3.2 Chemotaxe
Mnoho bakterií je závislých na chemotaxi, která koordinuje jejich pohyblivost podél chemického gradientu (Charon et al., 2012; Lux, Moter, & Shi, 2000; Porter, Wadhams, & Armitage, 2011; Wadhams & Armitage, 2004). Vzhledem k významu pohyblivosti během enzootického cyklu B. burgdorferi není překvapivé, že bakterie mají také schopnost vnímat měnící se koncentrace faktorů prostředí a reagovat na ně. Testy chemotaxe in vitro s B. burgdorferi ukázaly, že králičí séra, glukóza, glutamát, dimer chitosanu, glukosamin a N-acetylglukosamin (GlcNAc) jsou chemoatraktanty (Bakker et al., 2007; Shi et al., 1998). Studie také prokázaly migraci B. burgdorferi směrem k extraktům slinných žláz z krmících se dospělých klíšťat Ixodes (Shih, Chao, & Yu, 2002). Tato poslední zjištění jsou obzvláště zajímavá, protože poukazují na potenciální mechanismus, kterým by byly spirochéty v savčích tkáních přitahovány do místa přisátí klíštěte, aby se usnadnilo účinné vychytávání bakterií a přenos ze savce na klíště.
Bakterie během chemotaxe vnímají chemoatraktanty prostřednictvím transmembránových chemoreceptorů známých jako methyl-akceptující chemotaxické proteiny (MCPs) (Bren & Eisenbach, 2000; Hazelbauer, 2012; Porter et al., 2011). V klasickém modelu chemotaxe pak MCPs vysílají signál, který aktivuje senzorovou kinázu CheA a spouští její autofosforylaci. CheW je cytoplazmatický protein, který funguje jako adaptér spojující cytoplazmatickou doménu MCPs s CheA. Když je CheA aktivován, fosforyluje regulátor odpovědi CheY a aktivovaný CheY interaguje se složkami komplexu bičíkového přepínače a vyvolává změnu směru bičíkové rotace. Aby se rotace bičíku vrátila zpět do původního směru, CheY specifická fosfatáza, jejíž povaha se u různých bakteriálních druhů liší, inaktivuje CheY a způsobí jeho disociaci od bičíkového motoru. Existuje řada dalších složek, u nichž se předpokládá, že přispívají k chemotaktické reakci borelií (přehled v Charon et al., 2012), nicméně v této kapitole se jimi podrobněji nezabýváme, protože jejich specifická role u B. burgdorferi nebyla experimentálně potvrzena.
Stejně jako v případě strukturních složek bičíků byly role jednotlivých složek systému chemotaxe B. burgdorferi původně založeny na homologii se známými chemotaxickými mechanismy popsanými u jiných bakterií. U B. burgdorferi existuje pět domnělých MCP: MCP1 (BB0578), MCP2 (BB0596), MCP3 (BB0597), MCP4 (BB0680) a MCP5 (BB0681) (Fraser et al., 1997). Bylo pozorováno, že MCP3 a MCP5, dva nejhojnější MCP u B. burgdorferi, se shlukují na obou pólech a kryoET ukázala, že tyto MCP jsou uspořádány v polích, která jsou paralelní a sousedí s bičíkatými motorickými strukturami (Xu, Raddi, Liu, Charon, & Li, 2011). Tyto údaje naznačují, že oba konce spirochety mají potenciál vnímat chemotaktické signály a reagovat na ně. Lokalizace senzorických struktur v těsné blízkosti motorů navíc umožňuje rychlou reakci na chemotaktické signály. Genom B. burgdorferi také kóduje několik adaptorových molekul CheW (Fraser et al., 1997). Ačkoli to není mezi bičíkovci nijak zvlášť neobvyklé, experimentální důkazy naznačují, že dvě z nich fungují ve stejné chemosenzorické kaskádě a jsou pro chemotaxi B. burgdorferi naprosto nezbytné (Zhang, Liu, et al., 2012). Konkrétně deleční mutanti postrádající CheW1 (BB0312) nebo CheW3 (BB0670) byli nemotorní, zatímco mutace CheW2 (BB0565) neměla na chemotaxi ani motilitu žádný znatelný vliv. Tato rozdílná aktivita by mohla souviset s rozpoznáváním molekul CheA odlišných od B. burgdorferi. Genom B. burgdorferi kóduje dva CheA homology (Fraser et al., 1997), CheA1 (BB0567) a CheA2 (BB0669); jejich funkce se však nezdají být redundantní (Li et al., 2002). Zatímco mutant CheA1 nevykazuje žádný zřetelný defekt v chemotaxi, spirochéty postrádající CheA2 neustále utíkají a nejsou již chemotaktické. Je zajímavé, že experimentální důkazy také ukazují, že CheW1 i CheW3 interagují s CheA2, zatímco CheW2 interaguje s CheA1 (Zhang, Liu a kol., 2012). Mutantní kmen CheA2 byl přesto schopen kolonizovat a přežívat v klíštěti, ačkoli vzhledem k defektní chemotaktické odpovědi u mutanta CheA2 není překvapivé, že tento mutant nebyl schopen infikovat myši, když byl napaden prostřednictvím jehly nebo klíštěte (Sze et al., 2012). B. burgdorferi má také několik homologů CheY, označených CheY1 (BB0551), CheY2 (BB0570) a CheY3 (BB0672) (Fraser et al., 1997). Při mutačních analýzách k posouzení úlohy jednotlivých homologů CheY byl mutant CheY3 jediným mutantem se zřetelným defektem chemotaxe (Motaleb et al., 2005). Inaktivace CheY3 vedla ke vzniku mutantního kmene, který neustále utíkal. Fosforylační testy in vitro také naznačily, že CheA2 je při fosforylaci CheY3 účinnější než CheA1. U B. burgdorferi je identifikována pouze jedna CheY fosfatáza, která je označována CheX (BB0671) vzhledem k její homologii s proteiny CheX jiných bakteriálních druhů (Fraser et al., 1997). Celková pohyblivost je u delečního mutanta CheX narušena, protože buňky se neustále ohýbaly a byly uzamčeny v nepřenosném stavu pohyblivosti (Motaleb et al., 2005). Protože mutant CheX nebyl schopen translační motility, nereagoval ani na chemoatraktanty. Tento fenotyp je pravděpodobně způsoben vysokou koncentrací fosforylovaného CheY, který udržuje bičíkové motory v rotaci v opačném směru. Byly studovány také proteiny FliG přepínače motorů B. burgdorferi (Li et al., 2010). Imunofluorescenční studie ukázaly, že FliG1 (BB0221) je lokalizován na jednom pólu bakteriální buňky, zatímco FliG2 (BB0290) je lokalizován na obou pólech. Tato rozdílná lokalizace naznačuje, že oba proteiny FliG mohou mít jedinečné funkce. FliG2 byl nezbytný pro bičíkování, proto jsou mutanty FliG2 nepohyblivé a tyčinkovité. Naproti tomu mutant s deficitem FliG1 byl schopen tvořit funkční bičíky, ale aktivně se otáčel pouze jeden konec buňky a buňky měly zhoršenou pohyblivost ve vysoce viskózním prostředí. Mutant FliG1 byl také neinfekční, když byly imunokompetentní nebo imunokompromitované myši napadeny pomocí inokulace jehlou.
Přestože funkce řady primárních složek motilitního systému byly potvrzeny v mutačních studiích, stále je třeba se naučit mnoho nového ohledně chemotaxe B. burgdorferi. Je známo, že CheA2 a CheY3 jsou pro chemotaxi nezbytné, ale studie nedokázaly určit roli CheA1, CheY1 a CheY2. Vzhledem k tomu, že B. burgdorferi musí během svého enzootického cyklu existovat ve značně odlišných mikroprostředích a přizpůsobovat se jim, je možné, že specifické niky, v nichž jsou tyto další složky důležité, ještě nebyly identifikovány. Zajímavé je, že řada genů, o nichž je nyní známo, že hrají roli v chemotaxi, je uspořádána v jediném operonu (např. flaA-cheA2-cheW3-cheX-cheY3). cheW2-cheA1-cheY2, z nichž všechny nemají v současnosti prokázanou roli v motilitě, se nacházejí v jiném operonu (Li et al., 2002). To vedlo badatele k hypotéze, že CheW1/CheW3-CheA2-CheY3 představují chemosenzorickou dráhu, která funguje in vitro a je nezbytná pro infekci savců, a CheW2-CheA1-CheY2 a/nebo CheY1 představují druhou dráhu, která by mohla přispívat během klíštěcí fáze životního cyklu borélií, která dosud nebyla řešena (např. přežívání/migrace v rámci klíštěte nebo přenos zprostředkovaný klíštětem) (Charon et al., 2012; Li et al., 2002).
.