New insights in the study and characterization of fungal metallothioneins and their relationship with the pathogenic activity

Abstract

Las metalotioneínas (MTs) constituyen una superfamilia de metaloproteínas de bajo peso molecular caracterizada por un contenido extraordinario de cisteína, que les proporciona la capacidad de coordinar iones de metales pesados ​​a través de los correspondientes enlaces metal-tiolato. Estas proteínas son polimórficas en un gran número de organismos estudiados hasta ahora, además de que se han encontrado grandes similitudes entre MTs de diferentes organismos. Estas observaciones sugieren que una diversificación de las MTs se ha producido como consecuencia de sucesivos eventos de duplicación de genes en o entre diferentes taxones. En cada caso, la actividad que la MT necesita realizar en el organismo puede haber producido su evolución para servir a diferentes funciones relacionadas con el metal molecular, tales como la homeostasis esencial iones metálicos (Zn2+ o Cu+), la defensa frente a iones metálicos tóxicos (como Cd2+, Pb2+ o Hg2+), el barrido de radicales libres y especies de oxígeno reactivo (ROS), y una amplia gama de tensiones celulares. Por lo tanto, las MTs en un organismo dado muestran preferencias por la coordinación específica de iones metálicos y también para formar complejos con un número concreto de iones metálicos unidos, independientemente del grado de su similitud a nivel de secuencia de proteínas. Por esta razón, el presente trabajo de tesis doctoral se ha basado primero en clasificar un gran número de MTs, pertenecientes a organismos de hongos, en cuatro familias, según su longitud de secuencia de aminoácidos. Una vez clasificadas las MTs, un estudio de las similitudes entre sus secuencias de aminoácidos ha sido plausible, y también una comparación entre sus capacidades de coordinación proteína/metal y la especificidad por diferentes iones metálicos. Con el fin de dilucidar estas capacidades mencionadas, la biosíntesis de las MTs en diferentes entornos de contenido metálico ha sido necesaria. La biosíntesis y el plegamiento de las MTs sobre sus iones metálicos afines dan como resultado la formación de complejos energéticamente optimizados. Sin embargo, cuando la síntesis tiene lugar sobre iones metálicos no afines, normalmente se produce una mezcla de especies, reflejando la cantidad de iones metálicos disponibles en su entorno molecular o, por el contrario, la síntesis puede no ser exitosa. Con el estudio de todas estas propiedades, los intentos de aclarar las funciones de las MTs en cada organismo son posibles. En este trabajo de tesis doctoral, se han estudiado MTs de organismos fúngicos, la mayoría patógenos, por la importancia de descubrir el papel de las MTs en el proceso de virulencia y patogenicidad. Los avances en estos hallazgos pueden ayudar a la humanidad a nivel biológico y médico.

Metallothioneins (MTs) constitute a superfamily of metalloproteins with low molecular weight characterized by an extraordinary cysteine content, which provides them the ability to coordinate heavy-metal ions through the corresponding metal-thiolate bonds. These proteins are polymorphic in a huge number of organisms studied up to now, besides great similarities have been found between MTs from different organisms. These observations suggest that a diversification of MTs have been produced as a consequence of successive gene duplication events in or between different taxa. In each case, the activity that the MT needs to accomplish in the organism may have produced the evolution to serve different molecular metal-related functions, such as essential metal ion homeostasis (Zn2+ or Cu+), the defence in front of toxic metal ions (i.e. Cd2+, Pb2+ or Hg2+), the scavenging of free radicals and reactive oxygen species (ROS), and a wide range of cell stresses. Therefore, MTs in a given organism exhibit preferences for specific metal ion coordination and also to form complexes with a concrete number of metal ions bonded, independently of the degree of their similarity at protein sequence level. For this reason, the present PhD thesis work has been based first on classify a huge number of MTs, belonging to fungi organisms, in four families, according to their amino acid sequence length. Once classified the MTs, a study of the similarities between their amino acid sequences have been plausible, and also a comparison between their protein/metal coordination abilities and specificity for different metal ions. In order to elucidate these last-mentioned capabilities, the biosynthesis of the MTs in different metal content environments has been necessary. MTs biosynthesis and folding about their cognate metal ions result in the formation of energetically optimized complexes. But, when the synthesis takes place about non-cognate metal ions, normally a mixture of species is produced, by reflecting the amount of metal ions available in its molecular environment, or by contrast the synthesis may not be successful. With the study of all these properties, attempts to clarify the functions of MTs in each organism are possible. In this PhD thesis work, MTs from fungi organisms, most of them pathogenic, have been studied, due to the importance to discover the role of the MTs in the process of virulence and pathogenicity. Advances in these findings may help the humanity at biological and medical level.