3.2 Kemotaxis
Många bakterier är beroende av kemotaxis för att koordinera bakteriemotilitet längs en kemisk gradient (Charon et al, 2012; Lux, Moter, & Shi, 2000; Porter, Wadhams, & Armitage, 2011; Wadhams & Armitage, 2004). Med tanke på motilitetens betydelse under B. burgdorferis enzootiska cykel är det inte förvånande att bakterierna också har förmågan att känna av och reagera på förändrade koncentrationer av miljöfaktorer. Kemotaxisförsök in vitro med B. burgdorferi har visat att kaninsera, glukos, glutamat, kitosan dimer, glukosamin och N-acetylglukosamin (GlcNAc) är kemoattraktorer (Bakker et al., 2007; Shi et al., 1998). Studier har också visat att B. burgdorferi migrerar till spottkörtelextrakt från ätande vuxna Ixodes- fästingar (Shih, Chao, & Yu, 2002). Dessa senare fynd är särskilt intressanta eftersom de belyser en potentiell mekanism genom vilken spiroketer i däggdjursvävnader skulle attraheras till platsen där fästingar äter för att underlätta effektivt bakterieupptag och överföring från däggdjur till fästing.
Under kemotaxis känner bakterierna av kemoattraktiva ämnen via transmembran kemoreceptorer som kallas metyl-accepterande kemotaxisproteiner (MCP) (Bren & Eisenbach, 2000; Hazelbauer, 2012; Porter et al, 2011). I den klassiska modellen för kemotaxis överför MCP:erna sedan en signal för att aktivera CheA-sensorkinaset och utlösa dess autofosforylering. CheW är ett cytoplasmatiskt protein som fungerar som en adaptor för att koppla MCP:s cytoplasmatiska domän till CheA. När CheA aktiveras fosforylerar det responsregulatorn CheY, och aktiverad CheY interagerar med komponenterna i flagellära växelkomplexet för att framkalla en omvänd riktning i flagellära rotationen. För att återställa flagellarrotationen till sin ursprungliga riktning inaktiverar ett CheY-specifikt fosfatas, vars karaktär varierar mellan olika bakteriearter, CheY, vilket gör att den dissocieras från flagellarmotorn. Det finns ett antal ytterligare komponenter som misstänks bidra till den borreliala kemotaxisresponsen (granskad i Charon et al., 2012), men de diskuteras inte i detalj i det här kapitlet eftersom deras specifika roller i B. burgdorferi inte har bekräftats experimentellt.
Som med de flagellära strukturella komponenterna baserades rollerna för de enskilda komponenterna i B. burgdorferis kemotaxisystem ursprungligen på homologi till kända kemotaxismaskinerier som beskrivits i andra bakterier. I B. burgdorferi finns det fem förmodade MCP:er, MCP1 (BB0578), MCP2 (BB0596), MCP3 (BB0597), MCP4 (BB0680) och MCP5 (BB0681) (Fraser et al., 1997). MCP3 och MCP5, två av de mest förekommande MCP:erna i B. burgdorferi, observerades klustra vid båda polerna och kryo-ET visade att dessa MCP:er var arrangerade i matriser som är parallella och intill flagellmotorstrukturerna (Xu, Raddi, Liu, Charon, & Li, 2011). Dessa data tyder på att båda ändarna av spiroketen har potential att känna av och reagera på kemotaktiska signaler. Dessutom möjliggör lokalisering av de sensoriska strukturerna i nära anslutning till motorerna ett snabbt svar på kemotaktiska signaler. Genomet hos B. burgdorferi kodar också för flera CheW-adaptermolekyler (Fraser et al., 1997). Även om detta inte är särskilt ovanligt bland flagellerade bakterier tyder experimentella bevis på att två av dem verkar i samma kemosensoriska kaskad och är absolut nödvändiga för B. burgdorferis kemotaxis (Zhang, Liu, et al., 2012). Specifikt var deletionsmutanter som saknade CheW1 (BB0312) eller CheW3 (BB0670) icke-motila, medan mutation av CheW2 (BB0565) inte hade någon märkbar effekt på kemotaxis eller motilitet. Denna differentiella aktivitet skulle kunna korreleras med igenkännande av de av B. burgdorferi distinkta CheA-molekylerna. B. burgdorferis genom kodar för två CheA-homologer (Fraser et al., 1997), CheA1 (BB0567) och CheA2 (BB0669), men deras funktioner verkar inte vara överflödiga (Li et al., 2002). Medan en CheA1-mutant inte uppvisar någon märkbar defekt i kemotaxis, springer spiroketer som saknar CheA2 kontinuerligt och är inte längre kemotaktiska. Intressant nog visar experimentella bevis också att både CheW1 och CheW3 interagerar med CheA2, medan CheW2 interagerar med CheA1 (Zhang, Liu, et al., 2012). CheA2-mutantstammen kunde fortfarande kolonisera och överleva i fästingar, men på grund av det defekta kemotaktiska svaret i CheA2-mutanten är det inte förvånande att denna mutant inte kunde infektera möss när den utmanades via nål- eller fästinginfektion (Sze et al., 2012). B. burgdorferi har också flera CheY-homologer, benämnda CheY1 (BB0551), CheY2 (BB0570) och CheY3 (BB0672) (Fraser et al., 1997). I mutationsanalyser för att bedöma varje CheY-homologs roll var CheY3-mutanten den enda mutanten med en märkbar defekt i kemotaxis (Motaleb et al., 2005). Inaktivering av CheY3 resulterade i en mutantstam som ständigt sprang. Fosforyleringsanalyser in vitro tyder också på att CheA2 var effektivare än CheA1 när det gäller fosforylering av CheY3. I B. burgdorferi finns det endast ett identifierat CheY-fosfatas, som betecknas CheX (BB0671) på grund av dess homologi med CheX-proteiner från andra bakteriearter (Fraser et al., 1997). Den totala motiliteten är nedsatt i en CheX-deletionsmutant eftersom cellerna kontinuerligt böjdes och låstes i ett icke-translationellt motilitetstillstånd (Motaleb et al., 2005). Eftersom CheX-mutanten var oförmögen till translationell motilitet var den inte heller mottaglig för kemoattraktorer. Denna fenotyp beror förmodligen på höga koncentrationer av fosforylerat CheY, som håller flagellarmotorn(erna) roterande i omvänd riktning. FliG-motoromkopplingsproteinerna hos B. burgdorferi har också studerats (Li et al., 2010). Immunofluorescensstudier visade att FliG1 (BB0221) lokaliserades till en pol i bakteriecellen, medan FliG2 (BB0290) lokaliserades till båda polerna. Denna differentiella lokalisering tyder på att de två FliG-proteinerna kan ha unika funktioner. FliG2 var väsentlig för flagellering, därför är FliG2-mutanter icke rörliga och stavformade. Den FliG1-defekta mutanten kunde å andra sidan bilda funktionella flageller, men endast den ena änden av cellen roterade aktivt och cellerna hade nedsatt motilitet i högviskösa medier. FliG1-mutanten var också icke-infektiös när antingen immunkompetenta eller immunsupprimerade möss utmanades via nålinokulering.
Men även om funktionerna hos ett antal av de primära komponenterna i motilitetssystemet har bekräftats i mutationsstudier finns det fortfarande mycket kvar att lära om B. burgdorferis kemotaxis. CheA2 och CheY3 är kända för att vara viktiga för kemotaxis, men studier har inte kunnat fastställa roller för CheA1, CheY1 och CheY2. Eftersom B. burgdorferi måste existera i och anpassa sig till mycket olika mikromiljöer under sin enzootiska cykel är det fortfarande möjligt att de specifika nischer där dessa andra komponenter är relevanta ännu inte har identifierats. Intressant nog är ett antal av de gener som nu är kända för att spela en roll i kemotaxis organiserade i ett enda operon (t.ex. flaA-cheA2-cheW3-cheX-cheY3). cheW2-cheA1-cheY2, som alla för närvarande inte har någon påvisad roll i motilitet, återfinns i ett annat operon (Li et al., 2002). Detta har fått forskare att anta att CheW1/CheW3-CheA2-CheY3 representerar den kemosensoriska vägen som är operativ in vitro och nödvändig för infektion hos däggdjur, och CheW2-CheA1-CheY2 och/eller CheY1 utgör en andra väg som kan bidra under fästingfasen av Borrelias livscykel som ännu inte har behandlats (t.ex. överlevnad/migration inom fästingen eller fästingförmedlad överföring) (Charon et al., 2012; Li et al., 2002).