3.2 Chemotaxia
Multe bacterii sunt dependente de chemotaxie pentru a coordona motilitatea bacteriană de-a lungul unui gradient chimic (Charon et al., 2012; Lux, Moter, & Shi, 2000; Porter, Wadhams, & Armitage, 2011; Wadhams & Armitage, 2004). Având în vedere importanța motilității în timpul ciclului enzootic al B. burgdorferi, nu este surprinzător faptul că bacteria are, de asemenea, capacitatea de a sesiza și de a răspunde la concentrațiile variabile ale factorilor de mediu. Testele de chemotaxie in vitro cu B. burgdorferi au arătat că serul de iepure, glucoza, glutamatul, dimerul de chitosan, glucozamina și N-acetilglucozamina (GlcNAc) sunt agenți chemoatractivi (Bakker et al., 2007; Shi et al., 1998). Studiile au demonstrat, de asemenea, migrarea lui B. burgdorferi către extractele de glande salivare de la căpușe Ixodes adulte care se hrănesc (Shih, Chao, & Yu, 2002). Aceste ultime constatări sunt deosebit de interesante, deoarece evidențiază un mecanism potențial prin care spirochetele din țesuturile mamiferelor ar fi atrase la locul de hrănire a căpușelor pentru a facilita absorbția eficientă a bacteriilor și transmiterea de la mamifer la căpușă.
În timpul chemotaxei, chemoattractanții sunt detectați de bacterii prin intermediul chemoreceptorilor transmembranari cunoscuți sub numele de proteine de chemotaxie care acceptă metil (MCP) (Bren & Eisenbach, 2000; Hazelbauer, 2012; Porter et al, 2011). În modelul clasic de chemotaxie, MCP-urile transmit apoi un semnal pentru a activa kinaza senzorului CheA și a declanșa autofosforilarea acesteia. CheW este o proteină citoplasmatică care funcționează ca un adaptor pentru a cupla domeniul citoplasmatic al MCP la CheA. Atunci când CheA este activată, aceasta fosforilează regulatorul de răspuns CheY, iar CheY activat interacționează cu componentele complexului comutatorului flagelar pentru a induce o inversare a direcției de rotație flagelară. Pentru ca rotația flagelară să revină la direcția sa nativă, o fosfatază specifică CheY, a cărei natură variază în funcție de speciile bacteriene, inactivează CheY, determinând disocierea acestuia de motorul flagelar. Există o serie de componente suplimentare suspectate de a contribui la răspunsul chemotactic borrelial (analizate în Charon et al., 2012), însă acestea nu sunt discutate în detaliu în acest capitol, deoarece rolurile lor specifice în B. burgdorferi nu au fost confirmate experimental.
Ca și în cazul componentelor structurale flagelare, rolurile componentelor individuale ale sistemului de chemotaxie al B. burgdorferi s-au bazat inițial pe omologia cu mașinăria de chemotaxie cunoscută descrisă la alte bacterii. La B. burgdorferi, există cinci MCP-uri putative, MCP1 (BB0578), MCP2 (BB0596), MCP3 (BB0597), MCP4 (BB0680) și MCP5 (BB0681) (Fraser et al., 1997). S-a observat că MCP3 și MCP5, două dintre cele mai abundente MCP la B. burgdorferi, se grupează la ambii poli, iar crio-ET a arătat că aceste MCP sunt dispuse în rețele care sunt paralele și adiacente structurilor motorului flagelar (Xu, Raddi, Liu, Charon, & Li, 2011). Aceste date indică faptul că ambele capete ale spirochetelor au potențialul de a simți și de a răspunde la semnalele chemotactice. În plus, localizarea structurilor senzoriale în imediata apropiere a motoarelor permite un răspuns rapid la semnalele chemotactice. Genomul lui B. burgdorferi codifică, de asemenea, mai multe molecule adaptoare CheW (Fraser et al., 1997). Deși acest lucru nu este deosebit de neobișnuit în rândul bacteriilor flagelate, dovezile experimentale indică faptul că două dintre ele funcționează în aceeași cascadă chemosenzorială și sunt absolut esențiale pentru chemotaxia B. burgdorferi (Zhang, Liu, et al., 2012). Mai exact, mutanții de deleție lipsiți de CheW1 (BB0312) sau CheW3 (BB0670) nu au fost motili, în timp ce mutația CheW2 (BB0565) nu a avut niciun efect vizibil asupra chemotaxei sau motilității. Această activitate diferențiată ar putea fi corelată cu recunoașterea moleculelor CheA distincte de B. burgdorferi. Genomul B. burgdorferi codifică doi omologi CheA (Fraser et al., 1997), CheA1 (BB0567) și CheA2 (BB0669); cu toate acestea, funcțiile lor nu par a fi redundante (Li et al., 2002). În timp ce un mutant CheA1 nu prezintă un defect perceptibil în chemotaxie, spirochetele lipsite de CheA2 aleargă continuu și nu mai sunt chemotactice. În mod interesant, dovezile experimentale arată, de asemenea, că atât CheW1, cât și CheW3 interacționează cu CheA2, în timp ce CheW2 interacționează cu CheA1 (Zhang, Liu, et al., 2012). Tulpina mutantă CheA2 a fost în continuare capabilă să colonizeze și să supraviețuiască în interiorul căpușelor, deși, din cauza răspunsului chemotactic defectuos al mutantului CheA2, nu este surprinzător faptul că acest mutant nu a fost capabil să infecteze șoarecii atunci când a fost provocat prin infectare cu ace sau căpușe (Sze et al., 2012). B. burgdorferi are, de asemenea, mai mulți omologi CheY, denumiți CheY1 (BB0551), CheY2 (BB0570) și CheY3 (BB0672) (Fraser et al., 1997). În analizele de mutație pentru a evalua rolul fiecărui omolog CheY, mutantul CheY3 a fost singurul mutant cu un defect vizibil în chemotaxie (Motaleb et al., 2005). Inactivarea CheY3 a dus la o tulpină mutantă care a fugit în mod constant. Testele de fosforilare in vitro au sugerat, de asemenea, că CheA2 a fost mai eficient decât CheA1 la fosforilarea CheY3. La B. burgdorferi, există o singură fosfatază CheY identificată, care este denumită CheX (BB0671) datorită omologiei sale cu proteinele CheX din alte specii bacteriene (Fraser et al., 1997). Motilitatea generală este afectată în cazul unui mutant cu deleție CheX, deoarece celulele s-au flexat continuu și s-au blocat într-o stare de motilitate netranslațională (Motaleb et al., 2005). Deoarece mutantul CheX a fost incapabil de motilitate translațională, acesta a fost, de asemenea, insensibil la chemoattractanți. Se presupune că acest fenotip se datorează concentrațiilor ridicate de CheY fosforilat, care menține motorul (motoarele) flagelar(e) în rotație în sens invers. Proteinele de comutare a motorului FliG din B. burgdorferi au fost, de asemenea, studiate (Li et al., 2010). Studiile de imunofluorescență au indicat că FliG1 (BB0221) s-a localizat la un pol al celulei bacteriene, în timp ce FliG2 (BB0290) s-a localizat la ambii poli. Această localizare diferențiată sugerează că cele două proteine FliG ar putea avea funcții unice. FliG2 a fost esențială pentru flagelare, prin urmare, mutanții FliG2 nu sunt motili și au formă de tijă. Pe de altă parte, mutantul cu deficit de FliG1 a fost capabil să formeze flageli funcționali, dar numai un singur capăt al celulei se rotea în mod activ, iar celulele au fost afectate în ceea ce privește motilitatea în medii foarte vâscoase. Mutantul FliG1 a fost, de asemenea, neinfecțios atunci când șoarecii imunocompetenți sau imunocompromiși au fost provocați prin inoculare cu acul.
În timp ce funcțiile unui număr de componente primare ale sistemului de motilitate au fost confirmate în studiile de mutație, mai sunt încă multe de învățat în ceea ce privește chemotaxia B. burgdorferi. Se știe că CheA2 și CheY3 sunt esențiale pentru chemotaxie, dar studiile nu au reușit să determine rolurile pentru CheA1, CheY1 și CheY2. Deoarece B. burgdorferi trebuie să existe și să se adapteze la microambiențe extrem de diferite în timpul ciclului său enzootic, este posibil ca nișa (nișele) specifică (specifice) în care aceste alte componente sunt relevante să nu fi fost încă identificate. Este interesant faptul că o serie de gene despre care se știe în prezent că joacă un rol în chemotaxie sunt organizate într-un singur operon (de exemplu, flaA-cheA2-cheW3-cheX-cheY3). cheW2-cheA1-cheY2, toate acestea neavând în prezent un rol demonstrat în motilitate, se găsesc într-un alt operon (Li et al., 2002). Acest lucru i-a determinat pe cercetători să formuleze ipoteza că CheW1/CheW3-CheW3-CheA2-CheY3 reprezintă calea chemosenzorială care este operațională in vitro și esențială pentru infecția la mamifere, iar CheW2-CheA1-CheY2 și/sau CheY1 constituie o a doua cale care ar putea contribui în timpul fazei de căpușă a ciclului de viață al Borrelia care nu a fost încă abordată (de exemplu, supraviețuirea/migrația în cadrul căpușei sau transmiterea mediată de căpușă) (Charon et al., 2012; Li et al., 2002).
.