FimH pomaga atypowym EPEC kompensować utratę głównego mechanizmu adhezji

Atypowe enteropatogenne Escherichia coli (aEPEC), mimo braku jednego z charakterystycznych dla typowych EPEC mechanizmów przyczepiania się do nabłonka jelitowego, mogą szybko odzyskiwać zdolność adhezji do komórek gospodarza. Badacze z The Hebrew University of Jerusalem wykazali w modelu ewolucji eksperymentalnej, że bakterie mogą wykorzystywać fimbrie typu 1 (T1F), a następnie zwiększać skuteczność przylegania dwiema drogami: poprzez filamentację komórek bakteryjnych albo zmiany w adhezynie FimH. Analiza 327 genomów aEPEC izolowanych od zakażonych pacjentów wskazała, że warianty FimH podobne do obserwowanych eksperymentalnie występują również w izolatach klinicznych. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Gut Microbes.

Atypowe EPEC bez klasycznego mechanizmu początkowej adhezji

Enteropatogenne Escherichia coli (EPEC) są patotypem E. coli związanym z chorobą biegunkową, szczególnie istotną u dzieci. Jak przypominają autorzy publikacji, zakażenia mogą mieć charakter przewlekły, a przedłużająca się biegunka może niekorzystnie wpływać na rozwój fizyczny i poznawczy dziecka.

Dla skutecznego zakażenia zasadnicze znaczenie ma zdolność bakterii do pozostawania w kontakcie z powierzchnią komórek gospodarza. Typowe EPEC (tEPEC) wykorzystują w tym celu m.in. pilusy tworzące wiązki (ang. bundle-forming pili, BFP), które uczestniczą w początkowym przyleganiu bakterii do nabłonka jelitowego.

Problem badawczy pojawia się w przypadku atypowych EPEC (aEPEC). Bakterie te nie mają BFP, a mimo to zachowują zdolność wywoływania zakażenia. Autorzy pracy zwracają przy tym uwagę na rosnące znaczenie zakażeń wywoływanych przez aEPEC. Kluczowe pytanie brzmiało więc: w jaki sposób bakteria pozbawiona ważnego mechanizmu adhezji może odzyskać zdolność skutecznego przylegania do komórek gospodarza?

Ewolucja eksperymentalna: selekcjonowano bakterie, które potrafiły pozostać przy komórkach

Zespół Noama Yedidiego, Klil Cohen-Yaron, Miriam Ravins, Michal Bejerano-Sagie, Sigal Ben-Yehudy i Ilana Rosenshine z Department of Microbiology and Molecular Genetics, Institute for Medical Research Israel-Canada, Faculty of Medicine, The Hebrew University of Jerusalem zastosował podejście oparte na ewolucji eksperymentalnej.

Badacze wykorzystali nieadherentne bakterie E. coli skonstruowane tak, aby odtworzyć sytuację, w której utracone zostały główne mechanizmy początkowego przylegania. Bakterie kontaktowano z ludzkimi komórkami, a następnie selekcjonowano te nieliczne komórki bakteryjne, które mimo niesprzyjających warunków pozostawały przyczepione. Wyselekcjonowane bakterie namnażano i ponownie poddawano kolejnemu cyklowi selekcji.

Już po czterech takich rundach powstały warianty o znacznie silniejszej zdolności adhezji. W części eksperymentów bakterie po selekcji przyczepiały się do komórek ludzkich ponad 100 razy skuteczniej niż szczep wyjściowy.

Dwie drogi do silniejszej adhezji: filamentacja albo zmiana FimH

Analiza wyselekcjonowanych bakterii ujawniła ważny mechanizm kompensacyjny. Silnie adherentne warianty wykorzystywały fimbrie typu 1 (T1F). Zgodnie z wynikami publikacji pierwszym etapem była fazowo zmienna aktywacja ekspresji tych struktur, a następnie bakterie rozwijały jedną z dwóch alternatywnych strategii dalszego zwiększania adhezji.

Filamentacja zwiększa łączną siłę wielopunktowego wiązania

W pierwszej ścieżce bakterie przyjmowały wydłużony, filamentacyjny kształt. Zwiększenie długości komórki oznaczało większą powierzchnię kontaktu i możliwość jednoczesnego wykorzystania większej liczby struktur adhezyjnych.

Autorzy opisują ten efekt jako zwiększenie awidności T1F. W tym przypadku nie musi dochodzić do zwiększenia siły pojedynczego wiązania adhesyny z jej ligandem. Korzyść wynika z sumarycznego działania licznych oddziaływań zachodzących równocześnie między wydłużoną bakterią a powierzchnią komórki gospodarza.

Zmiany FimH zwiększają powinowactwo do ligandu

Druga droga była bardziej bezpośrednio związana ze strukturą molekularną układu adhezyjnego. W adhezynie FimH, znajdującej się na końcu fimbrii typu 1, pojawiały się niewielkie zmiany sekwencji. Punktowe warianty FimH zwiększały powinowactwo adhesyny do cząsteczek obecnych na komórkach gospodarza.

W praktyce oba mechanizmy prowadziły do podobnego efektu biologicznego, ale innymi drogami. Filamentacja zwiększała łączną skuteczność wielu kontaktów bakterii z komórką, natomiast zmiany FimH poprawiały właściwości pojedynczej interakcji adhesyna-ligand.

Jest to istotny element pracy, ponieważ pokazuje, że po utracie jednego systemu adhezji bakteria nie musi wytwarzać całkowicie nowego mechanizmu. Może wykorzystać istniejący wcześniej system, zwiększyć jego ekspresję, a następnie zoptymalizować jego działanie poprzez zmianę morfologii lub samej adhesyny.

Warianty FimH występowały również w klinicznych izolatach aEPEC

Badacze sprawdzili następnie, czy mechanizm obserwowany podczas kontrolowanej ewolucji laboratoryjnej może mieć odpowiednik w bakteriach występujących podczas rzeczywistych zakażeń. W tym celu przeanalizowali genomy 327 szczepów aEPEC wyizolowanych od zakażonych pacjentów.

Według danych przedstawionych przez autorów i w informacji prasowej zmiany w genie fimH stwierdzono w około połowie analizowanych genomów. Szczególnie istotne było jednak nie samo występowanie zmienności genetycznej, lecz jej konsekwencje funkcjonalne.

Naukowcy odtworzyli i przetestowali wiele naturalnie występujących wariantów. W przypadku części z nich obserwowano zdecydowane zwiększenie zdolności przyłączania się bakterii do komórek ludzkich. Dla niektórych wariantów wzrost adhezji wynosił od około 10 do 100 razy w porównaniu z wariantem odniesienia.

Zbieżność między zmianami pojawiającymi się podczas eksperymentalnej selekcji a wariantami obecnymi w izolatach pochodzących od pacjentów jest jednym z najważniejszych elementów pracy. Wskazuje, że mechanizmy ujawnione w laboratorium nie muszą być wyłącznie artefaktem warunków eksperymentalnych i mogą odzwierciedlać rzeczywiste drogi adaptacji aEPEC.

Silniejsza adhezja wiązała się ze sprawniejszym oddziaływaniem bakterii na komórki gospodarza

Przyczepienie się do komórki nie jest dla EPEC celem samym w sobie. Stabilny kontakt z powierzchnią gospodarza umożliwia bakteriom dalsze oddziaływanie na zakażoną komórkę.

W eksperymentach opisanych przez zespół bakterie o silniejszej adhezji skuteczniej dostarczały bakteryjne białka do wnętrza komórek ludzkich za pomocą charakterystycznego, przypominającego molekularną igłę systemu. Białka te mogą następnie ingerować w fizjologię komórki gospodarza.

Oznacza to, że zmiana zwiększająca przyleganie może mieć konsekwencje wykraczające poza samo utrzymanie bakterii na powierzchni nabłonka. Poprawa początkowego kontaktu stwarza korzystniejsze warunki dla kolejnych etapów interakcji patogen-gospodarz.

Nie oznacza to jednak, że każda zmiana fimH automatycznie zwiększa zjadliwość bakterii w organizmie człowieka. Badanie dostarcza przede wszystkim mechanistycznego powiązania między zwiększoną adhezją a sprawniejszym oddziaływaniem bakterii na komórki w zastosowanych modelach eksperymentalnych.

FimH jako potencjalny cel terapii antyadhezyjnej

Wyniki prowadzą również do interesującej koncepcji terapeutycznej. Zamiast koncentrować się wyłącznie na zabijaniu bakterii lub hamowaniu ich wzrostu, możliwe jest poszukiwanie metod utrudniających patogenowi wykonanie jednego z pierwszych etapów zakażenia – stabilnego związania z powierzchnią komórek gospodarza.

FimH jest pod tym względem szczególnie interesujący, ponieważ pełni funkcję adhesyny w fimbriach typu 1. Zablokowanie jego interakcji z ligandami gospodarza mogłoby teoretycznie ograniczyć możliwość efektywnej kolonizacji powierzchni komórkowej przez wybrane warianty aEPEC.

Informacja prasowa towarzysząca publikacji wskazuje, że związki blokujące FimH są już przedmiotem badań w kontekście innych zakażeń wywoływanych przez E. coli. Nie oznacza to jednak, że istnieje obecnie potwierdzona klinicznie terapia anty-FimH przeciwko atypowym EPEC. Omawiana praca wskazuje przede wszystkim biologiczne uzasadnienie dla dalszego badania takiej strategii.

Badanie pokazuje szybkość kompensacyjnej ewolucji patogenu

Znaczenie publikacji wykracza poza samą biologię EPEC. Praca pokazuje, że utrata istotnego czynnika wirulencji lub kolonizacji nie musi prowadzić do trwałego osłabienia patogenu. Jeżeli bakteria dysponuje alternatywnym mechanizmem mogącym częściowo przejąć daną funkcję, presja selekcyjna może szybko zwiększyć jego znaczenie.

W przypadku badanego modelu kluczowa była aktywacja istniejących fimbrii typu 1, a następnie ich funkcjonalna optymalizacja. Ewolucja mogła zwiększyć zarówno awidność całego układu poprzez zmianę morfologii bakterii, jak i powinowactwo molekularne dzięki wariantom FimH.

Autorzy wskazują tym samym, że połączenie ewolucji eksperymentalnej z genomiką porównawczą klinicznych izolatów może być użytecznym sposobem identyfikowania trajektorii adaptacyjnych, które nie tylko są możliwe w laboratorium, ale mogą również pojawiać się podczas naturalnej ewolucji patogenów.