3.2 Chemotaxis
Veel bacteriën zijn afhankelijk van chemotaxis om de bacteriële motiliteit langs een chemische gradiënt te coördineren (Charon et al, 2012; Lux, Moter, & Shi, 2000; Porter, Wadhams, & Armitage, 2011; Wadhams & Armitage, 2004). Gezien het belang van motiliteit tijdens de enzoötische cyclus van B. burgdorferi, is het niet verwonderlijk dat bacteriën ook het vermogen hebben om veranderende concentraties van omgevingsfactoren waar te nemen en erop te reageren. In vitro chemotaxis assays met B. burgdorferi hebben aangetoond dat konijnensera, glucose, glutamaat, chitosandimeer, glucosamine, en N-acetylglucosamine (GlcNAc) chemoattractanten zijn (Bakker et al., 2007; Shi et al., 1998). Studies hebben ook migratie van B. burgdorferi naar speekselklierextracten van etende volwassen Ixodes teken aangetoond (Shih, Chao, & Yu, 2002). Deze laatste bevindingen zijn bijzonder interessant omdat ze wijzen op een potentieel mechanisme waardoor spirocheten in zoogdierweefsels zouden worden aangetrokken naar de plaats waar de teek zich voedt om efficiënte opname van bacteriën en overdracht van zoogdier naar teek te vergemakkelijken.
Tijdens chemotaxis worden chemoattractanten door de bacteriën gedetecteerd via transmembrane chemoreceptoren die bekend staan als methyl-accepting chemotaxis proteins (MCP’s) (Bren & Eisenbach, 2000; Hazelbauer, 2012; Porter et al., 2011). In het klassieke model van chemotaxis zenden MCP’s vervolgens een signaal uit om het CheA-sensorkinase te activeren en zijn auto-fosforylering in gang te zetten. CheW is een cytoplasmatisch eiwit dat functioneert als een adaptor om het cytoplasmatische domein van MCPs te koppelen aan CheA. Wanneer CheA wordt geactiveerd, fosforyleert het de CheY-responsregulator, en geactiveerde CheY interageert met componenten van het flagellaire schakelaarcomplex om een omkering in de richting van flagellaire rotatie teweeg te brengen. Om de flagellaire rotatie in de oorspronkelijke richting terug te brengen, inactiveert een CheY-specifiek fosfatase, waarvan de aard per bacteriesoort verschilt, CheY, waardoor het losraakt van de flagellaire motor. Er zijn nog een aantal andere componenten waarvan vermoed wordt dat ze bijdragen aan de chemotactische respons van B. burgdorferi (besproken in Charon et al., 2012), maar die worden in dit hoofdstuk niet in detail besproken omdat hun specifieke rol in B. burgdorferi niet experimenteel is bevestigd.
Net als bij de structurele componenten van de flagellen, werd de rol van individuele componenten van het chemotaxis-systeem van B. burgdorferi aanvankelijk gebaseerd op homologie met bekende chemotaxis-machines die in andere bacteriën zijn beschreven. In B. burgdorferi zijn er vijf vermoedelijke MCP’s, MCP1 (BB0578), MCP2 (BB0596), MCP3 (BB0597), MCP4 (BB0680), en MCP5 (BB0681) (Fraser et al., 1997). MCP3 en MCP5, twee van de meest voorkomende MCP’s in B. burgdorferi, werden waargenomen als clusters aan beide polen en cryo-ET toonde aan dat deze MCP’s waren gerangschikt in arrays die parallel lopen aan en grenzen aan de flagellaire motorstructuren (Xu, Raddi, Liu, Charon, & Li, 2011). Deze gegevens wijzen erop dat beide uiteinden van de spirocheet de mogelijkheid hebben om chemotactische signalen waar te nemen en erop te reageren. Bovendien maakt de lokalisatie van de zintuigstructuren in de nabijheid van de motoren een snelle reactie op chemotactische signalen mogelijk. Het genoom van B. burgdorferi codeert ook voor meerdere CheW-adaptormoleculen (Fraser et al., 1997). Hoewel dit niet bijzonder ongewoon is bij gevlagelleerde bacteriën, blijkt uit experimenteel bewijs dat twee van deze adaptormoleculen in dezelfde chemosensorische cascade werken en absoluut essentieel zijn voor de chemotaxis van B. burgdorferi (Zhang, Liu, et al., 2012). Met name deletiemutanten zonder CheW1 (BB0312) of CheW3 (BB0670) waren niet-motiel, terwijl mutatie van CheW2 (BB0565) geen merkbaar effect had op chemotaxis of motiliteit. Deze differentiële activiteit zou gecorreleerd kunnen worden met de herkenning van de B. burgdorferi-distinctieve CheA-moleculen. Het B. burgdorferi-genoom codeert voor twee CheA-homologen (Fraser et al., 1997), CheA1 (BB0567) en CheA2 (BB0669); hun functies lijken echter niet redundant te zijn (Li et al., 2002). Terwijl een CheA1 mutant geen waarneembaar defect in chemotaxis vertoont, lopen spirocheten die CheA2 missen voortdurend weg en zijn niet langer chemotactisch. Interessant is dat experimenteel bewijs ook aantoont dat zowel CheW1 als CheW3 een wisselwerking hebben met CheA2, terwijl CheW2 een wisselwerking heeft met CheA1 (Zhang, Liu, et al., 2012). De CheA2 mutantstam was nog steeds in staat om zich te koloniseren en te overleven in teken, maar door de defecte chemotactische respons in de CheA2 mutant is het niet verwonderlijk dat deze mutant niet in staat was om muizen te infecteren wanneer ze uitgedaagd werden via naald- of tekeninfectie (Sze et al., 2012). B. burgdorferi heeft ook meerdere CheY homologen, aangeduid als CheY1 (BB0551), CheY2 (BB0570), en CheY3 (BB0672) (Fraser et al., 1997). Bij mutatieanalyses om de rol van elke CheY-homoloog te bepalen, was de CheY3-mutant de enige mutant met een waarneembaar defect in chemotaxis (Motaleb et al., 2005). Inactivatie van CheY3 resulteerde in een mutantstam die constant op de vlucht was. In vitro fosforyleringstesten duidden er ook op dat CheA2 efficiënter dan CheA1 was in het fosforyleren van CheY3. In B. burgdorferi is slechts één CheY-fosfatase geïdentificeerd, die CheX (BB0671) wordt genoemd vanwege zijn homologie met CheX-eiwitten van andere bacteriële soorten (Fraser et al., 1997). De algehele motiliteit is verminderd in een CheX-deletiemutant omdat de cellen voortdurend buigen en opgesloten zitten in een niet-translationele motiliteitstoestand (Motaleb et al., 2005). Aangezien de CheX-mutant niet in staat was tot translationele motiliteit, reageerde hij ook niet op chemoattractanten. Dit fenotype is vermoedelijk te wijten aan hoge concentraties gefosforyleerde CheY, die de flagellaire motor(en) in de omgekeerde richting laat draaien. De FliG motor switch eiwitten van B. burgdorferi zijn ook bestudeerd (Li et al., 2010). Immunofluorescentiestudies toonden aan dat FliG1 (BB0221) gelokaliseerd is aan één pool in de bacteriecel, terwijl FliG2 (BB0290) gelokaliseerd is aan beide polen. Deze differentiële lokalisatie suggereert dat de twee FliG eiwitten unieke functies zouden kunnen hebben. FliG2 was essentieel voor flagellatie, daarom zijn FliG2-mutanten niet beweeglijk en staafvormig. De FliG1-deficiënte mutant daarentegen was wel in staat om functionele flagellen te vormen, maar slechts één uiteinde van de cel roteerde actief en de cellen waren beperkt beweeglijk in zeer viskeuze media. De FliG1 mutant was ook niet infectieus wanneer immunocompetente of immuungecompromitteerde muizen werden uitgedaagd via naaldinoculatie.
Hoewel de functies van een aantal van de primaire componenten van het motiliteitssysteem bevestigd zijn in mutatiestudies, is er nog veel te leren over B. burgdorferi chemotaxis. Van CheA2 en CheY3 is bekend dat ze essentieel zijn voor chemotaxis, maar studies hebben geen rol kunnen vaststellen voor CheA1, CheY1, en CheY2. Omdat B. burgdorferi tijdens zijn enzoötische cyclus in zeer verschillende micro-omgevingen moet bestaan en zich daaraan moet aanpassen, blijft het mogelijk dat de specifieke niche(s) waarin deze andere componenten relevant zijn, nog moeten worden geïdentificeerd. Interessant is dat een aantal van de genen waarvan nu bekend is dat ze een rol spelen bij chemotaxis in één operon zijn georganiseerd (b.v. flaA-cheA2-cheW3-cheX-cheY3). cheW2-cheA1-cheY2, die momenteel geen van alle een aangetoonde rol spelen bij motiliteit, worden in een ander operon gevonden (Li et al., 2002). Dit heeft onderzoekers tot de hypothese gebracht dat CheW1/CheW3-CheA2-CheY3 de chemosensorische route vertegenwoordigen die in vitro actief is en essentieel is voor infectie van zoogdieren, en CheW2-CheA1-CheY2 en/of CheY1 een tweede route vormen die een bijdrage zou kunnen leveren tijdens de tekenfase van de Borrelia levenscyclus die nog niet is onderzocht (bijv. overleving/migratie binnen de teek of teek-gemedieerde transmissie) (Charon et al., 2012; Li et al., 2002).