La homeostasis de hierro y cobre en S. cerevisiae

El hierro y el cobre son nutrientes esenciales para S. cerevisiae ya que participan en procesos muy relevantes pero el exceso o la incorrecta distribución de estos metales puede resultar tóxico. Dadas sus propiedades redox, la acumulación de hierro y cobre libres da lugar a la generación de especies reactivas de oxígeno capaces de provocar daños a diferentes componentes celulares como lípidos, proteínas y DNA.

El hierro es extremadamente insoluble en presencia de oxígeno. Por ello, los organismos que crecen en ambientes oxigenados (como suele suceder en el caso de S.

cerevisiae) han desarrollado un eficiente sistema de captación y compartimentalización de este metal. Ante escasez de hierro, los factores de transcripción Aft1 y 2 se activan y se translocan al núcleo donde dan lugar a la expresión de un conjunto de genes implicados en la captación y almacenamiento de este metal (Yamaguchi-Iwai et al. 2002).

La secuencia reconocida por estos activadores transcripcionales se denomina ‘elemento de respuesta a hierro’ y se ha determinado experimentalmente como 5’-CACCC-3’

(Rutherford et al. 2001; Yamaguchi-Iwai et al. 1996). El mecanismo por el cual Aft1 y 2 detectan la falta de este metal es poco conocido. Existe la posibilidad de que Aft1 una directamente hierro y la falta del metal active la translocación al núcleo tal y como se ha descrito para organismos procariotas (Andrews et al. 2003).

Los genes inducidos por falta de hierro más relevantes se describen a continuación y están implicados en la captación y metabolismo de este metal. El hierro libre es captado a nivel de la superficie celular a través de sistemas de transporte de baja y alta afinidad. Se trata del transportador Fet4 y del complejo formado por el transportador Ftr1 y la ferroxidasa Fet3, respectivamente (Stearman et al. 1996; Dix et al.

INTRODUCCIÓN

1994). Fet3 requiere cobre como cofactor, metal que es secuestrado por Atx1 y transferido a Fet3 mediante Ccc2 (Lin et al. 1997; Yamaguchi-Iwai et al. 1996; Yuan et al.

1995). Por ello, la captación de hierro está comprometida cuando el cobre es escaso (he aquí la estrecha relación que existe entre los metabolismos de ambos metales). Dado que la mayor parte del hierro extracelular se halla en forma oxidada (hierro férrico, Fe³⁺) y por lo tanto insoluble, es necesario el papel de varias reductasas. La reducción a hierro ferroso (Fe²⁺) es llevada a cabo por dos flavocitocromos denominados Fre1 y Fre2 y ello permite que sea transportado mediante el sistema de alta afinidad (Georgatsou and Alexandraki 1994). El hierro también puede ser captado en forma de sideróforos, que son pequeñas moléculas que quelan hierro. Aunque S. cerevisiae no sintetiza sus propios sideróforos, sí puede utilizar los de otros organismos. La familia de transportadores Arn1-4 son los responsables de mediar la captación de sideróforos (Yun et al. 2000).

Alternativamente, el hierro de los sideróforos puede ser reducido por Fre1-4 y transportado por el sistema de transporte de alta afinidad previamente descrito (Yun et al.

2000). También intervienen en la captación de hierro un grupo de manoproteínas de la pared celular denominadas Fit1-3 que secuestran sideróforos reteniéndolos en la pared (Protchenko et al. 2001).

Otros elementos relacionados con el metabolismo de hierro también se regulan transcripcionalmente mediante el mismo mecanismo. Se incluyen aquí genes que codifican sistemas de transporte a vacuola como Fet5, Fth1 y Smf3, un transportador mitocondrial llamado Mrs4 y las proteínas Isu1 e Isu2 implicadas en la síntesis de centros hierro-azufre (Foury and Roganti 2002; Portnoy et al. 2002; Portnoy et al. 2000; Garland et al. 1999; Schilke et al. 1999; Urbanowski and Piper 1999).

En el caso del cobre los mecanismos de regulación de los niveles del metal actúan a nivel transcripcional, como en el caso del hierro, pero también a nivel post-transcripcional (Ooi et al. 1996). En S. cerevisiae se han descrito dos factores de transcripción implicados en la homeostasis de cobre: Mac1, que se activa en respuesta a limitación de cobre y Ace1 que lo hace en el caso opuesto. En ambos casos el cobre es quien directamente regula la actividad de dichos factores de transcripción. La unión de cobre a Mac1 impide la interacción con el DNA mientras que Ace1 se activa y puede reconocer sus dianas génicas exclusivamente cuando tiene unido este metal.

INTRODUCCIÓN

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Figura 7. Metabolismo del hierro y el cobre. Se muestran los principales transportadores de hierro y cobre implicados en el importe y compartimentalización de dichos metales, así como los factores de transcripción activados en respuesta a déficit de hierro (Aft1) o cobre (Mac1). En el texto se explica con detalle la regulación de la homeostasis de dichos metales.

Cuando existe déficit de cobre Mac1 activa la expresión de CTR1 y CTR3 que codifican transportadores de alta afinidad para este metal (Labbe et al. 1997; Yamaguchi-Iwai et al. 1997). Hay que señalar que Ctr3 es menos importante en el transporte de cobre que Ctr1. El factor de transcripción Mac1 también regula la expresión de la reductasa de hierro y cobre de la membrana plasmática Fre1 y de la reductasa Fre7 (cuya localización celular es desconocida) (Georgatsou et al. 1997; Martins et al. 1998).

membrana

FET3, FTR1, FET4, ATX1, CCC2, FRE1-2, ARN1-4, FIT1-3

FET3, FTR1, FET4, ATX1, CCC2, FRE1-2, ARN1-4, FIT1-3

Fe Fet4 Fe²⁺ Cu⁺

Cu

INTRODUCCIÓN

Por otro lado, cuando la célula se encuentra con elevados niveles de cobre la expresión inducida por Ace1 de CUP1, principalmente, CRS5 y SOD1 favorece la resistencia a cobre (Thiele 1988; Liu and Culotta 1994; Gralla et al. 1991). CUP1 y CRS5 codifican metalotioneínas que secuestran cobre mientras que SOD1 codifica la superóxido dismutasa dependiente de cobre implicada en procesos de resistencia a estrés oxidativo.