Systemy sekrecji i białka efektorowe w patogenezie legionellozy

System sekrecji typu IV (T4SS) zwany Dot/Icm stanowi jeden z najważniejszych czynników zjadliwości Legionella pneumophila i jest niezbędny do replikacji wewnątrzkomórkowej oraz tworzenia wakuoli zawierającej Legionella (LCV)¹. Ten zaawansowany aparat molekularny pozwala bakteriom na translokację setek białek efektorowych bezpośrednio do cytoplazmy komórki gospodarza, gdzie modulują one kluczowe procesy komórkowe na korzyść patogenu².

System Dot/Icm jest zaangażowany nie tylko w replikację wewnątrzkomórkową i tworzenie LCV, ale również w wnikanie bakterii do komórek, hamowanie apoptozy komórek gospodarza oraz wyjście L. pneumophila z komórek gospodarza¹. Ta wielofunkcyjność czyni go centralnym elementem strategii patogennej bakterii.

Charakterystyka systemu Dot/Icm

Efektory Dot/Icm stanowią około 10% proteomu L. pneumophila, co sugeruje, że są one głównym determinantem przetrwania bakterii i że selekcja na rzecz ich retencji jest silna¹. Genom L. pneumophila koduje kilka domniemanych białek efektorowych Dot/Icm z motywami eukariotycznymi, które funkcjonują w eukariotycznym szlaku ubiwitynacji¹.

Najnowsze badania wykazały, że system ten można porównać do „pistoletu toksyn” (Toxin Gun), który jest odpowiedzialny za odnotowaną oporność bakterii na niektóre antybiotyki³. Pistolet toksyn wydziela tysiące toksycznych cząsteczek, które zakażają i znacząco osłabiają komórki, przeciążając odpowiedź immunologiczną organizmu³. Dodatkowo wydziela materiał zakodowany genami oporności na antybiotyki, umożliwiając tworzenie większej liczby bakterii opornych na niektóre formy antybiotyków³.

Białka efektorowe i ich funkcje

Bakterie Legionella pneumophila uwalniają od 300 do 400 białek – „robotniczych pszczół zakażenia” wysyłanych do wykonywania zadań bakterii⁴. Te białka przeprogramowują maszynerię transportu komórkowego gospodarza w bardzo interesujący sposób⁴. Normalnie, gdy makrofag pochłania bakterie, komórki nowotworowe lub agregaty białkowe, są one transportowane do przedziału w komórce zwanego lizosomem, gdzie zostają strawione i usunięte⁴.

W przypadku Legionella, bakterie zapobiegają temu transportowi, przebudowują szlak i wykorzystują część maszynerii komórkowej do utworzenia ochronnej kapsułki⁴. Wewnątrz tej ochronnej bańki bakterie replikują się, rosną i ostatecznie przejmują komórkę i ją zabijają⁵.

Regulatory białek efektorowych – system SidE/SidJ

Jednym z najbardziej fascynujących odkryć w zakresie patogenezy legionellozy jest wyjaśnienie mechanizmu regulatora SidJ⁶. W celu kontrolowania procesów komórkowych i udaremniania układu immunologicznego, bakteria Legionella pneumophila uwalnia setki enzymów⁶. Badacze odkryli, jak regulatorowy enzym SidJ utrzymuje w ryzach inne niebezpieczne czynniki zjadliwości⁶.

To, co czyni Legionella tak niebezpieczną, to jej zdolność do rozmnażania w fagocytach układu immunologicznego poprzez wydzielanie czynników zjadliwości⁶. Jednak ponieważ Legionella potrzebuje komórek gospodarza do rozmnażania, opracowała wyrafinowany mechanizm precyzyjnego dozowania aktywności enzymu SidE⁶.

Wykazano, że regulator SidJ, również uwalniany przez Legionella, działa jako antidotum na enzymy SidE, zapewniając w ten sposób precyzyjną kontrolę aktywności SidE⁶. Regulator SidJ to glutamylaza, czyli ma rzadką aktywność enzymatyczną, która pozwala na łączenie aminokwasów glutaminianów w łańcuchy⁷. W tym przypadku SidJ atakuje centralny glutaminian enzymów SidE i hamuje ich aktywność⁷.

Modulacja szlaków komórkowych gospodarza

Zdolność L. pneumophila do ustanowienia i utrzymania tej niszy wewnątrzkomórkowej wskazuje, że bakterie aktywnie i stale manipulują transportem komórkowym gospodarza z wnętrza wakuoli replikacyjnej⁸. LCV specyficznie rekrutuje Rab1, ale nie Rab2 czy Rab6, do LCV w ciągu minut od wchłonięcia, poprzedzając jakąkolwiek przebudowę wakuoli⁸.

Inne dowody sugerują, że manipulacja autofagii przez L. pneumophila jest ważna dla replikacji bakteryjnej¹. Mechanizmy zaangażowane obejmują: apoptozę, autofagię, dynamikę mitochondrialną i biosyntezę fosfolipidów⁹. Gatunki Legionella wpływają na liczne procesy komórkowe eukariontów, charakteryzując się zdolnością do translokacji ponad 300 białek efektorowych do makrofagów gospodarza¹⁰.

System sekrecji typu II (T2SS)

Oprócz systemu Dot/Icm, L. pneumophila posiada również system sekrecji typu II (T2SS) zwany Lsp (Legionella secretion pathway), który jest wymagany do pełnej zjadliwości i persystencji środowiskowej¹. System ten współpracuje z systemem Dot/Icm w zapewnieniu kompleksowej strategii patogennej bakterii.

Zdolność L. pneumophila do pozostawania żywotną w szerokim zakresie warunków jest fundamentalna dla jej persystencji środowiskowej¹¹. Dwufazowy cykl wzrostu, w którym w warunkach bogatych w składniki odżywcze bakterie znajdują się w fazie replikacyjnej i wyrażają niewiele cech zjadliwości, ale w warunkach ograniczonych składników odżywczych bakterie wchodzą w fazę transmisyjną i stają się wysoce ruchliwe i odporne na różne stresy¹¹.

Regulacja genów i małe RNA

Najnowsze odkrycia ujawniły, że Legionella pneumophila posiada duże repozytorium białek efektorowych, które naśladują funkcje komórek gospodarza i są wykorzystywane przez patogen do manipulacji szlakami sygnałowymi gospodarza na korzyść patogenu¹²¹³.

Badacze odkryli, że te dwa bakteryjne RNA, nazwane RsmY i tRNA-Phe, funkcjonują w komórce gospodarza w sposób podobny do mikroRNA¹². Obniżają one ekspresję RIG-I, białka w komórce, które wykrywa obce cząsteczki RNA w celu zainicjowania odpowiedzi immunologicznej¹². Obniżenie ekspresji RIG-I prowadzi do osłabienia odpowiedzi immunologicznej gospodarza i lepszej replikacji Legionella pneumophila¹².

Amylaza LamB jako czynnik zjadliwości

Wśród unikalnych czynników zjadliwości L. pneumophila szczególną uwagę zwraca amylaza LamB¹⁴. Mimo minimalnej roli glukozy w metabolizmie L. pneumophila, amylaza LamB jest zaskakująco niezbędna do replikacji wewnątrzkomórkowej w amebach i makrofagach ludzkich oraz jest wymagana do zjadliwości in vivo w modelu myszy A/J¹⁵.

Wśród 60 gatunków Legionella, L. pneumophila i L. steigerwaltii to jedyne dwa gatunki Legionella, które posiadają gen lamB¹⁵. Utrata LamB lub ekspresja katalitycznie nieaktywnych wariantów LamB powoduje ciężki defekt wzrostu L. pneumophila w Acanthamoeba polyphaga i makrofagach pochodzących z monocytów ludzkich¹⁴.

Co ważne, mutant bez genu lamB jest poważnie osłabiony w proliferacji wewnątrzpłucnej w modelu myszy i wykazuje defekty w rozprzestrzenianiu się do wątroby i śledziony¹⁴. Te dane pokazują zasadniczą rolę LamB w replikacji wewnątrzkomórkowej L. pneumophila w amebach i makrofagach ludzkich oraz w zjadliwości in vivo¹⁴.

Perspektywy terapeutyczne

Zrozumienie mechanizmów działania białek efektorowych i systemów sekrecji otwiera nowe możliwości badawcze nad hamowaniem rozprzestrzeniania się Legionella w organizmie gospodarza⁷. Badacze obecnie pracują nad selektywnym eliminowaniem SidJ poprzez opracowywanie inhibitorów dla domeny glutamylazy⁷.

Badania z wykorzystaniem narzędzia edycji genów CRISPR-Cas9 ujawniły nowe wskazówki genetyczne od gospodarza, które pokazują, jak bakterie się umacniają⁴. Te geny mogłyby potencjalnie wskazywać na nowe drogi dla celów lekowych⁵. Wyniki badań sugerują, że możliwe może być celowanie w geny komórki gospodarza w celu uzyskania efektów terapeutycznych przeciwko bakteriom⁵.

Ta wiedza nie tylko ujawnia nowe cele, które mogą być wykorzystane do projektowania inhibitorów, ale także pokazuje nam mechanizmy molekularne, które mogą być readaptowane i wykorzystane, na przykład w selektywnym transporcie cząsteczek do celów terapeutycznych¹⁶.