3.2 Quimiotaxis
Muchas bacterias dependen de la quimiotaxis para coordinar la motilidad bacteriana a lo largo de un gradiente químico (Charon et al, 2012; Lux, Moter, & Shi, 2000; Porter, Wadhams, & Armitage, 2011; Wadhams & Armitage, 2004). Teniendo en cuenta la importancia de la motilidad durante el ciclo enzoótico de B. burgdorferi, no es sorprendente que las bacterias también tengan la capacidad de percibir y responder a las concentraciones cambiantes de los factores ambientales. Los ensayos de quimiotaxis in vitro con B. burgdorferi han demostrado que los sueros de conejo, la glucosa, el glutamato, el dímero de quitosano, la glucosamina y la N-acetilglucosamina (GlcNAc) son quimioatrayentes (Bakker et al., 2007; Shi et al., 1998). Los estudios también han demostrado la migración de B. burgdorferi hacia extractos de glándulas salivales de garrapatas Ixodes adultas que se alimentan (Shih, Chao, & Yu, 2002). Estos últimos hallazgos son especialmente interesantes porque ponen de relieve un posible mecanismo por el que las espiroquetas de los tejidos de los mamíferos serían atraídas al lugar donde se alimentan las garrapatas para facilitar una captación bacteriana eficiente y la transmisión de mamífero a garrapata.
Durante la quimiotaxis, los quimioatrayentes son percibidos por las bacterias a través de quimiorreceptores transmembrana conocidos como proteínas de quimiotaxis de aceptación de metilo (MCPs) (Bren & Eisenbach, 2000; Hazelbauer, 2012; Porter et al., 2011). En el modelo clásico de quimiotaxis, las MCP transmiten entonces una señal para activar el sensor quinasa CheA y desencadenar su autofosforilación. CheW es una proteína citoplasmática que funciona como adaptador para acoplar el dominio citoplasmático de las MCP a CheA. Cuando CheA se activa, fosforila el regulador de respuesta CheY, y el CheY activado interactúa con los componentes del complejo del interruptor flagelar para inducir una inversión en la dirección de la rotación flagelar. Para que la rotación flagelar vuelva a su dirección nativa, una fosfatasa específica de CheY, cuya naturaleza varía entre las especies bacterianas, inactiva CheY haciendo que se disocie del motor flagelar. Hay una serie de componentes adicionales que se sospecha que contribuyen a la respuesta quimiotáctica borrelial (revisado en Charon et al., 2012), sin embargo, no se discuten en detalle en este capítulo ya que sus funciones específicas en B. burgdorferi no han sido confirmadas experimentalmente.
Al igual que con los componentes estructurales flagelares, las funciones de los componentes individuales del sistema de quimiotaxis de B. burgdorferi se basaron inicialmente en la homología con la maquinaria de quimiotaxis conocida descrita en otras bacterias. En B. burgdorferi, hay cinco MCP putativos, MCP1 (BB0578), MCP2 (BB0596), MCP3 (BB0597), MCP4 (BB0680) y MCP5 (BB0681) (Fraser et al., 1997). Se observó que MCP3 y MCP5, dos de las MCPs más abundantes en B. burgdorferi, se agrupan en ambos polos y la crio-ET mostró que estas MCPs estaban dispuestas en arreglos que son paralelos y adyacentes a las estructuras motoras flagelares (Xu, Raddi, Liu, Charon, & Li, 2011). Estos datos indican que ambos extremos de la espiroqueta tienen el potencial de sentir y responder a las señales quimiotácticas. Además, la localización de las estructuras sensoriales en la proximidad de los motores permite una respuesta rápida a las señales quimiotácticas. El genoma de B. burgdorferi también codifica múltiples moléculas adaptadoras CheW (Fraser et al., 1997). Aunque esto no es particularmente inusual entre las bacterias flageladas, la evidencia experimental indica que dos de ellas operan en la misma cascada quimiosensorial y son absolutamente esenciales para la quimiotaxis de B. burgdorferi (Zhang, Liu, et al., 2012). En concreto, los mutantes de deleción que carecían de CheW1 (BB0312) o CheW3 (BB0670) no eran móviles, mientras que la mutación de CheW2 (BB0565) no tenía ningún efecto discernible sobre la quimiotaxis o la motilidad. Esta actividad diferencial podría estar relacionada con el reconocimiento de las moléculas CheA de B. burgdorferi. El genoma de B. burgdorferi codifica dos homólogos de CheA (Fraser et al., 1997), CheA1 (BB0567) y CheA2 (BB0669); sin embargo, sus funciones no parecen ser redundantes (Li et al., 2002). Mientras que un mutante de CheA1 no muestra ningún defecto discernible en la quimiotaxis, las espiroquetas que carecen de CheA2 corren continuamente y dejan de ser quimiotácticas. Curiosamente, la evidencia experimental también muestra que tanto CheW1 como CheW3 interactúan con CheA2, mientras que CheW2 interactúa con CheA1 (Zhang, Liu, et al., 2012). La cepa mutante CheA2 todavía era capaz de colonizar y sobrevivir dentro de las garrapatas, aunque debido a la respuesta quimiotáctica defectuosa en el mutante CheA2, no es sorprendente que este mutante fuera incapaz de infectar a los ratones cuando se les desafió a través de la infección por agujas o garrapatas (Sze et al., 2012). B. burgdorferi también tiene múltiples homólogos de CheY, designados CheY1 (BB0551), CheY2 (BB0570) y CheY3 (BB0672) (Fraser et al., 1997). En los análisis mutacionales para evaluar el papel de cada homólogo de CheY, el mutante CheY3 fue el único mutante con un defecto discernible en la quimiotaxis (Motaleb et al., 2005). La inactivación de CheY3 dio lugar a una cepa mutante que corría constantemente. Los ensayos de fosforilación in vitro también sugieren que CheA2 es más eficiente que CheA1 en la fosforilación de CheY3. En B. burgdorferi, sólo hay una fosfatasa CheY identificada, que se denomina CheX (BB0671) debido a su homología con las proteínas CheX de otras especies bacterianas (Fraser et al., 1997). La motilidad general está deteriorada en un mutante de deleción de CheX porque las células se flexionaban continuamente y se bloqueaban en un estado de motilidad no traslacional (Motaleb et al., 2005). Dado que el mutante CheX era incapaz de realizar una motilidad traslacional, tampoco respondía a los quimioatrayentes. Este fenotipo se debe presumiblemente a las altas concentraciones de CheY fosforilada, que mantiene el motor o motores flagelares girando en sentido inverso. También se han estudiado las proteínas conmutadoras del motor FliG de B. burgdorferi (Li et al., 2010). Los estudios de inmunofluorescencia indicaron que FliG1 (BB0221) se localiza en un polo de la célula bacteriana, mientras que FliG2 (BB0290) se localiza en ambos polos. Esta localización diferencial sugiere que las dos proteínas FliG podrían tener funciones únicas. FliG2 era esencial para la flagelación, por lo que los mutantes de FliG2 no son móviles y tienen forma de varilla. El mutante deficiente en FliG1, por otro lado, fue capaz de formar flagelos funcionales, pero sólo un extremo de la célula giraba activamente y las células estaban impedidas para la motilidad en medios altamente viscosos. El mutante FliG1 tampoco era infeccioso cuando se desafiaba a ratones inmunocompetentes o inmunocomprometidos mediante la inoculación con agujas.
Aunque las funciones de varios de los componentes primarios del sistema de motilidad se han confirmado en estudios mutacionales, todavía queda mucho por aprender en relación con la quimiotaxis de B. burgdorferi. Se sabe que CheA2 y CheY3 son esenciales para la quimiotaxis, pero los estudios no han podido determinar las funciones de CheA1, CheY1 y CheY2. Dado que B. burgdorferi debe existir y adaptarse a microambientes muy diferentes durante su ciclo enzoótico, es posible que aún no se haya identificado el nicho o nichos específicos en los que estos otros componentes son relevantes. Curiosamente, varios de los genes que ahora se sabe que juegan un papel en la quimiotaxis están organizados en un solo operón (por ejemplo, flaA-cheA2-cheW3-cheX-cheY3). cheW2-cheA1-cheY2, todos los cuales actualmente no tienen un papel demostrado en la motilidad, se encuentran dentro de otro operón (Li et al., 2002). Esto ha llevado a los investigadores a plantear la hipótesis de que CheW1/CheW3-CheA2-CheY3 representan la vía quimiosensorial operativa in vitro y esencial para la infección en mamíferos, y CheW2-CheA1-CheY2 y/o CheY1 constituyen una segunda vía que podría contribuir durante la fase de garrapata del ciclo de vida de Borrelia que aún no se ha abordado (por ejemplo, la supervivencia/migración dentro de la garrapata o la transmisión mediada por garrapatas) (Charon et al., 2012; Li et al., 2002).