Proteína 1 de la membrana del eritrocito de Plasmodium falciparum

La proteína de membrana del eritrocito de Plasmodium falciparum 1 ( PfEMP1 ) es una familia de proteínas presentes en la superficie de la membrana de los glóbulos rojos (eritrocitos) infectados por el parásito de la malaria Plasmodium falciparum . La PfEMP1 se sintetiza durante la fase sanguínea del parásito ( esquizogonia eritrocítica ) dentro del glóbulo rojo, durante la cualse manifiestan los síntomas clínicos de la malaria por Plasmodium falciparum . Al actuar como antígeno y proteína de adhesión , se cree que desempeña un papel clave en el alto nivel de virulencia asociado con P. falciparum . Fue descubierta en 1984 cuando se informó que los glóbulos rojos infectados tenían proteínas de membrana celular de tamaño inusualmente grande, y que estas proteínas tenían propiedades de unión a anticuerpos (antigénicas). Una proteína difícil de detectar, cuya estructura química y propiedades moleculares se revelaron una década después, en 1995. Ahora se sabe que no existe una sola proteína, sino una gran familia de proteínas PfEMP1, reguladas genéticamente (codificadas) por un grupo de aproximadamente 60 genes llamados var . Cada P. falciparum puede activar y desactivargenes var específicos para producir una proteína funcionalmente diferente , evadiendo así el sistema inmunitario del huésped. Los glóbulos rojos que portan PfEMP1 en su superficie se adhieren a las células endoteliales , lo que facilita su unión con glóbulos rojos no infectados (a través de los procesos de secuestro y formación de rosetas), lo que en última instancia ayuda al parásito a propagarse a otros glóbulos rojos y a provocar los síntomas fatales de la malaria por P. falciparum .

La malaria es la más mortal entre las enfermedades infecciosas, responsable de aproximadamente 429.000 muertes humanas en 2015 según la última estimación de la Organización Mundial de la Salud . ^{[ 2 ]} En los humanos, la malaria puede ser causada por cinco parásitos Plasmodium , a saber, P. falciparum , P. vivax , P. malariae , P. ovale y P. knowlesi . ^{[ 3 ]} P. falciparum es la especie más peligrosa, atribuida a más del 99% de las muertes por malaria, y el 70% de estas muertes ocurren en niños menores de cinco años. ^{[ 2 ]} Los parásitos se transmiten a través de las picaduras de mosquitos hembra (de la especie Anopheles ). Antes de invadir los glóbulos rojos y causar los síntomas de la malaria, los parásitos primero se multiplican en el hígado . Los parásitos hijos llamados merozoitos luego infectan solo los glóbulos rojos. Experimentan un desarrollo estructural dentro de los glóbulos rojos, convirtiéndose en trofozoitos y esquizontes. Es durante este período que se producen los síntomas de la malaria. ^{[ 4 ]}

A diferencia de los glóbulos rojos infectados por otras especies de Plasmodium , se sabía que los glóbulos rojos infectados por P. falciparum se adherían espontáneamente entre sí. A principios de la década de 1980, se estableció que cuando el parásito (tanto en su forma de trofozoíto como de esquizonte) ingresa al torrente sanguíneo e infecta los glóbulos rojos, las células infectadas forman protuberancias en su superficie. Luego se vuelven pegajosas y se adhieren a las paredes (endotelio) de los vasos sanguíneos a través de un proceso llamado citoadhesión o citoadherencia. ^{[ 5 ]} Dicha adhesión favorece la unión y acumulación con otros glóbulos rojos. Este proceso se conoce como secuestro. ^{[ 6 ]} Es durante esta condición que los parásitos inducen una respuesta inmune (reacción antígeno-anticuerpo) y evaden la destrucción en el bazo. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Aunque el proceso y la importancia del secuestro fueron descritos en detalle por dos médicos italianos, Amico Bignami y Ettore Marchiafava , a principios de la década de 1890, se tardó un siglo en descubrir el factor real de la adherencia y la virulencia. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

PfEMP1 fue descubierto por Russell J. Howard y sus colegas en los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. en 1984. Utilizando las técnicas de radioyodación e inmunoprecipitación , encontraron un antígeno único pero aún desconocido de los glóbulos rojos infectados con P. falciparum que parecía causar la unión con otras células. ^{[ 11 ]} Dado que la proteína antigénica solo podía detectarse en células infectadas, afirmaron que la proteína era producida por el parásito de la malaria, y no por los glóbulos rojos. El antígeno era grande y parecía tener un tamaño diferente en distintas cepas de P. falciparum obtenidas del mono nocturno ( Aotus ). En una cepa, llamada Camp (de Malasia), se encontró que el antígeno tenía un tamaño molecular de aproximadamente 285 kDa; mientras que en la otra, llamada Santa Lucía (de El Salvador), era de aproximadamente 260 kDa. Ambos antígenos se unen a células de cáncer de piel ( melanoma ) cultivadas. Pero los investigadores no lograron confirmar si la proteína era realmente una molécula de adhesión a la pared de los vasos sanguíneos. ^{[ 12 ]} Más tarde, ese mismo año, descubrieron que el antígeno desconocido estaba asociado únicamente con los glóbulos rojos que presentaban pequeñas protuberancias llamadas nódulos en su superficie. ^{[ 13 ]} El primer antígeno de glóbulos rojos humanos se informó en 1986. El equipo de Howard descubrió que los antígenos de niños gambianos que padecían malaria por Plasmodium falciparum eran similares a los de los glóbulos rojos del mono nocturno. Determinaron que los tamaños moleculares de las proteínas oscilaban entre 250 y 300 kDa. ^{[ 14 ]}

En 1987, descubrieron otro tipo de antígeno de superficie de las mismas cepas de Camp y Santa Lucía de parásitos de la malaria. También se trataba de una proteína de gran tamaño, de aproximadamente 300 kDa, pero bastante diferente de los antígenos descritos en 1984. La nueva proteína no podía unirse a las células de melanoma y se encontraba únicamente en el interior celular. Por lo tanto, la denominaron proteína de membrana del eritrocito de Plasmodium falciparum 1 (PfEMP1), para distinguirla de la proteína de membrana del eritrocito de Plasmodium falciparum 2 (PfEMP2), recientemente identificada. ^{[ 15 ]} Esta distinción se confirmó al año siguiente, con la información adicional de que la PfEMP1 se encuentra en menor cantidad. ^{[ 16 ]}

Aunque algunas de las propiedades de PfEMP1 estaban firmemente establecidas, la proteína era difícil de aislar debido a su baja frecuencia. Cinco años después de su descubrimiento, uno de los investigadores originales, Irwin Sherman, comenzó a dudar de la existencia de PfEMP1 como una proteína única. ^{[ 10 ]} Argumentó que el antígeno podría ser simplemente una proteína de superficie de los glóbulos rojos que cambia tras la infección con parásitos de la malaria. ^{[ 17 ]} Se llegó a un consenso en 1995 tras la identificación (por clonación ) del gen de PfEMP1. El descubrimiento de los genes fue informado independientemente por el equipo de Howard y otros dos equipos en los NIH. El equipo de Howard identificó dos genes para PfEMP1, y se demostró que los productos de proteínas recombinantes de estos genes tenían propiedades antigénicas y adhesivas. Además, afirmaron que PfEMP1 es la molécula clave en la capacidad de P. falciparum para evadir el sistema inmunitario del huésped. ^{[ 18 ]} Joseph D. Smith y otros demostraron que PfEMP1 es en realidad una gran familia de proteínas codificadas por una familia multigénica llamada var . Los productos génicos pueden unirse a una variedad de receptores, incluidos los de las células endoteliales. ^{[ 19 ]} Xin-Zhuan Su y otros demostraron que podría haber más de 50 genes var que se distribuyen en diferentes cromosomas del parásito de la malaria. ^{[ 20 ]}

PfEMP1 es una gran familia de proteínas con pesos moleculares elevados que oscilan entre 200 y 350 kDa. ^{[ 21 ]} El amplio rango de tamaño molecular refleja una variación extrema en la composición de aminoácidos de las proteínas. Sin embargo, todas las proteínas PfEMP1 pueden describirse como poseedoras de tres componentes estructurales básicos: un dominio extracelular (ECD), un dominio transmembrana (TMD) y un segmento terminal ácido intracelular (ATS). El dominio extracelular está completamente expuesto en la superficie celular y es la región más variable. Consta de varios subdominios, incluyendo un segmento N terminal (NTS) corto y conservado en la región más externa, seguido de un dominio DBL ( Duffy -binding-like) altamente variable, a veces un dominio C2 de unión a Ca2 ⁺ , y luego una o dos regiones interdominio ricas en cisteína (CIDR). ^{[ 9 ] [ 22 ]}

Los dominios similares a la unión de Duffy se denominan así por su similitud con las proteínas de unión de Duffy de P. vivax y P. knowlesi . ^{[ 23 ]} Hay seis tipos variantes de DBL, denominados DBLα, DBLβ, DBLγ, DBLδ, DBLε y DBLζ. CIDR también se divide en tres clases: CIDRα, CIDRβ y CIDRγ. ^{[ 24 ]} Tanto DBL como CIDR tienen un tipo adicional llamado PAM, llamado así por su participación específica en la malaria asociada al embarazo (PAM). ^{[ 25 ]} A pesar de la diversidad de las proteínas DBL y CIDR, la región amino terminal extracelular está parcialmente conservada, consta de unos 60 aminoácidos de NTS, uno de cada una de las proteínas DBLα y CIDR1 en tándem. Esta región semiconservada DBLα-CIDR1 se denomina estructura de la cabeza. ^{[ 26 ]} La última región CIDR se une al TMD, que está incrustado en la membrana celular. El TMD y el ATS están altamente conservados entre diferentes PfEMP1, ^{[ 27 ]} y sus estructuras se han resuelto usando RMN en solución ( PDB : 2LKL ​) . ^{[ 28 ]}

La estructura de la cabeza está seguida por una combinación variable de diversas proteínas DBL y CIDR, y en muchos casos junto con C2. Esta variación da lugar a diferentes tipos de PfEMP1. La combinación DBL-CIDR en un tipo particular de proteína PfEMP1 nunca es aleatoria, sino que se organiza en secuencias específicas conocidas como casetes de dominio. ^{[ 29 ]} En algunos casetes de dominio, hay solo dos o pocos dominios DBL y dominios CIDR, pero en otros cubren toda la longitud de PfEMP1. Estas diferencias son responsables de la diferente capacidad de unión entre los diferentes PfEMP1. ^{[ 30 ]} Por ejemplo, entre los tipos más conocidos, VAR3 (anteriormente llamado PfEMP1 tipo 3) es el más pequeño, consta solo de NTS con dominios DBL1α y DBL2ε en el ECD. Su tamaño molecular es de aproximadamente 150 kDa. ^{[ 31 ]} En el tipo de casete de dominio (DC) 4, el ECD está compuesto por tres dominios DBLα _1.1/1.4 , CIDRα _1.6 y DBLβ _3. El dominio DBLβ ₃ contiene un sitio de unión para la molécula de adhesión intercelular 1 ( ICAM1 ). Esto está particularmente implicado en el desarrollo de la infección cerebral. ^{[ 32 ]} VAR2CSA es atípico al tener un único casete de dominio que consta de tres dominios DBL _PAM N-terminales seguidos de tres dominios DBLε y un CIDR _PAM . Los siete dominios siempre aparecen juntos. El NTS habitual está ausente. ^{[ 33 ] [ 34 ]} La proteína se une específicamente al sulfato de condroitina A (CSA); de ahí el nombre VAR2CSA. ^{[ 35 ]}

Las proteínas PfEMP1 están reguladas y producidas (codificadas) por unos 60 genes var diferentes, ^{[ 37 ]} pero un individuo P. falciparum activaría solo un único gen var a la vez para producir solo un tipo de PfEMP. ^{[ 38 ] [ 39 ]} Los genes var se distribuyen en dos exones . El exón 1 codifica los aminoácidos del ECD altamente variable, ^{[ 40 ]} mientras que el exón 2 codifica los del TMD y ATS conservados. ^{[ 41 ]} Con base en su ubicación en el cromosoma y secuencia, los genes var generalmente se clasifican en tres grupos principales, A, B y C, y dos grupos intermedios, B/A y B/C; ^{[ 9 ] [ 42 ]} o a veces simplemente en cinco clases, upsA , upsB , upsC , upsD y upsE respectivamente. ^{[ 43 ]} Los grupos A y B se encuentran hacia la región terminal ( subtelomérica ) del cromosoma, mientras que el grupo C está en la región central ( centromérica ). ^{[ 44 ] [ 45 ]}

Una vez que la proteína PfEMP1 se sintetiza completamente ( se traduce ), se transporta al citoplasma hacia la membrana del eritrocito. El NTS es crucial para este movimiento direccional. ^{[ 26 ]} Dentro del citoplasma, la proteína recién sintetizada se une a una vesícula membranosa similar al aparato de Golgi llamada hendidura de Maurer . ^{[ 46 ]} Dentro de las hendiduras de Maurer se encuentra una familia de proteínas llamadas proteínas subteloméricas intercaladas helicoidales de Plasmodium ( PHIST ). De las proteínas PHIST, PFI1780w y PFE1605w se unen al ATS intracelular de PfEMP1 durante el transporte a la membrana del eritrocito. ^{[ 28 ] [ 47 ]}

La molécula PfEMP1 se deposita en la membrana del eritrocito en los nódulos. ^{[ 48 ]} Estos nódulos se identifican fácilmente como protuberancias conspicuas en los eritrocitos infectados desde la etapa temprana de trofozoíto en adelante. ^{[ 49 ]} El parásito de la malaria no puede inducir su virulencia en eritrocitos sin nódulos. ^{[ 50 ]} Hasta 10 000 nódulos se distribuyen por toda la superficie de un eritrocito infectado maduro, y cada nódulo tiene  un diámetro de 50-80 nm. ^{[ 1 ]} La exportación de pfEMP1 desde la hendidura de Maurer a la membrana del eritrocito está mediada por la unión de otra proteína producida por el parásito llamada proteína rica en histidina asociada a nódulos ( KAHRP ). KAHRP aumenta la rigidez estructural del eritrocito infectado y la adhesión de PfEMP1 en los nódulos. ^{[ 51 ]} También es directamente responsable de la formación de nudos, como lo indica el hecho de que los parásitos de la malaria deficientes en el gen kahrp no forman nudos. ^{[ 52 ]} Para formar un nudo, KAHRP agrega varias proteínas del esqueleto de membrana del eritrocito huésped, como espectrina , actina , anquirina R y el complejo espectrina-actina banda 4.1. ^{[ 53 ]} Al llegar al nudo, PfEMP1 se une a la red de espectrina mediante las proteínas PHIST. ^{[ 54 ] [ 36 ]}

La función principal de PfEMP1 es unirse y adherir los glóbulos rojos a la pared de los vasos sanguíneos. Las propiedades de unión más importantes de P. falciparum conocidas hasta la fecha están mediadas por la estructura de la cabeza de PfEMP1, que consta de dominios DBL y CIDR. ^{[ 55 ]} Los dominios DBL pueden unirse a una variedad de receptores celulares, incluidos la trombospondina (TSP), el receptor del complemento 1 (CR1), el sulfato de condroitina A (CSA), ^{[ 5 ]} la P-selectina , ^{[ 56 ]} el receptor de la proteína C endotelial (EPCR), ^{[ 57 ]} y el sulfato de heparano . ^{[ 58 ]} El dominio DBL adyacente a la estructura de la cabeza se une a ICAM-1. ^{[ 59 ]} Los CIDR se unen principalmente a una gran variedad de determinante de clúster 36 ( CD36 ). ^{[ 21 ] [ 60 ]} Estas uniones producen las características patógenas del parásito, como el secuestro de células infectadas en diferentes tejidos, ^{[ 61 ]} la invasión de glóbulos rojos, ^{[ 62 ]} y la agrupación de células infectadas mediante un proceso llamado formación de rosetas. ^{[ 63 ]}

La proteína CIDR1 en la estructura de cabeza semiconservada es el sitio de adhesión principal y mejor comprendido de PfEMP1. Se une con CD36 en las células endoteliales. ^{[ 65 ] [ 66 ]} Solo las proteínas de los grupos B y C pueden unirse, y también solo con aquellos que tienen tipos de secuencia CIDRα2-6. Por otro lado, las proteínas del grupo A tienen CIDRα1 o CIDRβ/γ/δ, y son responsables de la condición más grave de malaria. ^{[ 45 ]} La unión con ICAM-1 se logra a través del dominio DBLβ adyacente a la estructura de cabeza. Sin embargo, muchos PfEMP1 que tienen el dominio DBLβ no se unen a ICAM-1, ^{[ 67 ]} y parece que solo el DBLβ emparejado con el dominio C2 puede unirse a ICAM-1. ^{[ 61 ]} El par en tándem DBLα-CIDRγ es el factor principal para la formación de rosetas, ^{[ 64 ]} uniendo los glóbulos rojos infectados con las células no infectadas y, por lo tanto, obstruyendo los vasos sanguíneos. Esta actividad se realiza mediante la unión con CR1. ^{[ 63 ] [ 68 ]}

La infección palúdica más peligrosa se produce en el cerebro y se denomina malaria cerebral. En la malaria cerebral, las proteínas PfEMP1 implicadas son DC8 y DC13. Su nombre se debe al número de casetes de dominio que contienen y son capaces de unirse no solo a las células endoteliales del cerebro, sino también a otros órganos como el cerebro, los pulmones, el corazón y la médula ósea . ^{[ 69 ]} Inicialmente, se asumió que PfEMP1 se unía a ICAM-1 en el cerebro, pero se descubrió que DC8 y DC13 eran incompatibles con ICAM-1. En cambio, DC8 y DC13 se unen específicamente a EPCR mediante subtipos de CIDRα como CIDRα _1.1 , CIDRα _1.4 , CIDRα _1.5 y CIDRα _1.7 . ^{[ 57 ]} Sin embargo, posteriormente se demostró que DC13 puede unirse tanto a ICAM-1 como a EPCR. ^{[ 70 ]} Por lo tanto, EPCR es una diana potencial para vacunas y fármacos en la malaria cerebral. ^{[ 71 ]}

VAR2CSA es único porque se produce principalmente en la placenta durante el embarazo (la condición denominada malaria asociada al embarazo , MAE, o malaria placentaria). Por lo tanto, la mayoría de los casos de MAE se deben a VAR2SCA. ^{[ 27 ]} A diferencia de otros PfEMP1, VAR2CSA se une al sulfato de condroitina A presente en el endotelio vascular de la placenta. Aunque sus dominios individuales pueden unirse a CSA, se utiliza toda su estructura para una unión completa. ^{[ 72 ]} La principal complicación de la MAE son los bebés con bajo peso al nacer. Sin embargo, las mujeres que sobreviven a la primera infección generalmente desarrollan una respuesta inmunitaria eficaz. En las regiones de África donde prevalece P. falciparum , se ha observado que las mujeres embarazadas contienen altos niveles de anticuerpos ( inmunoglobulina G , o IgG) contra VAR2CSA, que las protegen del parásito de la malaria que ataca la placenta. Se caracterizan por dar a luz a bebés más pesados. ^{[ 33 ]}

En un sistema inmunitario humano normal, la unión del parásito de la malaria a los glóbulos rojos estimula la producción de anticuerpos que atacan las moléculas de PfEMP1. La unión del anticuerpo con PfEMP1 desactiva las propiedades de unión de los dominios DBL, lo que provoca la pérdida de la adhesión celular y la destrucción del glóbulo rojo infectado. En este caso, se evita la malaria. ^{[ 73 ]} Sin embargo, para evadir la respuesta inmunitaria del huésped, diferentes cepas de P. falciparum activan y desactivan distintos genes var para producir PfEMP1 funcionalmente diferentes (antigénicamente distintos). Cada variante de PfEMP1 tiene una propiedad de unión diferente y, por lo tanto, no siempre es reconocida por los anticuerpos. ^{[ 74 ]}

Por defecto, todos los genes var del parásito de la malaria están inactivados. La activación ( expresión génica ) de var se inicia tras la infección de los órganos. Además, en cada órgano solo se activan genes var específicos . La gravedad de la infección está determinada por el tipo de órgano afectado y, por lo tanto, por el tipo de gen var activado. Por ejemplo, en los casos más graves de malaria, como la malaria cerebral, solo se activan los genes var de las proteínas PfEMP1 DC8 y DC13. ^{[ 75 ] [ 76 ]} Tras la síntesis de DC8 y DC13, sus dominios CIDR _α1 se unen a EPCR, lo que desencadena la malaria grave. ^{[ 77 ]} La abundancia de los productos génicos ( transcritos ) de estas proteínas PfEMP1 (específicamente los transcritos del subtipo CIDR _α1 ) se relaciona directamente con la gravedad de la enfermedad. Esto indica, además, que prevenir la interacción entre CIDR _α1 y EPCR sería un buen objetivo para una posible vacuna. ^{[ 78 ] [ 79 ]} En la malaria asociada al embarazo, otro tipo grave de malaria por Plasmodium falciparum, el gen VAR2CSA (denominado var2csa ) se activa en la placenta. La unión de VAR2CSA a CSA es la causa principal del parto prematuro, la muerte del feto y la anemia grave en la madre. ^{[ 72 ]} Esto indica que los fármacos dirigidos a VAR2CSA podrán prevenir los efectos de la malaria, y por esta razón VAR2CSA es el principal candidato para el desarrollo de una vacuna contra la malaria asociada al embarazo. ^{[ 80 ]}

Este artículo fue adaptado de la siguiente fuente bajo una licencia CC BY 4.0 ( 2017 ) ( informes de revisión ): Kholhring Lalchhandama (2017). "Proteína de membrana del eritrocito de Plasmodium falciparum 1" (PDF) . WikiJournal of Medicine . 4 (1). doi : 10.15347/WJM/2017.004 . ISSN 2002-4436 . Wikidata Q43997683 .