3.2 Chemiotassi
Molti batteri dipendono dalla chemiotassi per coordinare la motilità batterica lungo un gradiente chimico (Charon et al, 2012; Lux, Moter, & Shi, 2000; Porter, Wadhams, & Armitage, 2011; Wadhams & Armitage, 2004). Considerando l’importanza della motilità durante il ciclo enzootico di B. burgdorferi, non è sorprendente che i batteri abbiano anche la capacità di percepire e rispondere a concentrazioni variabili di fattori ambientali. Saggi di chemiotassi in vitro con B. burgdorferi hanno dimostrato che i sieri di coniglio, il glucosio, il glutammato, il dimero chitosano, la glucosamina e la N-acetilglucosamina (GlcNAc) sono chemioattrattanti (Bakker et al., 2007; Shi et al., 1998). Gli studi hanno anche dimostrato la migrazione di B. burgdorferi verso estratti di ghiandole salivari da alimentazione zecche adulte Ixodes (Shih, Chao, & Yu, 2002). Questi ultimi risultati sono particolarmente interessanti perché evidenziano un potenziale meccanismo attraverso il quale le spirochete nei tessuti dei mammiferi sarebbero attratti al sito di alimentazione zecca per facilitare l’assorbimento batterico efficiente e mammifero-to-tick trasmissione.
Durante la chemiotassi, chemoattrattori sono percepiti dai batteri attraverso chemorecettori transmembrana noti come proteine metil-accettanti chemiotassi (MCPs) (Bren & Eisenbach, 2000; Hazelbauer, 2012; Porter et al, 2011). Nel modello classico della chemiotassi, gli MCP trasmettono poi un segnale per attivare la chinasi del sensore CheA e innescare la sua autofosforilazione. CheW è una proteina citoplasmatica che funziona come un adattatore per accoppiare il dominio citoplasmatico di MCPs a CheA. Quando CheA è attivato, fosforila il regolatore di risposta CheY, e CheY attivato interagisce con i componenti del complesso dell’interruttore flagellare per indurre un’inversione nella direzione della rotazione flagellare. Per riportare la rotazione del flagello nella sua direzione nativa, una fosfatasi CheY-specifica, la cui natura varia tra le specie batteriche, inattiva CheY causandone la dissociazione dal motore flagellare. Ci sono un certo numero di componenti aggiuntivi sospettati di contribuire alla risposta chemiotattica borreliale (rivisto in Charon et al., 2012), tuttavia, non sono discussi in dettaglio in questo capitolo in quanto i loro ruoli specifici in B. burgdorferi non sono stati confermati sperimentalmente.
Come per i componenti strutturali flagellari, i ruoli dei singoli componenti del sistema di chemiotassi di B. burgdorferi sono stati inizialmente basati sull’omologia al noto meccanismo di chemiotassi descritto in altri batteri. In B. burgdorferi, ci sono cinque MCP putativi, MCP1 (BB0578), MCP2 (BB0596), MCP3 (BB0597), MCP4 (BB0680), e MCP5 (BB0681) (Fraser et al., 1997). MCP3 e MCP5, due degli MCP più abbondanti in B. burgdorferi, sono stati osservati raggrupparsi in entrambi i poli e la crio-ET ha mostrato che questi MCP sono disposti in array che sono paralleli e adiacenti alle strutture del motore flagellare (Xu, Raddi, Liu, Charon, & Li, 2011). Questi dati indicano che entrambe le estremità della spirochete hanno il potenziale per percepire e rispondere ai segnali chemiotattici. Inoltre, la localizzazione delle strutture sensoriali in prossimità dei motori consente una rapida risposta ai segnali chemiotattici. Il genoma di B. burgdorferi codifica anche molteplici molecole adattatrici CheW (Fraser et al., 1997). Anche se questo non è particolarmente insolito tra i batteri flagellati, l’evidenza sperimentale indica che due di loro operano nella stessa cascata chemosensoriale e sono assolutamente essenziali per la chemiotassi di B. burgdorferi (Zhang, Liu, et al., 2012). In particolare, i mutanti per delezione privi di CheW1 (BB0312) o CheW3 (BB0670) non erano mobili, mentre la mutazione di CheW2 (BB0565) non aveva alcun effetto visibile sulla chemiotassi o sulla motilità. Questa attività differenziale potrebbe essere correlata al riconoscimento delle molecole CheA distinte di B. burgdorferi. Il genoma di B. burgdorferi codifica due omologhi di CheA (Fraser et al., 1997), CheA1 (BB0567) e CheA2 (BB0669); tuttavia, le loro funzioni non sembrano essere ridondanti (Li et al., 2002). Mentre un mutante CheA1 non mostra alcun difetto distinguibile nella chemiotassi, le spirochete prive di CheA2 corrono continuamente e non sono più chemiotattici. È interessante notare che l’evidenza sperimentale mostra anche che sia CheW1 e CheW3 interagiscono con CheA2, mentre CheW2 interagisce con CheA1 (Zhang, Liu, et al., 2012). Il ceppo mutante CheA2 era ancora in grado di colonizzare e sopravvivere all’interno delle zecche, anche se a causa della risposta chemiotattica difettosa nel mutante CheA2, non è sorprendente che questo mutante non era in grado di infettare i topi quando sfidato tramite ago o infezione da zecca (Sze et al., 2012). B. burgdorferi ha anche più omologhi CheY, designati CheY1 (BB0551), CheY2 (BB0570), e CheY3 (BB0672) (Fraser et al., 1997). Nelle analisi mutazionali per valutare il ruolo di ogni omologo CheY, il mutante CheY3 è stato l’unico mutante con un difetto visibile nella chemiotassi (Motaleb et al., 2005). L’inattivazione di CheY3 ha prodotto un ceppo mutante che correva costantemente. I saggi di fosforilazione in vitro hanno anche suggerito che CheA2 era più efficiente di CheA1 nel fosforilare CheY3. In B. burgdorferi, c’è solo una fosfatasi CheY identificata, che è denotata CheX (BB0671) a causa della sua omologia alle proteine CheX di altre specie batteriche (Fraser et al., 1997). La motilità complessiva è compromessa in un mutante con delezione di CheX perché le cellule erano continuamente flesse e bloccate in uno stato di motilità non transnazionale (Motaleb et al., 2005). Poiché il mutante CheX era incapace di motilità traslazionale, era anche non reattivo ai chemioattrattori. Questo fenotipo è presumibilmente dovuto alle alte concentrazioni di CheY fosforilato, che mantiene il motore (o i motori) flagellare che ruota in direzione opposta. Anche le proteine di commutazione del motore FliG di B. burgdorferi sono state studiate (Li et al., 2010). Gli studi di immunofluorescenza hanno indicato che FliG1 (BB0221) si localizza in un polo della cellula batterica, mentre FliG2 (BB0290) si localizza in entrambi i poli. Questa localizzazione differenziale suggerisce che le due proteine FliG potrebbero avere funzioni uniche. FliG2 era essenziale per la flagellazione, quindi, i mutanti FliG2 sono nonmotili e a forma di asta. Il mutante FliG1-deficiente, d’altra parte, era in grado di formare flagelli funzionali, ma solo un’estremità della cellula ruotava attivamente e le cellule erano compromesse per la motilità in mezzi altamente viscosi. Il mutante FliG1 era anche non infettivo quando topi immunocompetenti o immunocompromessi sono stati sfidati attraverso l’inoculazione con ago.
Mentre le funzioni di un certo numero di componenti primari del sistema di motilità sono state confermate in studi mutazionali, c’è ancora molto da imparare riguardo alla chemiotassi di B. burgdorferi. CheA2 e CheY3 sono noti per essere essenziali per la chemiotassi, ma gli studi non sono stati in grado di determinare i ruoli per CheA1, CheY1 e CheY2. Poiché B. burgdorferi deve esistere e adattarsi a microambienti molto diversi durante il suo ciclo enzootico, rimane possibile che la nicchia specifica (s) in cui questi altri componenti sono rilevanti rimangono da identificare. È interessante notare che un certo numero di geni che sono ora noti per avere un ruolo nella chemiotassi sono organizzati in un singolo operone (ad esempio, flaA-cheA2-cheW3-cheX-cheY3). cheW2-cheA1-cheY2, che attualmente non hanno tutti un ruolo dimostrato nella motilità, si trovano all’interno di un altro operone (Li et al., 2002). Questo ha portato gli investigatori a ipotizzare che CheW1/CheW3-CheA2-CheY3 rappresentano la via chemosensoriale che è operativo in vitro ed essenziale per l’infezione dei mammiferi, e CheW2-CheA1-CheY2 e / o CheY1 costituiscono un secondo percorso che potrebbe contribuire durante la fase di zecca del ciclo di vita Borrelia che non è stato affrontato ancora (ad esempio, la sopravvivenza / migrazione all’interno della zecca o tick-mediata trasmissione) (Caronte et al., 2012; Li et al., 2002).