. D£UGOÑSKA, B. DZIADEK, K. DZITKO
mimo ¿e ma zdolnoœæ internalizowania innych bia³ek: laktoferyny, albuminy i peroksydazy
chrzanowej [6].
Leishmania spp. (leiszmania)
Wiciowce rodzaju Leishmania powoduj¹ u ludzi leiszmaniozê narz¹dow¹, skórn¹ i
b³on œluzowych. Leiszmania wystêpuje w dwóch g³ównych formach: zewn¹trzkomórkowej – promastigota, paso¿ytuj¹cej w jelicie owadów – przenosicieli i wewn¹trzkomórkowej – amastigota, paso¿ytuj¹cej w makrofagach ssaków, w tym u cz³owieka.
Ten dualizm powoduje, ¿e paso¿yt musi siê dopasowaæ do ró¿nych œrodowisk ¿ycia. W
badaniach in vitro wykazano, ¿e postaci promastigota L. chagasi mog¹ wykorzystywaæ
jako Ÿród³o ¿elaza: heminê, holotransferynê i hololaktoferynê, ale nie ferrytynê [37].
Wewn¹trzkomórkowe formy Leishmania spp. zasiedlaj¹ niezwyk³¹ niszê wewn¹trz
makrofagów ssaków – wakuolê paso¿ytnicz¹, której wnêtrze jest silnie kwaœne i
hydrolityczne. Zara¿enie makrofagów nie prowadzi do zmiany intensywnoœci pobierania
przez nie transferyny, zmianie ulega natomiast ich system endocytarny. Endosomy
zawieraj¹ce TfR i transferynê zlewaj¹ siê z wakuol¹ paso¿ytnicz¹. Uwolniona tam
transferyna jest pobierana przez paso¿yty, a nastêpnie kierowana do lizosomo-podobnego
przedzia³u ich komórki [10,24].
Wilson i wsp. [38] kontynuuj¹c badania nad mechanizmem przyswajania ¿elaza
przez formy promastigotyczne L. chagasi stwierdzili, ¿e pobieraj¹ one preferencyjnie
¿elazo w formie zredukowanej, co wi¹¿e siê z ekspresj¹ zale¿nej od NADPH reduktazy
¿elazowej. Redukcja Fe3+ do Fe2+ w transferynie lub laktoferynie sprzyja ich internalizacji
z udzia³em monomerycznej cz¹steczki o Mr 70 kDa, która wi¹¿e jednak nie tylko
transferynê i laktoferynê, ale równie¿ albuminê, a wiêc w przeciwieñstwie do Trypanosoma spp. proces przy³¹czania bia³ek wi¹¿¹cych ¿elazo u Leishmania spp. jest
nieswoisty. Ta nieswoistoœæ mo¿e byæ istotnym biologicznie walorem, który umo¿liwia
wykorzystywanie ró¿nych zwi¹zków ¿elaza u ró¿nych ¿ywicieli.
Toxoplasma gondii (toksoplazma)
Paso¿ytuje wewn¹trzkomórkowo u licznych gatunków ptaków i ssaków, w tym
cz³owieka. Zara¿enie przebiega z regu³y bezobjawowo, z wyj¹tkiem osobników z
os³abion¹ odpornoœci¹ (chorzy na AIDS, biorcy przeszczepów itp.), u których inwazja
T. gondii mo¿e mieæ burzliwy przebieg i powa¿ne nastêpstwa.
Tanaka i wsp. [35] wykazali u toksoplazmy obecnoœæ bia³ka o Mr 42 kDa przy³¹czaj¹cego zarówno bydlêc¹ transferynê, jak i bydlêc¹ laktoferynê oraz owotransferynê. Jaka jest biologiczna rola wi¹zania laktoferyny, nie wiadomo, tym bardziej ¿e
intensywnoœæ jej przy³¹czania wydaje siê byæ niezale¿na od zawartoœci ¿elaza. Warto
te¿ w tym miejscu nadmieniæ, i¿ rok póŸniej Tanaka i wsp. [34] opisali wi¹zanie tych
samych bia³ek chelatuj¹cych ¿elazo u œwidrowca Trypanosoma brucei (informacja
podana we wczeœniejszym fragmencie pracy) z t¹ ró¿nic¹, ¿e u toksoplazmy wykryli
tylko jedno bia³ko wi¹¿¹ce, a u trypanosomy dwa – o Mr 40 i 43 kDa.
RECEPTORY DLA BIA£EK WI¥¯¥CYCH ¯ELAZO U PIERWOTNIAKÓW
177
W b³onie wakuoli paso¿ytniczej, wydzielonego i bezpiecznego przedzia³u komórkowego, w którym bytuje i namna¿a siê T. gondii, nie stwierdzono obecnoœci TfR; ju¿
podczas penetracji typowe, wczesne markery endosomalne, m.in. TfR, s¹ usuwane,
uniemo¿liwiaj¹c zlanie siê wakuoli z lizosomami i wewn¹trzkomórkowe zabicie T. gondii
[23]. Pozostaje wiêc otwart¹ kwesti¹, co jest Ÿród³em i jaki jest mechanizm zaopatrzenia
toksoplazmy w ¿elazo, skoro b³ona wakuoli pozwala tylko na swobodne przemieszczanie
siê cz¹steczek o maksymalnej Mr 1300 Da. Z badañ w³asnych in vitro wynika, ¿e
zara¿enie T. gondii powoduje po 18 h obni¿enie ekspresji TfR na makrofagach myszy
(w sposób zale¿ny od dawki), ale nie na fibroblastach, powszechnie u¿ywanych w
laboratoriach do namna¿ania toksoplazmy [11]. Zmiany w ekspresji TfR na zara¿onych
komórkach s¹ wiêc zale¿ne od ich rodzaju.
Laktoferycyna, 25-aminokwasowy peptyd otrzymywany przez trawienie laktoferyny
pepsyn¹, obni¿a infekcyjnoœæ sporozoitów T. gondii, mierzon¹ przez ich zdolnoœæ do
penetracji komórek w hodowli in vitro, jak i podwy¿szenie dawki oraz przed³u¿enie
czasu prze¿ycia zara¿onych zwierz¹t doœwiadczalnych [26]. Chocia¿ laktoferycyna
mo¿e byæ generowana in vivo w warunkach naturalnych z laktoferyny œluzu przewodu
pokarmowego pod wp³ywem pepsyny ¿o³¹dka, to nie jest pewne, czy mog¹ byæ osi¹gniête
a¿ tak wysokie stê¿enia, jak te okreœlone w pracy jako s³abo i silnie inhibicyjne (100 i
1000 µg/ml). Z kolei, aby wykorzystaæ ¿elazo zwi¹zane z laktoferyn¹, paso¿yty musz¹
byæ oporne na jej bezpoœredni¹ cytotoksyczn¹ aktywnoœæ. Brak dotychczas informacji
o mechanizmach unikania tego paso¿ytobójczego dzia³ania, zarówno w odniesieniu do
T. gondii, jak i innych paso¿ytniczych pierwotniaków, zaœ samo pobieranie laktoferyny
wysyconej ¿elazem ma niew¹tpliwie dzia³anie propaso¿ytnicze [12].
UWAGI KOÑCOWE
Problem pozyskiwania i przyswajania niezbêdnego do ¿ycia ¿elaza u paso¿ytniczych
pierwotniaków jest bardziej z³o¿ony ni¿ u innych organizmów, m.in. ze wzglêdu na
skomplikowane cykle rozwojowe paso¿ytów i z³o¿one interakcje ¿ywiciel-paso¿yt,
bêd¹ce skutkiem d³ugotrwa³ych ewolucyjnie kontaktów. Ró¿ne postaci rozwojowe
paso¿ytniczych pierwotniaków mog¹ ¿yæ u ró¿nych gatunków ¿ywicieli, nie tylko w
ró¿nych tkankach, ale równie¿ wewn¹trz lub na zewn¹trz komórek, co sprawia, ¿e
najprawdopodobniej wykorzystuj¹ ró¿ne mechanizmy zdobywania ¿elaza, niezbêdnego
do prze¿ycia i replikacji. W przeciwieñstwie do bakterii, u pierwotniaków nie opisano
dotychczas wydzielania sideroforów, które z du¿ym powinowactwem wi¹¿¹ ¿elazo, a
potem s¹ internalizowane z udzia³em swoistych receptorów œciany bakterii. Wyj¹tkowo
wdziêcznym modelem do badañ nad sposobami zaopatrzenia w ¿elazo okaza³y siê
wiciowce rodzaju Trypanosoma, ale tylko formy zewn¹trzkomórkowe (trypomastigotyczne), bytuj¹ce w osoczu krwi. Bardzo sk¹pe informacje dotycz¹ bezwzglêdnych
wewn¹trzkomórkowych paso¿ytów, np. Toxoplasma gondii czy Plasmodium spp.
(zarodziec). Mimo wieloletnich intensywnych badañ, Ÿród³o i sposób zaopatrzenia
178
H. D£UGOÑSKA, B. DZIADEK, K. DZITKO
zarodŸców malarii w ¿elazo pozostaj¹ nadal bardzo enigmatyczne [21,37]. Opisane
dotychczas receptory dla transferyny surowiczej, g³ównego bia³ka transportuj¹cego
¿elazo i dostarczaj¹cego go komórkom pierwotniaków, wyraŸnie siê ró¿ni¹ nie tylko u
ró¿nych gatunków, ale tak¿e stadiów rozwojowych jednego gatunku. To zró¿nicowanie
TfR dotyczy m.in. ich lokalizacji w komórkach pierwotniaków. Na przyk³ad u
Leishmania spp., postaæ amastigota, rezyduj¹ca wewn¹trzkomórkowo, cechuje siê
równomiernym rozmieszczeniem TfR na ca³ej powierzchni komórki, podczas gdy postaæ
zewn¹trzkomórkowa – wybiórczym ich zgrupowaniem w kieszonce wici. Ró¿ne miejsca
ekspresji TfR i ich endocytozy odzwierciedlaj¹ ró¿ne œrodowiska, w których dane
paso¿yty musz¹ prze¿yæ i st¹d zapewne u postaci zewn¹trzkomórkowych koniecznoœæ
ukrycia TfR w kieszonce wici, co ogranicza dostêp komórek efektorowych systemu
immunologicznego. Badanie metabolizmu ¿elaza u wewn¹trzkomórkowych paso¿ytniczych pierwotniaków utrudnia fakt, ¿e mog¹ one czerpaæ ¿elazo tak¿e z cytosolowych zasobów komórek ¿ywicielskich, w sposób elastyczny wykorzystuj¹c egzogenne
i endogenne Ÿród³a tego elementu, co wykazano u bakterii Mycobacterium tuberculosis, rezyduj¹cych w fagosomach makrofagów [25]. Warto te¿ nadmieniæ, ¿e surowicza
transferyna o du¿ej zdolnoœci wi¹zania nie tylko ¿elaza, ale i innych metali i w warunkach
fizjologicznych tylko czêœciowo wysycona przez ¿elazo, mo¿e byæ wykorzystana do
terapii, dostarczaj¹c do komórek, drog¹ zale¿n¹ i niezale¿n¹ od TfR, ró¿ne leki, w tym
terapeutyczne kationy Ga3+ i Ru3+ o w³aœciwoœciach przeciw-nowotworowych,
szczególnie ¿e komórki nowotworowe wykazuj¹ wysok¹ ekspre-sjêTfR [19]. Znajomoœæ
procesów pobierania ¿elaza przez paso¿ytnicze pierwotniaki mo¿e wiêc mieæ znaczenie
nie tylko czysto poznawcze, ale i aplikacyjne.
LITERATURA
[1] ABDALLAH FB, EL HAGE CHACHINE JM. Transferrins: iron release from lactoferrin. J Mol Biol 2000;
303: 255–266.
[2] AGUILERA O, QUIROS LM, FIERRO JF. Transferrins selectively cause ion efflux through bacterial and
artificial membranes. FEBS Lett 2003; 548: 5–10.
[3] AISEN P. Transferrin receptor 1. Int J Bioch Cell Biol 2004; 36: 2137–2143.
[4] AISEN P, ENNS C, WESLING-RESNICK M. Chemistry and biology of eukaryotic iron metabolism. Int J
Bioch Cell Biol 2001; 33: 940–959.
[5] ANSORGE I, STEVERDING D, MELVILLE S, HARTMANN C, CLAYTON C. Transcription of ‘inactive’
expression sites in African trypanosomes leads to expression of multiple transferrin receptors RNAs in
bloodstream forms. Mol Bioch Parasitol 1999; 101: 81–94.
[6] BATISTA EJ, de MENEZES FEITOSA LF, de SOUZA W. The endocytic pathway in Entamoeba histolytica. Parasitol Res 2000, 86: 881–890.
[7] BIEBINGER S, HELFERT S, STEVERDING D, ANSORGE I, CLAYTON C. Impaired dimerization and
trafficking of ESAG6 lacking a glycosyl-phosphatidylinositol anchor. Mol Bioch Parasitol 2003; 132:
93–96.
[8] BORST P, ULBERT S. Control of VSG gene expression sites. Mol Bioch Parasitol 2001; 25: 17–27.
[9] BREIDBACH T, SCORY S, KRAUTH-SIEGEL RL, STEVERDING D. Growth inhibition of bloodstream
forms of Trypanosoma brucei by the iron chelator deferoxamine. Int J Parasitol 2002; 32: 473–479.
RECEPTORY DLA BIA£EK WI¥¯¥CYCH ¯ELAZO U PIERWOTNIAKÓW
179
[10] BURCHMORE RJS, BARRETT MP. Life in vacuoles – nutrient acquisition by Leishmania amastigotes.
Int J Parasitol 2001; 31: 1311–1320.
[11] DZIADEK B, DYTNERSKA K, D£UGOÑSKA H. The modulation of transferrin receptors level on mouse
macrophages and fibroblasts by Toxoplasma gondii. Pol J Microbiol 2004; 53, suppl.: 75–80.
[12] FARNAUD S, EVANS RW. Lactoferrin – a multifunctional protein with antimicrobial properties. Mol
Immunol 2003; 40: 395–405.
[13] GERRITS H, MUSSMANN R, BITTER W., KIEFT R, BORST P. The physiological significance of
transferrin receptor variations in Trypanosoma brucei. Mol Bioch Parasitol 2002; 119: 237–247.
[14] GRAB DJ, LONSDALE-ECCLES JD, OLI MW, CORBEIL LB. Lactoferrin-binding proteins of Tritrichomonas foetus. J Parasitol 2001; 87: 106–1070.
[15] IKUTA K, ZAK O, AISEN P. Recycling, degradation and sensitivity to the synergistic anion of transferrin in
the receptor-independent route of iron uptake by human hepatoma (HuH-7) cells. Int J Bioch Cell Biol
2004; 36: 340–352.
[16] ISOBE T, HOLMES EC, RUDENKO G. The transferrin receptor genes of Trypanosoma equiperdum are
less diverse in their transferrin binding site than those of broad-host range. J Mol Evol 2003; 56: 377–386.
[17] KRUZEL ML. Rola laktoferyny w rozwoju ostrych stanów zapalnych. Post Hig Med Doœw 2003; 57:
377–404.
[18] KULDA J, POISLOVÁ M, SUCHAN P, TACHEZY J. Iron enhancement of experimental infection of
mice by Tritrichomonas foetus. Parasitol Res 1999; 85: 692–699.
[19] LI H, SUN H, MING QUIAN Z. The role of the transferrin-transferrin receptor system in drug delivery and
targeting. Trends Pharm Sci 2002; 23: 206–209.
[20] LIEU PT, HEISKALA M, PETERSON PA, YANG Y. The roles of iron in health and disease. Mol Aspects
Med 2001; 22: 1–87.
[21] MABEZA GF, LOYEVSKY M, GORDEUK VR, WEISS G. Iron chelatation therapy for malaria: a review.
Pharmacol Ther 1999; 81: 53–75.
[22] MELO-BRAGA MB, da ROCHA-AZEVEDO B, SILVA-FILHO FC. Tritrichomonas foetus: the role played
by iron during parasite interaction with epithelial cells. Exp Parasitol 2003; 105: 111–120.
[23] MORDUE DG, HÅKANSSON S, NIESMAN I, SIBLEY LD. Toxoplasma gondii resides in a vacuole that
avoids fusion with host cell endocytic and exocytic vesicular trafficking pathways. Exp Parasitol 1999; 92:
87–99.
[24] MORGAN GW, HALL BS, DENNY PW, CARRINGTON M, FIELD MC. The kinetoplastida endocytic
apparatus. Part I: a dynamic system for nutrition and evasion of host defences. Trends Parasitol 2002; 18:
491–496.
[25] OLAKANMI O, SCHLESINGER LS, AHMED A, BRITIGAN BE. Intraphagosomal Mycobacterium tuberculosis acquires iron from both extracellular transferrin and intracellular iron pools. Impact of
interferon-gamma and hemochromatosis. J Biol Chem 2002; 277: 49727–49734.
[26] OMATA Y, SATAKE M, MAEDA R, SAITO A, SHIMAZAKI K, YAMAUCHI K, UZUKA Y, TANABE S,
SARASHINA T, MIKAMI T. Reduction of the infectivity of Toxoplasma gondii and Eimeria stiedai sporozoites by treatment with bovine lactoferricin. J Vet Med Sci 2001; 63: 187–190.
[27] PAL A, HALL BS, JEFFRIES TR, FIELD MC. Rab5 and Rab11 mediate transferrin and anti-variant
surface glycoprotein antibody recycling in Trypanosoma brucei. Biochem J 2003; 374: 443–451.
[28] PONKA P, LOK CN. The transferrin receptor: role in health and disease. Int J Bioch Cell Biol 1999; 31:
1111–1137.
[29] REYES-LÓPEZ M, SERRANO-LUNA JJ, NEGRETE-ABASCAL E, LEÓN-SICAIROS N, GUERREROBARRERA AL, de la GARZA M. Entamoeba histolytica: transferrin binding proteins. Exp Parasitol
2001; 99: 132–140.
[30] RYU JS, CHOI HK, MINDYHA SE, AHN MH. Effect of iron on the virulence of Trichomonas vaginalis.
J Parasitol 2001; 87: 457–460.
[31] STEVERDING D. The transferrin receptor of Trypanosoma brucei. Parasitol Int 2000; 48: 191–198.
[32] STEVERDING D. The significance of transferrin receptor variation in Trypanosoma brucei. Trends Parasitol 2003; 19: 125–127.
[33] TACHEZY J. More on iron acquisition by parasitic protozoa. Parasitol Today 1999; 15: 207.
[34] TANAKA T, ABE Y, INOUE N, KIM WS, KUMURA H, NAGASAWA H, IGARASHI I, SHIMAZAKI K.
The detection of bovine lactoferrin binding protein on Trypanosoma brucei. J Vet Med Sci 2004; 66:
619–625.
180
H. D£UGOÑSKA, B. DZIADEK, K. DZITKO
[35] TANAKA T, ABE Y, KIM WS, XUAN X, NAGASAWA H, IGARASHI I, KUMURA H, SHIMAZAKI K.
The detection of bovine lactoferrin binding protein on Toxoplasma gondii. J Vet Med Sci 2003; 65: 1377–
1380.
[36] TRINDER D, BAKER E. Transferrin receptor 2: a new molecule in iron metabolism Int J Bioch Cell Biol
2003; 35: 292–296.
[37] WILSON ME, BRITIGAN BE. Iron acquisition by parasitic protozoa. Parasitol Today 1998; 14: 348–353.
[38] WILSON ME, LEWIS TS, MILLER MA, McCORMICK ML, BRITIGAN BE. Leishmania chagasi:
uptake of iron bound to lactoferrin requires an iron reductase. Exp Parasitol 2002; 100: 196–207.
[39] XIE H, HUFF GR, HUFF WE, BALOG JM, RATH NC. Effects of ovotransferrin on chicken macrophages
and heterophil-macrophages. Dev Comp Immunol 2002; 26: 805–815.
Redaktor prowadz¹cy – Barbara P³ytycz
Otrzymano: 12.12.2004 r.
Przyjêto: 10.01.2005 r.
ul. Banacha 12/16, 90-237 £ódŸ
e-mail:[email protected]