Oltre alla spora, lo zucchero anthrose dell'esosporio influisce sulla regolazione del gene vegetativo del Bacillus anthracis in cis e trans

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5060 (2023) Citare questo articolo

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Il pisolino exosporium del Bacillus anthracis è la porzione più esterna della spora che interagisce con l'ambiente e i sistemi ospiti. Le modifiche a questo strato hanno il potenziale di avere un impatto su processi fisiologici e immunologici ad ampio raggio. Lo zucchero unico, l'antrosio, normalmente ricopre il pelo dell'esosporio nei suoi punti più distali. Abbiamo precedentemente identificato ulteriori meccanismi che rendono B. anthracis anthrose negativo. In questo lavoro vengono identificati diversi nuovi ceppi di formiche - B. anthracis e viene studiato l'impatto della negatività dell'antrosio sulla fisiologia delle spore. Dimostriamo che i vaccini Sterne vivi attenuati così come i vaccini contro l'antrace filtrato in coltura generano anticorpi mirati ai componenti non proteici della spora. Il ruolo dell'antrosio come molecola di segnalazione vegetativa di B. anthracis Sterne è implicato da saggi di ceppo di espressione luminescente, esperimenti di RNA-seq e analisi della secrezione di tossine mediante western blot. L'antrosio puro e la decoinina, un analogo nucleosidico che induce la sporulazione, hanno avuto effetti simili sull'espressione delle tossine. Esperimenti di co-coltura hanno dimostrato che i cambiamenti dell'espressione genica in B. anthracis dipendono dallo stato dell'antrosio intracellulare (cis) oltre allo stato dell'antrosio delle interazioni extracellulari (trans). Questi risultati forniscono un meccanismo su come un residuo zuccherino specifico per le spore influenza la fisiologia, l’espressione e la genetica del B. anthracis vegetativo con impatti sull’ecologia, sulla patogenesi e sulla vaccinologia dell’antrace.

Il batterio Bacillus anthracis provoca l'antrace e può sopravvivere a condizioni ambientali difficili formando una spora1. Intorno all'endospora c'è uno strato proteico sciolto, ricco di carboidrati chiamato esosporio2. Durante la sporulazione, l'esosporio viene assemblato attorno alla forespora mentre si forma nella cellula madre attraverso uno sforzo coordinato delle proteine ​​CotE, CotO e CotY3. La parte rivolta verso l'esterno dell'esosporio è composta da glicoproteine ​​che creano uno strato simile al velcro noto come pelo dell'esosporio. Il pelo contiene gambi sporgenti delle proteine ​​BclA e BclB glicosilate attaccate alle proteine ​​dello strato basale ExsFA/BxpB ed ExsFB4,5. Il pelo dell'esosporio glicoproteico conferisce una superficie carica alla spora ed è la superficie distale che media le interazioni tra le spore quiescenti e l'ambiente esterno, comprese le particelle del suolo, le cellule ospiti animali e altre spore. Dopo la germinazione, il pelo dell'esosporio viene eliminato e B. anthracis inizia a germinare, quindi si replica in forma vegetativa secernendo la tossina dell'antrace6.

Otto proteine ​​sono state identificate come componenti significativi dell'esosporio quando preparato da exosporia lavato per rimuovere eventuali proteine ​​delle cellule vegetative7. La proteina BclA è il principale componente proteico dell'esosporio e forma le fibre a pelo simile a un gambo che sporgono dalla superficie dell'esosporio. Le regioni ripetute simili al collagene di BclA variano in lunghezza tra i ceppi di B. anthracis a seconda della dimensione del gene bclA. Questi polimorfismi contribuiscono ai cambiamenti osservabili dello spessore del pelo sulla superficie delle spore8. BclA è presente nelle formazioni trimeriche in cui regioni simili al collagene sono densamente glicosilate con ripetizioni pentasaccaridiche di GalNAc-Rha-Rha-Rha-Ant9. La formica è il monosaccaride dell'antrosio ed è uno zucchero raro che si trova in pochi luoghi in natura. L'operone biosintetico dell'antrosio è stato ben caratterizzato ed è composto da quattro geni antA, antB, antC e antD10,11. Tutti i geni sono coinvolti nella biosintesi dell'antrosio con l'eliminazione di antA che riduce della metà la spore misurabili di antrosio e l'eliminazione di antB, antC o antD che abolisce i livelli rilevabili di spore di antrosio11. L'antrose non è sintetizzata da altri Bacillus spp. e quindi è presente unicamente sulla superficie delle spore di B. anthracis. Residui zuccherini alternativi si trovano sulle spore di altri Bacillus spp, come il cereosi presente sulle spore di Bacillus cereus12,13. Anche se BclA si trova sulla superficie dell'esosporio, il suo contributo alla patogenesi non è chiaro. BclA non era richiesto per la virulenza completa negli esperimenti di stimolazione con topi Sterne4 o Ames14 ad alte dosi, mentre in un altro studio un mutante ΔbclA Sterne 34F2 aveva una riduzione del 50-70% in LD50 rispetto allo Sterne 34F215 wild-type. Il disegno dello studio a dose elevata può mascherare gli effetti di virulenza dell’eliminazione di bclA con produzione di tossina fulminante e capsule che possono essere rivelati in studi LD50 più sensibili. È importante sottolineare che un knockout di BclA rimuove efficacemente l'antrosio dalla superficie delle spore, lasciando intatta la sua biosintesi nelle cellule vegetative. È stato dimostrato che l'eliminazione di BclA aumenta l'associazione con le cellule epiteliali, i fibroblasti e le cellule endoteliali ma non con i macrofagi16. Ciò è stato confermato da altri che hanno mostrato che le spore knock out di BclA non erano in grado di legarsi al recettore dei macrofagi CD14 mentre la rimozione dell'antrosio da BclA nelle spore knock out di antC/degT aumentava il legame con il recettore CD14 rivelando i residui di ramnosio17. Ciò concorda con i risultati secondo cui i topi infettati con spore mutanti di bclA conservano più spore nel fluido polmonare broncoalveolare dopo l'esposizione all'aerosol14. La funzione precisa dell’antrosio e il suo contributo alla patogenesi sono rimasti poco chiari, con prove a sostegno dell’interazione con l’ambiente del suolo e le cellule del sistema immunitario. In precedenza, abbiamo scoperto che la rimozione dell'antrosio dalla superficie delle spore riduceva l'efficienza della germinazione e aumentava i tassi di sporulazione in un modello eterologo di B. anthracis Sterne18. Oltre ai cambiamenti fisiologici, le spore di antrosio negative presentavano metà dell'LD50 in un modello di stimolazione sottocutanea sui topi, determinando un tempo di morte più rapido e una diffusione più rapida negli organi ospiti. Un aumento della letalità è stato osservato anche in un secondo modello animale sfidando le larve di Galleria mellonella con spore18.