Come BteA dei batteri Bordetella provoca la morte cellulare

Due tipi di batteri, Bordetella pertussis e Bordetella bronchiseptica, possono vivere nei tratti respiratori di vari animali. Provocano una serie di problemi respiratori. B. pertussis è famosa per causare la tosse convulsa, una malattia che prima era molto mortale per i neonati prima che venissero sviluppati i vaccini. Il vaccino contro la tosse convulsa a cellule intere ha fatto una grande differenza nella riduzione dei casi. Tuttavia, da quando si è passato a un vaccino diverso, gli adolescenti stanno riacquisendo la tosse convulsa. Questo potrebbe essere dovuto alla diminuzione dell'immunità nelle persone vaccinate e al nuovo vaccino che non è così efficace nel provocare la risposta immunitaria necessaria per fermare la diffusione di B. pertussis.

D'altra parte, B. bronchiseptica colpisce una gamma più ampia di animali, ma raramente fa ammalare gli esseri umani. Può causare problemi respiratori da lievi a gravi nei cani e nei maiali. Nei cani, provoca la "tosse dei canili", che può diventare seria per i cuccioli giovani. Nei maiali, B. bronchiseptica può essere collegata a diverse malattie respiratorie.

#Il Ruolo della Morte cellulare

Quando il nostro corpo combatte le infezioni, si attiva un processo chiamato morte cellulare. Questo aiuta a eliminare le cellule infette e attiva una risposta difensiva. Tuttavia, alcuni batteri dannosi hanno imparato a sfruttare questo processo di morte cellulare a loro favore, riuscendo così a evitare la rilevazione da parte del sistema immunitario o ad acquisire nutrienti.

Diversi fattori influenzano come e quando avviene la morte cellulare, incluso il tipo di cellule infette e lo stato dell'infezione. I ricercatori hanno identificato diversi fattori sia in B. pertussis che in B. bronchiseptica che portano alla morte cellulare nelle cellule ospiti, rendendo questi batteri più pericolosi.

Uno dei fattori significativi è un sistema speciale trovato in questi batteri chiamato sistema di secrezione di tipo III (T3SS). Questo sistema consente ai batteri di iniettare proteine, come BteA, direttamente nelle cellule ospiti. BteA è fondamentale per la capacità dei batteri di persistere nel tratto respiratorio degli animali, inclusi ratti, topi e maiali.

#BteA e la Sua Struttura

BteA è una proteina da 69 kDa che consiste di due parti. La prima parte aiuta la proteina ad attaccarsi alle membrane cellulari, mentre la seconda parte è responsabile dei suoi effetti tossici. La prima parte si attacca a determinati componenti della membrana cellulare. Ha una forma simile ad altre proteine trovate in varie tossine batteriche. La seconda parte non ha strutture simili conosciute.

Quando sono stati condotti esperimenti, gli scienziati hanno scoperto che BteA poteva ancora causare danni anche se la prima parte veniva rimossa. La morte cellulare causata da BteA avviene rapidamente e in modo specifico, separato da altre forme di morte cellulare. Tuttavia, come funziona BteA in dettaglio è ancora poco chiaro.

#Morte Cellulare Indotta da BteA

Quando i ricercatori hanno esaminato cosa succede alle cellule umane, in particolare alle cellule HeLa, dopo essere state infettate da B. bronchiseptica, hanno notato cambiamenti significativi. Sotto il microscopio, hanno osservato che subito dopo l'infezione, le cellule iniziavano a mostrare segni di stress, come gonfiore e formazione di bolle sulla loro superficie. Queste bolle continuavano a crescere e non scomparivano. Anche il nucleo della cellula si riduceva, indicando che la struttura della cellula stava deteriorando.

Nelle cellule dove BteA era assente, non sono stati osservati problemi di questo tipo, confermando che BteA era responsabile dei cambiamenti distruttivi. Queste osservazioni sono state supportate da prove utilizzando un particolare colorante fluorescente che indicava quando la membrana cellulare era danneggiata.

Confrontando gli effetti di B. bronchiseptica e B. pertussis sulle cellule HeLa, si è visto che entrambi potevano disturbare le membrane cellulari, ma lo facevano a velocità diverse. I ricercatori hanno scoperto che BteA di B. pertussis aveva un effetto meno dannoso rispetto a B. bronchiseptica, probabilmente a causa di lievi differenze nelle loro strutture.

#Indagare la Causa della Morte Cellulare

Per saperne di più su come BteA induce la morte cellulare, i ricercatori hanno eseguito uno screening genetico utilizzando un metodo chiamato CRISPR-Cas9. Hanno usato un altro tipo di cellula umana, le cellule HEK, che rispondevano in modo simile a BteA e hanno apportato diverse modifiche genetiche. Volevano trovare geni ospiti essenziali per la morte cellulare indotta da BteA.

Dopo diversi round di selezione per arricchire le cellule resistenti, non hanno trovato geni specifici che erano critici per gli effetti dannosi di BteA. Questa mancanza di scoperta suggerisce che molti percorsi nelle cellule ospiti potrebbero funzionare insieme, rendendo difficile individuare un singolo fattore responsabile della distruzione cellulare.

#L'Effetto di BteA sui Livelli di Calcio

Il calcio gioca un ruolo fondamentale in molti processi cellulari, inclusa la risposta delle cellule allo stress. Dato che BteA porta a cambiamenti nelle cellule, i ricercatori hanno esaminato il suo effetto sui livelli di calcio all'interno delle cellule.

Quando le cellule HeLa sono state esposte a B. bronchiseptica, hanno scoperto che i livelli di calcio all'interno delle cellule aumentavano rapidamente. Questo aumento avveniva prima di qualsiasi segno di danno alla membrana cellulare. Inoltre, quando hanno infettato cellule prive di BteA, non c'era stato un aumento notevole nei livelli di calcio, confermando il ruolo critico di BteA in questo processo.

I ricercatori hanno utilizzato un imaging a tempo reale per seguire visivamente come i livelli di calcio cambiavano in tempo reale. Quando B. bronchiseptica si attaccava alle cellule, innescava un rapido e sostenuto aumento di calcio all'interno delle cellule. Questo aumento portava alla formazione di bolle sulle membrane cellulari e alla morte cellulare finale.

#Il Ruolo dell'Afflusso di Calcio

È stata utilizzata una sostanza chimica specifica chiamata 2-APB, che può modulare il flusso di calcio nelle cellule, per determinare se bloccare l'afflusso di calcio potesse prevenire la morte cellulare. Quando le cellule HeLa sono state trattate con 2-APB, l'aumento dei livelli di calcio e il corrispondente danno alla membrana cellulare sono stati ritardati. Questo dimostra che l'aumento di calcio è un fattore chiave negli effetti tossici di BteA.

#Frammentazione delle Strutture Cellulari

L'aumento dei livelli di calcio si correla anche con cambiamenti in strutture cellulari importanti. I ricercatori hanno osservato che mentre i livelli di calcio aumentavano, sia il reticolo endoplasmatico che i mitocondri venivano danneggiati. Questi cambiamenti includevano la frammentazione di questi organuli, indicando che non stavano funzionando correttamente.

Quando i ricercatori hanno esaminato i mitocondri, hanno scoperto che BteA causava gonfiore e una perdita della loro struttura, nota come cristolisi. Questo danno è critico poiché i mitocondri svolgono un ruolo fondamentale nella produzione di energia e nell'omeostasi del calcio.

#Disfunzione Mitocondriale

Quando i mitocondri assorbono troppo calcio, possono diventare sovraccarichi. Questo sovraccarico può portare a una perdita della capacità dei mitocondri di mantenere il loro potenziale di membrana, potenzialmente risultando in morte cellulare. È stato scoperto che BteA causa questo sovraccarico nelle cellule umane, portando a un fallimento mitocondriale.

Per indagare, i ricercatori hanno utilizzato un colorante speciale che si accumula nei mitocondri sani. Hanno scoperto che man mano che aumentavano i livelli di calcio indotti da BteA, i mitocondri perdevano il loro potenziale di membrana, indicando che stavano diventando disfunzionali.

#Riepilogo dei Risultati

Le iniezioni di BteA sia da B. bronchiseptica che da B. pertussis portano a un aumento dei livelli di calcio nelle cellule ospiti. Questo aumento di calcio disturba le normali funzioni cellulari e contribuisce al processo complessivo di morte cellulare.

La sequenza di eventi inizia con l'afflusso di calcio, che poi influisce sui mitocondri e su altre strutture cellulari, portando infine a danni e morte cellulare. Poiché sono coinvolti molti percorsi e strutture, potrebbe essere difficile individuare un bersaglio unico per il trattamento.

#Limitazioni e Direzioni Future

Sebbene lo studio abbia fornito importanti informazioni su come funziona BteA, si è basato principalmente su linee cellulari di laboratorio, che potrebbero non rappresentare del tutto come si verificano questi processi negli organismi viventi.

Ulteriori ricerche sono necessarie per comprendere meglio le interazioni tra BteA e il sistema immunitario dell'ospite, insieme a ulteriori indagini su altri potenziali target all'interno delle cellule ospiti. Questa conoscenza potrebbe aiutare nello sviluppo di trattamenti efficaci contro le infezioni causate da questi batteri.

#Conclusione

Bordetella pertussis e Bordetella bronchiseptica sono due importanti patogeni batterici che possono interrompere la funzione respiratoria nei mammiferi. Comprendendo come le loro proteine effettori come BteA interagiscono con le cellule ospiti, possiamo acquisire informazioni su potenziali strategie terapeutiche per combatterne gli effetti dannosi. I risultati evidenziano la complessità dei meccanismi cellulari coinvolti nell'infezione batterica e la necessità di continuare la ricerca in quest'area.