Внутриклеточная жизнь бактериальных патогенов

Использование функций хозяйской клетки продолжается когда бактериальные патогены становятся интрацеллюлярными паразитами. Почти все инвазивные бактерии попадают в мембран-связанную вакуоль и эта стадия является частью их инвазионного процесса, но последующие события для разных бактерий могут быть различными. Некоторые бактерии выживают в вакуолях, которые при этом сливаются с лизосомами, однако мало известно о механизмах этих процессов. Другие обладают механизмами запрещения слияния фагосом с лизосомами, третьи персистируют в защищенных нишах внутри хозяйской клетки, наконец четвертые лизируют вакуоль и выживают внутри цитоплазмы.

Жизнь в вакуоли. Salmonella интернализует обе группы клеток и фагоцитирующие и нефагоцитирующие путем макропиноцитоза. Они часто сохраняются в клетке в широких мембран-связанных вакуолях, и они экспрессируют несколько генных продуктов, за счет которых увеличивают выживаемость, нейтрализуя лизосомальные киллинговые механизмы, которые опосредуются например катионными пептидами. Внутри эпителиальных клеток, вакуоль с S. typhymurium кажется отклоняется от обычного эндоцитарного пути и после периода задержки (lag-фазы), бактерия реплицируется в ней. С этими вакуолями ассоциированы хозяйские филаментозные структуры, которые содержат лизосомальные гликопротеины; роль этих структур неясна, но Salmonella имеют по крайней мере один фактор вирулентности, который является необходимым для формирования таких филаментозных структур.

Общее свойство среди патогенов, которые остаются в пределах мембран-связанных вакуолей - их способность избегать слияния с лизосомами, хотя механизмы которые бактерии используют для этого обычно отличаются. Например, вакуоли содержащие Mycobacteria остаются в пределах ранних эндосомальных компартментов, таким образом избегая процесса развития в лизосомы. Вакуолярная аденозин трифосфотаза, которая является ответственной за закисления везикул, не включается в интрацеллюлярные мембраны вакуолей, содержащих например M. avium так, что вакуоли остаются неподкисленными, что является необходимой предпосылкой для активации нескольких лизосомальных ферментов с деградирующей активностью. Большинство лизосомальных маркеров, не достигает Mycobacterium -содержащих везикул.

Chlamydia trachomatis, облигатный внутриклеточный патоген, проживает в пределах вакуолей, которые остаются полностью отсоединенными от главного эндоцитарного маршрута. Хламидиальные включения не содержат никаких определенных вакуолярных маркеров, но приобретают и включают в вакуоли сфингомиелин, вероятно, перехватывая его из пузырьков экспортирующихся по секреторному пути. Рост Chlamydia в вакуоли требует аденозинтрифосфата (АТФ), который накачивается в вакуоль из цитоплазмы клетки хозяина неизвестным механизмом.

Legionella pneumophila, агент болезни Легионеров, также населяет уникальную интрацеллюлярную нишу в пределах мембран-связанной вакуоли. Они попадают в фагоциты необычным для фагоцитоза механизмом, называемым "наматывающий фагоцитоз", в течение которого псевдоподии фагоцита наматываются вокруг бактерии до тех пор, пока микроорганизм не поглощается. После интернализации, хозяйские митохондрии сосредотачиваются вокруг бактериальной вакуоли, но позже они замещаются рибосомами. Рибосомы связаны с хозяйским эндоплазматическим ретикуломом. Кажется, что вакуоль с Legionella соединяется с шереховатым эндоплазматическим ретикуломом, чтобы создать интрацеллюлярную нишу, благоприятную для нее. Несколько бактериальных генов, включая icm и dotA кажется, являются критическими для внутриклеточного выживания и роста Legionella.

Другие возможные механизмы, которыми патогены влияют на созревание вакуолей содержащих патогены, только начинают изучаться. Например, везикулярный трафик обычно опосредован протеинами семейства малых GTP-связывающих белков называемых Rab белками. Одна возможность состоит в том, что вакуоли содержащие бактерии взаимодействуют с Rab белками или их исполнительными элементами, таким образом изменяя их транспорт и весь трафик вакуоли. Другой потенциальный механизм - связывание вакуолярных поверхностных рецепторов, что изменяет вакуоль, и не дает распознать ее чтобы превратить в лизосому. Развитие новых методов, как например изоляция вакуолей, содержащих интрацеллюлярные патогены и использование конфокальной микроскопии, чтобы маркировать вакуолярные мембраны, вместе с идентификацией бактериальных генов, которые опосредуют эти процессы, дадут информацию относительно этих механизмов.

Спасение из вакуоли и "межклеточное" распространенение. Не все внутриклеточные бактерии остаются в пределах вакуоли. Shigella, Listeria, и Rickettsia быстро получают доступ к цитозолю, где они и реплицируются. В случае Shigella, бактериальный фактор который нарушает мембрану вакуоли - IpaB, один из секретируемых белков используемых для вторжение в клетки, но механизм лизиса - неизвестен. Listeria используют поро-формирующий токсин, listeriolysin O.

Когда эти три бактериальных вида проникают в цитоплазму, они используют фенотипически схожие механизмы, чтобы продвигаться через цитозоль. Непрерывный процесс приводящий к полимеризации актина имеет место на одном из полюсов бактерии и обеспечивает движущую силу для передвижения. Актин собирается в виде хвоста полимеризованного (F) актина, который постоянно сохраняется в пределах цитозоля ("актиновый хвост") в то время как бактерии двигаются вперед. В этом хвосте, короткие и беспорядочно ориентирование нити, с зазубренным (быстро полимеризующимся) концом, ориентируемым к бактерии, указывают, на то что полимеризация актина начинается на бактериальной поверхности. Бактериальная актин-опосредованная подвижность не имеет никакой связи с бактериальным хемотаксисом; скорее, это явление близко напоминает о других клеточных актин-опосредованных моторных событиях, типа перемещения нейтрофилов к участку инфекции или метастазирование раковых клеток. В этих случаях, полимеризация актина имеет место в ведущем крае перемещающейся клетки. Однако, молекулярные механизмы этих клеточных событий остаются неуловимыми. Это объясняет, почему бактериальная подвижность, после ее обнаружении, получила много внимания. Потому что это обеспечивает упрощенный и генетически манипулируемый доступ к системе, чтобы изучить это сложное явление у эукариот.

Актин-опосредованная подвижность была ассоциирована с наличием единственного бактериального белка: ActA в случае Listeria и IcsA (также называемый VirG) для Shigella. ActA – поверхностный белок состоящий из 610-аминокислотных остатков, характеризующийся наличием центральной области, содержащей богатые пролином повторяющиеся участки. IcsA - внешний мембранный белок [120-kD], который также имеет область повторов в своей структуре, хотя и богатой лейцином. Одна интересная особенность этих двух белков - их полярное распределение на бактериальной поверхности. Возникновение полярности в распределении ActA связано с процессом репликации бактериальной ДНК. Известно, что для Shigella, протеаза SopA вносит вклад в полярность распределения ее белка. Полярное распределение этих белков определяет участок для сборки актиновых нитей и направления движения, при этом бактерии демонстрируют способность нацеливать белки к специфическим точкам локализации, чтобы выполнить определенные программы в направлении движения.

Как ActA и IcsA опосредуют сборку актиновых волокон - более интенсивно изучалась для ActA с использованием систем свободных от клеток (типа яичный экстракт Xenopus или экстракт из тромбоцитов), которые поддерживают актин-опосредованную бактериальную подвижность. Генетический анализ показал, что NH₂-терминальная область ActA необходима и достаточна для движения, а центральная пролин-богатая область увеличивает эффективность процесса, при этом COOH-область не играет никакой роли. Предполагают, что ActA использует актин-связывающий белок или должен быть сам модифицирован внутри хозяина, чтобы взаимодействовать с актином, или возможно используются оба механизма. Очищенный ActA связывает VASP, клеточный белок, который связан с микронитями, и который может связывать профилин, маленький actin-связывающий белок, который играет критическую роль в контроле целлюлярной сборки актина. Таким образом VASP может обуславливать близость бактерий к соответствующим полимеризационным профилин/актиновым комплексам. Однако, в инфицированной клетке, VASP используется пролин-богатой областью ActA и может таким образом рассматриваться как не абсолютно необходимый. Также вовлечены в процесс - Arp2 и Arp3, два актино-подобных белка клеток млекопитающих, которые могут взаимодействовать с актином и обеспечивать связь между ActA и актином.

Начальные модели для ActA-опосредованной агрегации F-актина были в значительной степени основаны на идее что этот белок образует ядро полимеризации, или затравку, для актиновых мономеров. Хотя это - все еще не доказано окончательно, но привлекательная возможность, в настоящее время имеются некоторые свидетельства для этого. Другая возможность состоит в том, что ActA управляет движением непосредственно или косвенно генерируя или регулируя готовность свободных колючих концов актиновых нитей.

Использование актина бактериями, которые реплицируются внутри цитозоля - хороший пример использования клеточных компонентов бактериальным патогенами. Учитывая, что актиновый цитоскелет также может быть использован в течение интернализации и даже прилипания, ясно, что патогены развили широкий диапазон механизмов, чтобы управлять этой высоко динамичной цитоскелетной сетью. Это, в свою очередь, указывет на длинный коэволюционный путь между клетками и патогенами.

Обычно, когда внутриклеточные бактерии активно реплицируются внутри клетки хозяина, клетка умирает, причем часто путем лизиса. Это приводит к освобождению бактерий, которые вновь вторгаются в другие клетки или захватываются фагоцитирующими клетками. Для Shigella и Listeria, важным последствием актин-опосредованного движения является прямое распространение по направлению к соседним клеткам. При достижении плазматической мембраны, эти бактерии стимулируют формирование выпячиваний которые инвагинируют в соседнюю клетку, что приводит к формированию двух-мембранных вакуолей, содержащих бактерии. После лизиса вакуолей, бактерии начинает новый цикл инфекции. Поглощение содержащего бактерии выпячивания соседней эпителиальной клеткой требует присутствия адгезивных молекул, например E-кадерин, по крайней мере в случае Shigella. Это прямое межклеточное распространение позволяет бактериям распространятся в пределах тканей, в то же время позволяя бактериям оставаться защищенными от бактерицидных клеток хозяина или от таких гуморальных факторов как циркулирующие антитела или комплемент.