3.2 Chemotaxis
Viele Bakterien sind auf Chemotaxis angewiesen, um die bakterielle Motilität entlang eines chemischen Gradienten zu koordinieren (Charon et al, 2012; Lux, Moter, & Shi, 2000; Porter, Wadhams, & Armitage, 2011; Wadhams & Armitage, 2004). In Anbetracht der Bedeutung der Motilität während des enzootischen Zyklus von B. burgdorferi ist es nicht überraschend, dass die Bakterien auch die Fähigkeit besitzen, wechselnde Konzentrationen von Umweltfaktoren wahrzunehmen und darauf zu reagieren. In-vitro-Chemotaxis-Tests mit B. burgdorferi haben gezeigt, dass Kaninchenserum, Glukose, Glutamat, Chitosan-Dimer, Glucosamin und N-Acetylglucosamin (GlcNAc) Chemoattraktoren sind (Bakker et al., 2007; Shi et al., 1998). In Studien wurde auch die Migration von B. burgdorferi zu Speicheldrüsenextrakten von fressenden erwachsenen Ixodes-Zecken nachgewiesen (Shih, Chao, & Yu, 2002). Die letztgenannten Ergebnisse sind besonders interessant, weil sie einen möglichen Mechanismus aufzeigen, durch den Spirochäten in Säugetiergewebe zum Ort der Zeckenfütterung angezogen werden, um eine effiziente Bakterienaufnahme und Übertragung von Säugetier zu Zecke zu erleichtern.
Bei der Chemotaxis werden Chemoattraktoren von den Bakterien über Transmembran-Chemorezeptoren wahrgenommen, die als Methyl-akzeptierende Chemotaxisproteine (MCPs) bekannt sind (Bren & Eisenbach, 2000; Hazelbauer, 2012; Porter et al, 2011). Im klassischen Modell der Chemotaxis senden MCPs dann ein Signal, um die CheA-Sensorkinase zu aktivieren und ihre Autophosphorylierung auszulösen. CheW ist ein zytoplasmatisches Protein, das als Adaptor fungiert, um die zytoplasmatische Domäne von MCPs an CheA zu koppeln. Wenn CheA aktiviert wird, phosphoryliert es den CheY-Reaktionsregulator, und das aktivierte CheY interagiert mit Komponenten des Geißelschalterkomplexes, um eine Umkehrung der Rotationsrichtung der Geißel zu bewirken. Um die Rotation der Geißel wieder in ihre ursprüngliche Richtung zu bringen, wird CheY durch eine CheY-spezifische Phosphatase inaktiviert, deren Art von Bakterienart zu Bakterienart variiert, wodurch es sich vom Geißelmotor löst. Es gibt eine Reihe weiterer Komponenten, von denen vermutet wird, dass sie zur chemotaktischen Reaktion der Borrelien beitragen (siehe Charon et al., 2012). Sie werden in diesem Kapitel jedoch nicht im Detail besprochen, da ihre spezifische Rolle in B. burgdorferi nicht experimentell bestätigt wurde.
Wie bei den strukturellen Flagellarkomponenten basierten die Rollen der einzelnen Komponenten des Chemotaxis-Systems von B. burgdorferi zunächst auf der Homologie zu bekannten Chemotaxis-Maschinen, die in anderen Bakterien beschrieben wurden. In B. burgdorferi gibt es fünf mutmaßliche MCPs, MCP1 (BB0578), MCP2 (BB0596), MCP3 (BB0597), MCP4 (BB0680) und MCP5 (BB0681) (Fraser et al., 1997). MCP3 und MCP5, zwei der am häufigsten vorkommenden MCPs in B. burgdorferi, wurden an beiden Polen geclustert, und die Kryo-ET zeigte, dass diese MCPs in Arrays angeordnet sind, die parallel und benachbart zu den Geißelmotorstrukturen verlaufen (Xu, Raddi, Liu, Charon, & Li, 2011). Diese Daten deuten darauf hin, dass beide Enden der Spirochäten das Potenzial haben, chemotaktische Signale zu erkennen und darauf zu reagieren. Darüber hinaus ermöglicht die Lokalisierung der sensorischen Strukturen in unmittelbarer Nähe der Motoren eine schnelle Reaktion auf chemotaktische Signale. Das Genom von B. burgdorferi kodiert auch für mehrere CheW-Adaptormoleküle (Fraser et al., 1997). Obwohl dies bei geflügelten Bakterien nicht besonders ungewöhnlich ist, deuten experimentelle Beweise darauf hin, dass zwei von ihnen in derselben chemosensorischen Kaskade arbeiten und für die Chemotaxis von B. burgdorferi absolut notwendig sind (Zhang, Liu, et al., 2012). Insbesondere waren Deletionsmutanten, denen CheW1 (BB0312) oder CheW3 (BB0670) fehlte, nicht beweglich, während die Mutation von CheW2 (BB0565) keine erkennbaren Auswirkungen auf die Chemotaxis oder die Beweglichkeit hatte. Diese unterschiedliche Aktivität könnte mit der Erkennung der von B. burgdorferi unterschiedenen CheA-Moleküle zusammenhängen. Das Genom von B. burgdorferi kodiert für zwei CheA-Homologe (Fraser et al., 1997), CheA1 (BB0567) und CheA2 (BB0669); ihre Funktionen scheinen jedoch nicht redundant zu sein (Li et al., 2002). Während eine CheA1-Mutante keinen erkennbaren Defekt in der Chemotaxis aufweist, laufen Spirochäten, denen CheA2 fehlt, kontinuierlich und sind nicht mehr chemotaktisch. Interessanterweise zeigt das Experiment auch, dass sowohl CheW1 als auch CheW3 mit CheA2 interagieren, während CheW2 mit CheA1 interagiert (Zhang, Liu, et al., 2012). Der mutierte CheA2-Stamm war immer noch in der Lage, sich in Zecken anzusiedeln und zu überleben. Aufgrund der defekten chemotaktischen Reaktion in der CheA2-Mutante ist es jedoch nicht überraschend, dass diese Mutante nicht in der Lage war, Mäuse zu infizieren, wenn sie mit einer Nadel oder einer Zecke infiziert wurde (Sze et al., 2012). B. burgdorferi hat auch mehrere CheY-Homologe, die als CheY1 (BB0551), CheY2 (BB0570) und CheY3 (BB0672) bezeichnet werden (Fraser et al., 1997). In Mutationsanalysen zur Bewertung der Rolle der einzelnen CheY-Homologe war die CheY3-Mutante die einzige Mutante mit einem erkennbaren Defekt in der Chemotaxis (Motaleb et al., 2005). Die Inaktivierung von CheY3 führte zu einem Mutantenstamm, der ständig lief. In-vitro-Phosphorylierungsversuche deuteten auch darauf hin, dass CheA2 bei der Phosphorylierung von CheY3 effizienter war als CheA1. In B. burgdorferi gibt es nur eine identifizierte CheY-Phosphatase, die aufgrund ihrer Homologie zu CheX-Proteinen anderer Bakterienarten als CheX (BB0671) bezeichnet wird (Fraser et al., 1997). Die Gesamtmotilität ist in einer CheX-Deletionsmutante beeinträchtigt, da sich die Zellen ständig verbiegen und in einem nichttranslationalen Zustand der Motilität verharren (Motaleb et al., 2005). Da die CheX-Mutante nicht in der Lage war, translationale Motilität zu zeigen, reagierte sie auch nicht auf Chemoattraktionsmittel. Dieser Phänotyp ist vermutlich auf hohe Konzentrationen von phosphoryliertem CheY zurückzuführen, das den/die Flagellarmotor(en) in umgekehrter Richtung rotieren lässt. Die FliG-Motorschalterproteine von B. burgdorferi wurden ebenfalls untersucht (Li et al., 2010). Immunfluoreszenzstudien zeigten, dass FliG1 (BB0221) an einem Pol der Bakterienzelle lokalisiert ist, während FliG2 (BB0290) an beiden Polen lokalisiert ist. Diese unterschiedliche Lokalisierung deutet darauf hin, dass die beiden FliG-Proteine einzigartige Funktionen haben könnten. FliG2 war für die Geißelung unerlässlich, daher sind FliG2-Mutanten unbeweglich und stäbchenförmig. Die FliG1-defiziente Mutante hingegen war in der Lage, funktionsfähige Geißeln zu bilden, aber nur ein Ende der Zelle drehte sich aktiv, und die Zellen waren in hochviskosen Medien nur eingeschränkt beweglich. Die FliG1-Mutante war auch nicht infektiös, wenn entweder immunkompetente oder immungeschwächte Mäuse durch eine Nadelinokulation herausgefordert wurden.
Während die Funktionen einer Reihe von primären Komponenten des Motilitätssystems in Mutationsstudien bestätigt wurden, gibt es noch viel über die Chemotaxis von B. burgdorferi zu lernen. Es ist bekannt, dass CheA2 und CheY3 für die Chemotaxis unerlässlich sind, aber Studien konnten die Rolle von CheA1, CheY1 und CheY2 nicht bestimmen. Da B. burgdorferi während seines enzootischen Zyklus in sehr unterschiedlichen Mikroumgebungen leben und sich an diese anpassen muss, ist es möglich, dass die spezifische(n) Nische(n), in der/denen diese anderen Komponenten von Bedeutung sind, noch nicht identifiziert wurden. Interessanterweise ist eine Reihe von Genen, von denen heute bekannt ist, dass sie eine Rolle bei der Chemotaxis spielen, in einem einzigen Operon organisiert (z. B. flaA-cheA2-cheW3-cheX-cheY3). cheW2-cheA1-cheY2, die alle derzeit keine nachgewiesene Rolle bei der Motilität spielen, befinden sich in einem anderen Operon (Li et al., 2002). Dies hat Forscher zu der Hypothese veranlasst, dass CheW1/CheW3-CheA2-CheY3 den chemosensorischen Weg darstellen, der in vitro aktiv und für die Infektion von Säugetieren wesentlich ist, und dass CheW2-CheA1-CheY2 und/oder CheY1 einen zweiten Weg darstellen, der während der Zeckenphase des Borrelien-Lebenszyklus eine Rolle spielen könnte, die bisher noch nicht untersucht wurde (z. B. Überleben/Migration innerhalb der Zecke oder zeckenvermittelte Übertragung) (Charon et al., 2012; Li et al., 2002).