3.2 Chemotaksja
Wiele bakterii jest zależnych od chemotaksji, aby koordynować ruch bakterii wzdłuż gradientu chemicznego (Charon i in., 2012; Lux, Moter, & Shi, 2000; Porter, Wadhams, & Armitage, 2011; Wadhams & Armitage, 2004). Biorąc pod uwagę znaczenie ruchliwości podczas cyklu enzootycznego B. burgdorferi, nie jest zaskakujące, że bakterie mają również zdolność do wyczuwania i reagowania na zmieniające się stężenia czynników środowiskowych. Badania chemotaksji in vitro z B. burgdorferi wykazały, że surowice królicze, glukoza, glutaminian, dimer chitozanu, glukozamina i N-acetyloglukozamina (GlcNAc) są chemoatraktantami (Bakker et al., 2007; Shi et al., 1998). Badania wykazały również migrację B. burgdorferi w kierunku ekstraktów z gruczołów ślinowych żerujących dorosłych kleszczy Ixodes (Shih, Chao, & Yu, 2002). Te ostatnie odkrycia są szczególnie interesujące, ponieważ podkreślają potencjalny mechanizm, dzięki któremu spirochety w tkankach ssaków byłyby przyciągane do miejsca żerowania kleszczy, aby ułatwić efektywne pobieranie bakterii i przenoszenie ich z ssaka na kleszcza.
Podczas chemotaksji, chemoatraktanty są wyczuwane przez bakterie poprzez transmembranowe chemoreceptory znane jako metyloakceptujące białka chemotaksji (MCPs) (Bren & Eisenbach, 2000; Hazelbauer, 2012; Porter i in., 2011). W klasycznym modelu chemotaksji MCP przekazują sygnał aktywujący kinazę sensorową CheA i wyzwalają jej autofosforylację. CheW jest cytoplazmatycznym białkiem, które funkcjonuje jako adaptor sprzęgający cytoplazmatyczną domenę MCP z CheA. Kiedy CheA jest aktywowany, fosforyluje regulator odpowiedzi CheY, a aktywowany CheY oddziałuje z komponentami kompleksu przełącznika flagellarnego, aby wywołać odwrócenie kierunku rotacji flagellarnej. Aby przywrócić pierwotny kierunek rotacji flagelli, specyficzna dla CheY fosfataza, której charakter różni się w zależności od gatunku bakterii, inaktywuje CheY powodując jego odłączenie od silnika flagellarnego. Istnieje szereg dodatkowych komponentów, co do których istnieje podejrzenie, że przyczyniają się do chemotaktycznej odpowiedzi borelii (omówione w Charon i in., 2012), jednak nie są one szczegółowo omówione w tym rozdziale, ponieważ ich specyficzne role u B. burgdorferi nie zostały eksperymentalnie potwierdzone.
Tak jak w przypadku flagellarnych komponentów strukturalnych, role poszczególnych komponentów systemu chemotaksji B. burgdorferi były początkowo oparte na homologii do znanych mechanizmów chemotaksji opisanych u innych bakterii. U B. burgdorferi występuje pięć przypuszczalnych MCP, MCP1 (BB0578), MCP2 (BB0596), MCP3 (BB0597), MCP4 (BB0680) i MCP5 (BB0681) (Fraser i in., 1997). Zaobserwowano, że MCP3 i MCP5, dwa najbardziej obficie występujące MCP u B. burgdorferi, skupiają się na obu biegunach, a krio-ET wykazało, że te MCP są ułożone w tablice, które są równoległe i przylegają do flagellarnych struktur motorycznych (Xu, Raddi, Liu, Charon, & Li, 2011). Dane te wskazują, że oba końce spirocheta mają potencjał do wyczuwania i reagowania na sygnały chemotaktyczne. Ponadto, lokalizacja struktur sensorycznych w bliskiej odległości od silników umożliwia szybką odpowiedź na sygnały chemotaktyczne. Genom B. burgdorferi koduje również wiele cząsteczek adaptorowych CheW (Fraser i in., 1997). Chociaż nie jest to szczególnie niezwykłe wśród bakterii flagellowych, dowody eksperymentalne wskazują, że dwie z nich działają w tej samej kaskadzie chemosensorycznej i są absolutnie niezbędne dla chemotaksji B. burgdorferi (Zhang, Liu i in., 2012). W szczególności, mutanty delecyjne pozbawione CheW1 (BB0312) lub CheW3 (BB0670) były niemotylne, podczas gdy mutacja CheW2 (BB0565) nie miała zauważalnego wpływu na chemotaksję lub ruchliwość. Ta zróżnicowana aktywność może być związana z rozpoznawaniem przez B. burgdorferi odrębnych cząsteczek CheA. Genom B. burgdorferi koduje dwa homologi CheA (Fraser i in., 1997), CheA1 (BB0567) i CheA2 (BB0669); jednakże ich funkcje nie wydają się być redundantne (Li i in., 2002). Podczas gdy mutant CheA1 nie wykazuje wyraźnego defektu w chemotaksji, spirochety pozbawione CheA2 stale uciekają i nie są już chemotaktyczne. Co ciekawe, dowody eksperymentalne pokazują również, że zarówno CheW1 jak i CheW3 oddziałują z CheA2, podczas gdy CheW2 oddziałuje z CheA1 (Zhang, Liu, et al., 2012). Zmutowany szczep CheA2 nadal był w stanie kolonizować i przetrwać w kleszczach, chociaż z powodu wadliwej odpowiedzi chemotaktycznej u mutanta CheA2, nie jest zaskakujące, że ten mutant nie był w stanie zainfekować myszy, gdy został zakażony przez igłę lub kleszcza (Sze i in., 2012). B. burgdorferi posiada również wiele homologów CheY, oznaczonych jako CheY1 (BB0551), CheY2 (BB0570) i CheY3 (BB0672) (Fraser i in., 1997). W analizach mutacyjnych mających na celu ocenę roli każdego homologu CheY, mutant CheY3 był jedynym mutantem z zauważalnym defektem w chemotaksji (Motaleb i in., 2005). Inaktywacja CheY3 skutkowała powstaniem szczepu mutanta, który stale biegał. Testy fosforylacji in vitro również sugerują, że CheA2 jest bardziej wydajny niż CheA1 w fosforylowaniu CheY3. U B. burgdorferi istnieje tylko jedna zidentyfikowana fosfataza CheY, która jest oznaczana jako CheX (BB0671) ze względu na jej homologię do białek CheX innych gatunków bakterii (Fraser i in., 1997). Ogólna ruchliwość jest upośledzona w mutancie delecyjnym CheX, ponieważ komórki stale się uginały i były zablokowane w stanie ruchliwości nieulegającej translacji (Motaleb i in., 2005). Ponieważ mutant CheX był niezdolny do translacyjnej ruchliwości, nie reagował również na chemoatraktanty. Fenotyp ten jest prawdopodobnie spowodowany wysokim stężeniem fosforylowanego CheY, który utrzymuje silnik(i) flagowy(e) obracający się w odwrotnym kierunku. Białka przełączające silnik FliG u B. burgdorferi zostały również przebadane (Li i in., 2010). Badania immunofluorescencyjne wykazały, że FliG1 (BB0221) lokalizuje się do jednego bieguna komórki bakteryjnej, podczas gdy FliG2 (BB0290) lokalizuje się do obu biegunów. Ta zróżnicowana lokalizacja sugeruje, że oba białka FliG mog± pełnić unikalne funkcje. FliG2 jest niezbędne do flagelacji, dlatego mutanty FliG2 nie są ruchliwe i mają kształt pręta. Z kolei mutant pozbawiony FliG1 był zdolny do tworzenia funkcjonalnych flagelli, ale tylko jeden koniec komórki aktywnie się obracał, a komórki były upośledzone pod względem ruchliwości w mediach o wysokiej lepkości. Mutant FliG1 był również niezakaźny, gdy myszy immunokompetentne lub z obniżoną odpornością były atakowane poprzez inokulację igłą.
Pomimo, że funkcje kilku podstawowych składników systemu ruchowego zostały potwierdzone w badaniach mutacyjnych, wciąż pozostaje wiele do odkrycia w zakresie chemotaksji B. burgdorferi. Wiadomo, że CheA2 i CheY3 są niezbędne do chemotaksji, ale badania nie były w stanie określić roli CheA1, CheY1 i CheY2. Ponieważ B. burgdorferi musi istnieć i przystosowywać się do bardzo różnych mikrośrodowisk podczas swojego cyklu enzootycznego, możliwe jest, że specyficzne nisze, w których te inne składniki są istotne, nie zostały jeszcze zidentyfikowane. Co ciekawe, wiele genów, o których obecnie wiadomo, że odgrywają rolę w chemotaksji, jest zorganizowanych w jeden operon (np. flaA-cheA2-cheW3-cheX-cheY3). cheW2-cheA1-cheY2, z których wszystkie nie mają obecnie wykazanej roli w ruchliwości, znajdują się w innym operonie (Li i in., 2002). Doprowadziło to badaczy do wysunięcia hipotezy, że CheW1/CheW3-CheA2-CheY3 reprezentują szlak chemosensoryczny, który działa in vitro i jest niezbędny do zakażenia ssaków, a CheW2-CheA1-CheY2 i/lub CheY1 stanowią drugi szlak, który może brać udział w kleszczowej fazie cyklu życiowego Borrelia, co nie zostało jeszcze zbadane (np. przeżycie/migracja w obrębie kleszcza lub przenoszenie przez kleszcze) (Charon i in., 2012; Li i in., 2002).
.