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El sistema inmune humoral de los insectos
Fraacisco Vargas-Albores y M e d o Ortega-Rubio
Centro de ínvestigacionesBiológicas de1 Noroeste, S. C., La Paz, B.C.S.
Resumen
Los insectos constituyen el grupo más diversificado y exitoso del reino animal. Por estar expuestos a una variedad
de ambientes y pathgenos, sus mecanismos de defensa deben ser eficientes. En este trabajo se describen los
principales componentes séricos responsables de la respuesta inmune humoral en los insectos: lectinas, lisozimas,
cecropinas, atacinas, diptericinas, proteinas inducibles y el sistema profenoloxidasa. Además se discuten las
perspectivas de investigación en este campo.
The insects are the more diversified and successful group of the animal kingdom. The insect defense mechanisms
must be efficient because the animals are exposed to different environments and pathogens. In this work are
described the most important serum components involved of the humoral immune response in #e insects: lectins,
lysozymes, cecropins, atacins, diptericins, inducible proteins and the prophenoloxidase system. In addition, the
research perspectives in insect immunology are discussed.
Palabras clave: insectos, mecanismos de defensa, sistema inmune, investigaci6n.
Key words: insects, defense mechanisms, immune system, research.
Introducción
Los insectos forman el grupo más diversiñcado de la
naturaleza y son los organismos mas abundantes en la
tierra. Ellos se encuentranen todos los ecosistemas, donde
también se encuentran organismos que los utilizan como
fuente de alimento. Además de los depredadores, existen
ectoparásitos y endoparásitos que son capaces de dañar el
cuerpode lasinsectos. Por ello, estosanimaleshan desarrollado sistemas de protección que incluyen las barreras
fisicas resistentes, como la cutícula; o barreras selectivas,
como la membrana peritrópica, la cual aisla el epitelio del
intestino medio durante la ingesta de alimento. Sin embargo, muchosparásitos han desarrollado sistemasparaevadir
estas baneras o simplemente penetran al cuerpo de los
insectos a través de las heridas. Es sorprendenteque, pese
al gran número de infecciones que pueden mifrir, los
insectos hayan podido sobrevivir hasta nuestros días, además de constituir una clase biológica sumamente exitosa.
Adicionalmente a las barreras fisicas o protecciones
inespecüícas, los insectoshan desarrollado efectivos sistemas de defensa, tanto celular (Ratcliffe et al, 1985) como
humoral, llegando a manifestar un estado de protección
(inmune) después de sobrevivir a una infección (Dunn,
1986; RatclSe et al, 1985). Sin embargo, poco se conoce
sobre los mecanismos efectores y de reconocimiento que
constituyen la parte vital de su sistema inmunológico. Esta
es la razón principal para que la inmunidad especíñca en
los invertebrados no sea totalmente aceptada, sobre todo
cuando se compara con los conceptos de especiñcidad
inmunológica descrita para vertebrados.
La aparente simplicidad del sistema inmune de los
insectos, y de los invertebradosen general, se ha interpretado por la ausencia de mecanismos presentes en los
vertebrados, como son: células específicas,
inmunoglobulinasy memoria Aunque hasta el momento
no se han descrito en los insectos inmunoglobulinas y
Linfocitos, es probable que otras proteínas y/o células
Francisco Vargm-Aibomsy Alfiedo Ortega-Rubio
Cuadro 1.
Algunas especies de insectos de las cuales se han puriñcado lectinas.
Nombre genérico
Lepidópteros
Hyalophora cecropia
Manduca sexta
Spodoptera exigua
Dípteros
Sarcophaga peregrina
Sarcophaga bullata
Glossina fuscipes
Glossina palpalis
Glossina morsitans
Glossina tachinoides
Coleópteros
Leptinotarsa decemlineata
Allomyvina dichotoma
Orthópteros
Melanoplus sanguinipes
Extatosoma tiaratum
Teleogryllus commodus
Blattodea
Periplaneta americana
Hemípteros
Rhodnius proliuxs
Nombre común
Referencia
Polilla
Gusano de cuerno
Gusano soldado
Castro et al, 1987
Minnick et al, 1986
Pendland y Boucias, 1986
Oruga militar
Mosca panteonera
Mosca panteonera
Mosca tsetsé
Mosca tsetsé
Mosca tsetsé
Mosca tsetsé
Komano et al, 1980
Stynen et al, 1987
Ingram y Molyneux, 1990a
Ingram y Molyneux, 1990b
Ingram y Molynewc, 1990b
Ingram y Molyneux, 1990b
Catarinita de la papa
Escarabajo
Stynen et al, 1982
Umetsu et al, 1984
Langosta migratoria
Stebbins y Napner, 1985;
Bradley et al, 1989
Richards y RatclSe, 1990
Hapner y Jermy, 1981
Grillo
Grillo
Cucaracha
Kubo y Natori, 1987;
Jomori y Natori, 1991
Chinche besucona
Chinche hocicona
Pereira et al, 1981
cumplan con lamismafunción. Por otro lado, debidoaque
la mayoría de los insectos tiene una vida media corta, el
concepto de memoria inmunológica no debe ser aplicable
en los períodos utilizados para los vertebrados. En general,
debe considerarse que el sistemainmune de los insectos es
capaz de responder a la presencia de material extraño a
través de mecanismos que favorezcan la eliminación de
este material y que permitan mantener la identidad biológica del individuo.
En todos los seres vivos, la existencia de un óptimo
sistema inmune implica, además de un sistema celular, la
participación de componenteshumorales capaces de reconocer y10 interactuar directamente con la partícula extraña. Estarespuesta humoral facilita el acceso a sitios donde
las células no puedan acercarse rápidamente, pueden ser
portadores de la especificidad, pueden tener efectos directos sobre el patógeno (bacteriólisis, por ejemplo,) o participar conjuntamente con las células efectoras. Este tipo de
moléculas se ha descrito en insectosy comprendendiferentes actividades biológicas, tales como: reconocimiento de
22
sustancias extrañas, lisis o destrucción y factores de activación celular. En algunos casos, se ha podido demostrar
que tales factores son inducibles por un reto antigénico, e
incluso, establecer una respuesta inmune secundariasimilar a la de los vertebrados, caracterizadapor una respuesta
mayor y más rápida. En otros casos, los componentes
involucrados están normalmente presentes en la hemolinfa,
por ejemplo, las lectinas y la fenoloxidasa, pero su participación en los mecanismos de eliminación de patógenos es
indiscutible.
Los estudios sobre la respuesta antibacteriana en la
polillablanca(Galleriamellonella)(Stephens, 1959,Hink
y Briggs, 1968) posiblemente fueron los primeros que
demostraron la importancia y contribución de los factores
bioquímicos humorales en la inmunidad de los insectos.
Posteriores experimentos con la polilla Hyalophora
cecropia (Boman y Hultmark, 1987),llegaron ademostrar
que la inoculación de bacterias induce en este insecto un
estado de inmunidad caracterizado por la presencia de
proteínas antibacterianas en su hemolinfa.
volumen N
número 1
diciembre, 1994
El sistema inmune humoml de los imecfos
En el campo de lainmunologíade insectos los hallazgos
no pueden ser generalizados, ya que debido a la diversidad
biológica de estos organismos, se espera una variación en
los Mores y mecanismosde reconocimientoy de eliminación de los agentes extraños. Sin embargo, en algunos
casos esposible encontrar sustancias comunes asociadas a
la respuesta inmune en todos los insectos estudiados; tal es
el caso de las lectinas o aglutininas. En otros casos, como
el de los Mores bactericidas, únicamente han sido estudiados en muy pocas especies de insectos, sin que llegue a
negarse la existencia en otros. Actuando separados o en
conjunto, los factores humorales de los insectos son los
responsables de eliminar el material extrañoy de prevenir,
en la mayoría de los casos, las infecciones. Acontinuación
revisaremos los principales componentesséricosdescritos
en los insectos como participantes de la respuesta inmune
humoral.
Lectinas
Las lectinas son proteínas divalentes o multivalentes que
pueden aglutinar células u otros materiales que tengan un
oligosacáridode complementariedad apropiada (Sharony
Lis, 1972). Por definición, las lectinas se ligan
específicamente a carbohidratos a través de uniones no
covalentes (Barondes, 1981). Estas proteínas han sido
descritas de virus, bacterias, levaduras, plantas,
invertebrados y vertebrados, ya sea como proteína libre o
como componente endógeno de membranas celulares
(Sharon y Lis, 1989).Para el caso de los invertebrados, los
nombres de lectinas y aglutininas son utilizados indistintamente. La presencia de lectinas en invertebrados, incluyendo insectos, sus características, sus funciones y su
posible participación en los mecanismos de defensa han
sido revisados ampliamente (Renwrantz, 1983, 1986;
Rogener y Uhlenbruck, 1984; RatclifTe, 1985; Olafsen,
1988).
-.- - ,Aunque se ha demostrado la capacidad de las lectinas
para aglutinar bacterias y precipitar glicoconjugados, es
posible que este mecanisno no sea el mas importante in
vivo. M á s bien, el papel de estas proteínas parece estar
relacionado al reconocimiento de la partícula extrafía y a
oicilitar su fagocitosis (opsonización). Las interacciones
entre las células circulantes (hemocito) y un cuerpo extraño están mediadas por receptores o componentesde superficie de los fágocitos y las estructuras moleculares del
agenteextraño. En el caso de los macrót%gosde vertebrahs
se ha demostrado que las glicoproteínas tienen un papel
importante en la unión de bacteriasa estas células(Sharon,
1984). Es posible que, en el proceso de fagocitosis en los
invertebrados, las lectinas participen en forma similar
(Renwrantz, 1983; Sminiayvan der Knaap, 1987),aunque
otras fuerzas como hidrofobicidad, humectabilidad,
interacción entre cargas y las propiedades fisicas de la
sustancia extraíía, también influyan (Lackie, 1983).
Tdptcos de Imstigacidn y Posgrado
Aunque las lectinas de algunos insectos han sido p r i ficadas, las diferenciasentre sus propiedades moleculares,
especiñcidadesy origen o localizaciónson tan diversasque
no han permitido hacer generalizaciones sobre su estruo
tura, especificidad, mecanismo, y otras propiedades que
faciliten la comprensión del papel que estas proteínas
tienen en el sistema de defensa (cuadro 1).
La lisozima fue el primer factor antibacterianopurificado
de la hemolinfade los insectos (PowningyDavison, 1976),
pero también se ha encontradoen otros órganos y células
deestosanimales, como son: el intestino (RibeiroyPereira,
1984) y las células circulantes o hemocitos (Zachary y
Hofñnan, 1984; Lemos y Terra, 1991;Lemos et al, 1993;
Russell y Dunn, 1991). Las lisozimas de insectos muestran
gran similitud a las lisozimas de vertebrados en cuanto a
contenido de aminoácidos. Mas aún, los residuos 'de
aminoácidos responsables de la actividad cataiítica y los
cuatro enlaces disuífúro son esencialmente idénticos en
ambos gmpm (Bornan y Hultmark, 1987). El hecho de
encontrar a las lisozimas tan ampliamente distribuidas
entre las especies de insectos, ha favorecido a que los
aspectos evolutivos de esta enzima sean considerados
(Engstrom et al, 1985)y que se hayan establecido algunas
comparaciones (cuadro 11).
La lisozima de la polilla Hyalophora cecropia es una
proteína de 120 aminoácidos (peso molecular 13.8 K&)
que fueaislada durante la punñcación de las cecropinas A
y B (Hultmark et al, 1980). Normalmente, esta enzima se
encuentra en la hemolinfa de la larva de Hyalophora
cecropia,pero está ausente en la pupa. Sin embargo, la
producción de lisozima, tanto en las larvas como en las
pupas puede ser inducida por la inoculación de óacterias
(Sun et al, 1991). La lisozima de Hyalophora cecropia
muestra acción bactericida solamente para unas cuantas
bacterias, por ejemplo: Bacillus megaterium,Micrococw
lutew y Escherichia coli D22. No obstante, otro tipo de
moléculas (cecropinas) es también activo contra estas
bacterias y no se ha encontrado una bacteria que sea
sensible a la lisozimay resistente a las cecropinas (Boman
y Hultmark, 1987). De este modo, es posible que la
principal función de la lisozima no sea matar a las bacterias, sino remover el sáculo de mureína, permitiendo la
acción de cecropinas y atacinas. De esta manera se llega a
establecer un eficiente trabajo sinérgico.
Cecropmas
Las cecropinas constituyen una familia de proteínas fuertemente básicas, con pesos moleculares alrededor de 4
Kda, que pueden ser inducidas y tienen una potente
23
Francisco Vurgas-Aibomsd
o Oriegu-Rubio
Cuadro11
Comparación de las secuencias de aminoácidos de la lisozima humana y la de H. cecropia con la de pollo.
Humano
Polk
H. cecmpki
Humano
Pollo
H. CdCmpki
Humano
Pollo
H. cecmpki
II>
Humano
Polk
Humano
Polk
# inserñones pma ajuste.
actividad antibacteriana. El nombre se debe a que fueron
descritasporvezprimeraenlapolillaHyalophoracecropia,
pero una actividad similar ha sido detectada en otros
insectos, y también ha recibido otros nombres, como:
sarcotoxina (Okaday Natori, 1985)y sapecina(Kuzuhara
et al, 1990).
tres cecropinas
La pupa deHyalophoracecropiac~ntiene
principales A, B y D. Este mismo insecto tiene otros cuatro
componentes antibacterianos menores, dos de los cuales
pueden ser precursores de cecropinas con una glicina
adicional en el extremo C-terminal (Hultmarket al, 1982).
La secuencia de aminoacidos de las cecropinas ha sido
comparada (Boman y Hultmark, 1987) y el alto grado de
homología entre las cecropinas A, B y D sugiere que ellas
se presentan por duplicación de genes. Las cecropinas A y
B son altamente activas contra algunas bacterias gram
positivas ygram negativas, mientrasque la formaD mostró
alta actividad únicamente contra Escherichia coli y
Acinetobacter calcoaceticus(Hultmarketal, 1982). Algunas de las bacteriasprobadas son patógenas ocasionalesde
insectos, y otras (Xenorhabdus nematophilus y Bacillus
:thuringiensis), son patógenos obligados. Dos aspectos
interesantes se desprenden de los resultados anteriores. El
primero es que Bacillus thuringiensis es utilizado para el
control biológico de insectos y es totdmente resistente a
todas las cecropinas; sin embargo, los protoplastos de esta
bacteria son sensibles a las cecropinas, lo que indica que la
pared celularjuega un papel importante en la resistencia a
las cecropinas. El segundo es que Acinetobacter
calcoaceticus, el cual es resistente a muchos antibióticos,
sea sensible a las tres cecropinas (Bornan y Hultmark,
1987). Por último, las cecropinas no tienen efectos en las
líneas celulares de mamíferos o en levaduras, lo que las
hace especíñcas para procariotes.
24
También de otros insectos se han aislado y estudiado
proteínas con características similares a las aisladas de
Hyalophora cecropia. En la palornillaAntheraeapemyi,
la cecropinaD es el principal factor antibacteriano, aunque
lasformas A y B están presentes en baja concentración (Qu
et al, 1982). Algunas cecropinas similares a las formas A
y B fueron aisiadas y secienciadas del gusano de Seda
(Bombyxmori)(Monshimaetal, 1990;Sumida et al, 1992)
y de la polilla del tabaco, Manduca sexta (Dickinson et al,
1988).En la mosca panteonera(Sarcophagaperegrina)se
han detectado cuatro proteínas, llamadas sarcotoxinas
(Okada y Natori, 1985), que mantienen gran homología
con las cecropinas (cuadro 111). De la hemolinfa de
Sarcophagaperegrina, también se ha aislado otra proteína, denominada sapecina, con actividad antibacteriana.
Esta molécula es un péptido de 40 residuos, no presenta
homología con las cecropinas, y contiene cuatro cisteínas
esencialesparala actividadantibacteriana(Kuzuharaet al,
1990).
Atacinas
Estas proteínas fueron inicialmente aisladas e identifícadas como la proteína inducible P5 (Boman y Hultmark,
198l), sin que fuera detectada heterogeneidad o actividad
antibacteriana. Las atacinas fueron redescubiertas como
unañaccionconactividadantibacterianaconpeso molecular
de 22 Kda (Hultmark et al, 1983) considerablemente más
altoqueel de las cecropinas(4Kda). Subsecuentesestudios
revelaron la presencia de seis diferentes componentes (AF) que muestran reacción cruzada con el antisuero preparado contra la proteínaP5.El estudiode las secuenciasNterminales para cinco de las atacinas indican que tres &
volumen W
mimaro 1
diciembre, 1994
El sWlemo inmune humorai de los insectos
Cuadro Iii
Comparación & la secuencia de aminoácidos de diferentes Cecropinas y otras proteínas antibacterianas aisladas de
la hemolinfa de diferentes insectos.
Especie
Nombre
Y ksircéner p.nwae.
G e c w d a de amlndddos
Rdaenda
-
EmuE.drripvrm*rhllIudermnCciq>hA
+ dmta&twmtrl*.L
+ i d -te-
x
pueda Dar-
gN-
ellas, las formas básicas, son idénticas; mientras que las
otras dos son más ácidas y tienen una secuencialigeramente diferente (Hultmark et al, 1983). Lo anterior ha perrilitido suponer que las atacinas son codiñcadas por dos genes
diferentesúnicamentey que probablemente el origen& las
dos. poblaciones moleculares se haya establecido por
duplicación de genes.
El espectro antibacteriano de las atacinas es estrecho,
con buena actividad contra Escherichia coli y otras dos
bacterias más, aisladas del intestino de una larva de
Antheraeapernyi(Hultmarketal, 1983).Unestudio hecho
sobreel mecanismode acción de las atacinasenEscherichia
coli demostró que las dos principales atacinasactúan en la
membrana externa (Engstrom et al, 1984). Por lo anterior,
aparentemente en los insectos, las atacinas facilitan la
acción de cecropinasy lisozimas, de modo tal que estastres
proteínas trabajan en conjunto para la destrucción de
bacterias. Atacinaso moléculas similarestambién han sido
aisladas de la polilla del tabaco (Manduca sexta) (Spies et
al, 1987)y de la mosca panteonera (Sarcophaga peregrina) (Ando et al, 1987).
Es una serie de proteínas antibacterianas inducibles, las
cuales fueron detectadas en la larva de mosca Phonnia
terranuvae. Aunque fue purifícada una proteína con peso
molecular de 9 K& y un pI de 7.8, en total parece ser una
serie de siete proteínas relacionadas. La composición y
secuenciadeaminoácidosindicaque las diptericinas constituyen una nueva £amilia de proteínas antibacterianas,
diferentes de las cecropinas y atacinas (Keppi et al, 1986;
Dimarcq et al, 1990). En dmófila, se ha demostrado que
la transcripción para la síntesisde estas proteínas se inicia
dos horas después de la inoculación de bacterias (Wicker
et al, 1990).
Otras protemas inducibles
En la pupa de Hyalophora cecropia se han encontrado
además otrosfactores como la hemolina (también llamada
proteína inmune P4) que puede ser inducida,junto con las
cecropinas y las atacinas, por inyección de bacterias. La
proteína purifícada es un polipéptido de 48 K& con un
punto isoeléctrico básico. Aunque no tiene actividad
antibacterianadirecta (Rasmuson y Boman, 1979) es una
de las primeras proteínas que se une a la superficie
bacteriana (Sun et al, 1990), iniciando la respuesta inmune. Una proteína similar se ha identificado en la polilladel
tabaco (Manduca sexta), la cual manifiesta cuatro
isoproteínas que varían por el grado de glicosilación
(Hulbert et al, 1985).
Un factor diferente se ha detectado en la cucaracha
americana (Periplaneta americana), organismo en el que
ha sido posible inducir protección específica contra el
veneno & víbora o de abeja (Karp, 1985; George et al,
1987). Esta respuesta muestra semejanza con la respuesta
inmune en vertebrados, tanto primaria como secundaria
Francisco Vargas-Alboresy Alfredo OHega-Rubio
El factor involucrado solamente se ha podido demostrar
por electroforesis en geles de poliacrilamida, donde se
aprecia una modiñcación en los patrones proteicos. Aunque se observanvariasalteracionescuantitativas,solamente es consistente el incremento de una banda de 102 Kda.
Por cromatografiade filtración se demuestraque laproteinainducidaenforma nativatieneun peso molecular de 600
Kda (George et al, 1987).
El sistema de profenoloxidasa
Como parte de las reacciones de defensa en invertebrados
frecuentemente se observa meianización. La enzima
involucrada en la síntesis del pigmento de melanina es la
fenoloxidasa (Gdifenoloxígeno-óxidoreductasa), la cual
es capaz de oxidar los fenoles a quinonas, que posteriormente polimerizan en forma no enzimática a melanina.
Este pigmento, junto con sus intermediarios,tiene propiedades fungistáticas. La fenoloxidasa se ha detectado en la
hemolinfa de artrópodos en forma de una proenzima
inactiva(Ashida, 1971)llamadaprofenoloxidasa@roPO),
con peso molecular de 80 Kda y cuya activacióninvolucra
la eliminación de un péptido de 5 Kda, aproximadamente
(Ashida y Dohke, 1980).
El sistema de la proPO de artrópodos, probablemente es
activado durante el reconocimiento de lo extraño (RatcliEe
et al, 1985; Soderhall, 1982). Una vez activado el sistema
proPO, éste genera algunos factores que estimulan a los
hemocitos parala eliminación de material extraño(Leonard
et al, 1985; RatcliEe et al, 1985).De este modo, además de
su papel en la melanización, el sistema de proPO es capaz
de estimularalgunas reaccionescelulares de defensa como
son: la fagocitosis, la formación de nódulos y la
encapsulación(RatclBe et al, 1985), así como laadhesión
y locomoción de hemocitos (Takle y Lackie, 1985). El
sistema proPO en los insectos es activado por proteasas de
serina (Leonard yet al, 1985; Yoshida y Ashida, 1986). A
su vez, estas proteasas de serina, que se encuentran en
forma inactiva en los hemocitos, pueden ser activadas por
la presencia de glucanos 8-1,3 de hongos (Ashida et al,
1983; Leonard et al, 1985; RatclBe et al, 1984; Saul y
Sugumaran, 1987), peptidoglicanosbacterianos (Yoshida
y Ashida, 1986) o lipopolisacárido (LPS) de bacterias
Gram(-) (RatclBe et al, 1985; Saul y Sugumaran, 1987).
Se han encontradoalgunas proteínas que intervienenen
la activación de la profenoloxidasa, las cuales inician la
reacción en cascada. Por ejemplo, en lacucarachaBlaberus
craniifer,sehadescritounaglicaproteínaconpesomolecular
de 91 Kda, que por sí misma no induce la activación del
sistema, no muestra actividad aglutinantede fenoloxidasa
ni de peptidasa y puede unirse a la larninarina (Soderhall
et al, 1987). Una proteína similar fue identiñcada en el
plasma de Bombyx mon, con peso molecular de 62 Kda y
p1 de 4.3 (Ochiai y Ashida, 1988). En ambos casos, estas
proteínas séricas se unen a los glucanos B1,3 y este
complejo interacrúa con la superñcie de los hemocitos,
activandoalsistemaprofenoloxidasa(Yoshid 1986).
Perspectivas de investigación
Hasta el momento el conocimiento sobre los mecanismos
de defensa de los insectos permite asegurar la existenciade
un sistema de defensa humoral cuya respuesta puede ser
inducida y que es lo sufícientemente efectiva para destruir
agentes extraños. Así, las nuevas líneas de investigación
incluyen: a) la descripción de sistemas inmunes en una
mayor cantidad de especies, b) la profundización en los
mecanismos de respuesta y la regulación del sistema
inmune y, c) la búsqueda de factores que promuevan la
supresión de la respuesta inmune en aquellos insectos
dañinos para el hombre. Esto último tiene importancia
para el control de plagas agrícolas y de vectores de enfermedades para el hombre y animales de interés comercial.
Sin olvidar la existencia y participación de un sistema
celular, poder comprender el funcionamiento de los sistemas inmunológicos en los insectos, el grupo más
diversificado de nuestro planeta, ayudaría a entender la
razón de su éxito evolutivo y a consolidar un concepto
unificador de la respuesta inmune en todos los animales y,
desde luego, la del hombre.
Agradecimientos
Este trabajo fue desarrollado con el apoyo del Centro de
Investigaciones de Baja California Sur, la Secretaría de
Programación y Presupuesto y el Consejo Nacional de
Ciencia y Tecnología de México. Los autores queremos
agradecer la ayuda de Lolita Vázquez en la mecanograña
del trabajo.
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