3.2 Chimiotaxie
Plusieurs bactéries dépendent de la chimiotaxie pour coordonner la motilité bactérienne le long d’un gradient chimique (Charon et al, 2012 ; Lux, Moter, & Shi, 2000 ; Porter, Wadhams, & Armitage, 2011 ; Wadhams & Armitage, 2004). Compte tenu de l’importance de la motilité au cours du cycle enzootique de B. burgdorferi, il n’est pas surprenant que les bactéries aient également la capacité de sentir et de répondre à des concentrations changeantes de facteurs environnementaux. Des essais de chimiotaxie in vitro avec B. burgdorferi ont montré que les sérums de lapin, le glucose, le glutamate, le dimère de chitosan, la glucosamine et la N-acétylglucosamine (GlcNAc) sont des agents chimioattractifs (Bakker et al., 2007 ; Shi et al., 1998). Des études ont également démontré la migration de B. burgdorferi vers des extraits de glandes salivaires de tiques Ixodes adultes en cours d’alimentation (Shih, Chao, & Yu, 2002). Ces derniers résultats sont particulièrement intéressants car ils mettent en évidence un mécanisme potentiel par lequel les spirochètes présents dans les tissus des mammifères seraient attirés vers le site d’alimentation des tiques pour faciliter une absorption bactérienne efficace et une transmission de mammifère à tique.
Lors de la chimiotaxie, les chimioattracteurs sont détectés par les bactéries via des chimiorécepteurs transmembranaires connus sous le nom de protéines de chimiotaxie acceptant le méthyle (MCP) (Bren & Eisenbach, 2000 ; Hazelbauer, 2012 ; Porter et al, 2011). Dans le modèle classique de chimiotaxie, les MCP transmettent ensuite un signal pour activer la kinase du capteur CheA et déclencher son auto-phosphorylation. CheW est une protéine cytoplasmique qui fonctionne comme un adaptateur pour coupler le domaine cytoplasmique des MCPs à CheA. Lorsque CheA est activé, il phosphoryle le régulateur de réponse CheY, et CheY activé interagit avec les composants du complexe de commutation flagellaire pour induire une inversion de la direction de la rotation flagellaire. Pour ramener la rotation flagellaire dans sa direction d’origine, une phosphatase spécifique de CheY, dont la nature varie selon les espèces bactériennes, inactive CheY et le dissocie du moteur flagellaire. Il existe un certain nombre de composants supplémentaires soupçonnés de contribuer à la réponse chimiotactique borrélienne (examinés dans Charon et al., 2012), cependant, ils ne sont pas discutés en détail dans ce chapitre car leurs rôles spécifiques chez B. burgdorferi n’ont pas été confirmés expérimentalement.
Comme pour les composants structurels flagellaires, les rôles des composants individuels du système de chimiotaxie de B. burgdorferi ont été initialement basés sur l’homologie avec les machines de chimiotaxie connues décrites chez d’autres bactéries. Dans B. burgdorferi, il y a cinq MCPs putatifs, MCP1 (BB0578), MCP2 (BB0596), MCP3 (BB0597), MCP4 (BB0680), et MCP5 (BB0681) (Fraser et autres, 1997). On a observé que MCP3 et MCP5, deux des MCP les plus abondantes chez B. burgdorferi, se regroupent aux deux pôles et la cryo-ET a montré que ces MCP étaient disposées en réseaux parallèles et adjacents aux structures du moteur flagellaire (Xu, Raddi, Liu, Charon, & Li, 2011). Ces données indiquent que les deux extrémités du spirochète ont le potentiel de détecter et de répondre aux signaux chimiotactiques. De plus, la localisation des structures sensorielles à proximité des moteurs permet une réponse rapide aux signaux chimiotactiques. Le génome de B. burgdorferi encode également de multiples molécules adaptatrices CheW (Fraser et al., 1997). Bien que cela ne soit pas particulièrement inhabituel chez les bactéries flagellées, des preuves expérimentales indiquent que deux d’entre elles opèrent dans la même cascade chimiosensorielle et sont absolument essentielles pour la chimiotaxie de B. burgdorferi (Zhang, Liu, et al., 2012). Plus précisément, les mutants de délétion dépourvus de CheW1 (BB0312) ou de CheW3 (BB0670) étaient non mobiles, tandis que la mutation de CheW2 (BB0565) n’avait aucun effet discernable sur la chimiotaxie ou la mobilité. Cette activité différentielle pourrait être corrélée à la reconnaissance des molécules CheA distinctes de B. burgdorferi. Le génome de B. burgdorferi code deux homologues de CheA (Fraser et al., 1997), CheA1 (BB0567) et CheA2 (BB0669) ; cependant, leurs fonctions ne semblent pas être redondantes (Li et al., 2002). Alors qu’un mutant CheA1 ne présente aucun défaut discernable dans la chimiotaxie, les spirochètes dépourvus de CheA2 courent continuellement et ne sont plus chimiotactiques. De manière intéressante, des preuves expérimentales montrent également que CheW1 et CheW3 interagissent avec CheA2, alors que CheW2 interagit avec CheA1 (Zhang, Liu, et al., 2012). La souche mutante CheA2 était encore capable de coloniser et de survivre dans les tiques, bien qu’en raison de la réponse chimiotactique défectueuse dans le mutant CheA2, il n’est pas surprenant que ce mutant ait été incapable d’infecter les souris lorsqu’il a été mis au défi par une aiguille ou une tique (Sze et al., 2012). B. burgdorferi possède également plusieurs homologues de CheY, désignés CheY1 (BB0551), CheY2 (BB0570) et CheY3 (BB0672) (Fraser et al., 1997). Lors d’analyses mutationnelles visant à évaluer le rôle de chaque homologue de CheY, le mutant CheY3 était le seul mutant présentant un défaut discernable dans la chimiotaxie (Motaleb et al., 2005). L’inactivation de CheY3 a donné lieu à une souche mutante qui courait constamment. Des essais de phosphorylation in vitro ont également suggéré que CheA2 était plus efficace que CheA1 pour phosphoryler CheY3. Chez B. burgdorferi, il n’y a qu’une seule phosphatase CheY identifiée, qui est dénommée CheX (BB0671) en raison de son homologie avec les protéines CheX d’autres espèces bactériennes (Fraser et al., 1997). La motilité globale est altérée dans un mutant de délétion de CheX parce que les cellules étaient continuellement fléchies et verrouillées dans un état de motilité non translationnelle (Motaleb et al., 2005). Puisque le mutant CheX est incapable de motilité translationnelle, il ne répond pas non plus aux chimioattracteurs. Ce phénotype est vraisemblablement dû à des concentrations élevées de CheY phosphorylé, qui maintient le(s) moteur(s) flagellaire(s) en rotation dans le sens inverse. Les protéines de commutation du moteur FliG de B. burgdorferi ont également été étudiées (Li et al., 2010). Des études d’immunofluorescence ont indiqué que FliG1 (BB0221) se localise à un pôle de la cellule bactérienne, tandis que FliG2 (BB0290) se localise aux deux pôles. Cette localisation différentielle suggère que les deux protéines FliG pourraient avoir des fonctions uniques. FliG2 était essentielle pour la flagellation, par conséquent, les mutants FliG2 sont non-moteur et en forme de tige. Le mutant déficient en FliG1, par contre, était capable de former des flagelles fonctionnels, mais seule une extrémité de la cellule tournait activement et les cellules étaient déficientes pour la motilité dans des milieux très visqueux. Le mutant FliG1 était également non infectieux lorsque des souris immunocompétentes ou immunodéprimées étaient défiées par inoculation à l’aiguille.
Bien que les fonctions d’un certain nombre de composants primaires du système de motilité aient été confirmées par des études mutationnelles, il reste encore beaucoup à apprendre concernant la chimiotaxie de B. burgdorferi. On sait que CheA2 et CheY3 sont essentiels à la chimiotaxie, mais les études n’ont pas permis de déterminer les rôles de CheA1, CheY1 et CheY2. Comme B. burgdorferi doit exister et s’adapter à des microenvironnements très différents au cours de son cycle enzootique, il est possible que la ou les niches spécifiques dans lesquelles ces autres composants sont pertinents restent à identifier. Il est intéressant de noter qu’un certain nombre de gènes qui sont maintenant connus pour jouer un rôle dans la chimiotaxie sont organisés en un seul opéron (par exemple, flaA-cheA2-cheW3-cheX-cheY3). cheW2-cheA1-cheY2, qui n’ont actuellement aucun rôle démontré dans la motilité, se trouvent dans un autre opéron (Li et al., 2002). Cela a conduit les chercheurs à émettre l’hypothèse que CheW1/CheW3-CheA2-CheY3 représentent la voie chimiosensorielle qui est opérationnelle in vitro et essentielle pour l’infection des mammifères, et que CheW2-CheA1-CheY2 et/ou CheY1 constituent une deuxième voie qui pourrait contribuer pendant la phase de la tique du cycle de vie de Borrelia qui n’a pas encore été abordée (par exemple, la survie/migration dans la tique ou la transmission médiée par la tique) (Charon et al., 2012 ; Li et al., 2002).