Além do esporo, o açúcar exosporium antrose impacta a regulação vegetativa do gene Bacillus anthracis em cis e trans

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 5060 (2023) Citar este artigo

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O cochilo de Bacillus anthracis exosporium é a porção mais externa do esporo que interage com o ambiente e os sistemas hospedeiros. Mudanças nesta camada têm o potencial de impactar processos fisiológicos e imunológicos abrangentes. O açúcar único, a antrose, normalmente reveste a penugem do exosporium em seus pontos mais distais. Identificamos anteriormente mecanismos adicionais que tornam a antrose de B. anthracis negativa. Neste trabalho, várias novas cepas de formigas - B. anthracis são identificadas e o impacto da negatividade da antrose na fisiologia dos esporos é investigado. Nós demonstramos que as vacinas Sterne vivas atenuadas, bem como as vacinas contra o antraz filtrado em cultura, geram anticorpos direcionados aos componentes não proteicos do esporo. O papel da antrose como uma molécula sinalizadora vegetativa de B. anthracis Sterne está implicado em ensaios de cepas de expressão luminescentes, experimentos de RNA-seq e análise de secreção de toxinas por western blot. A antrose pura e o análogo de nucleosídeo indutor de esporulação, decoiinina, tiveram efeitos semelhantes na expressão da toxina. Experimentos de co-cultura demonstraram que alterações na expressão gênica em B. anthracis dependem do status da antrose intracelular (cis), além do status da antrose das interações extracelulares (trans). Essas descobertas fornecem um mecanismo de como um resíduo único de açúcar específico do esporo afeta a fisiologia, a expressão e a genética do B. anthracis vegetativo, com impactos na ecologia, na patogênese e na vacinologia do antraz.

A bactéria Bacillus anthracis causa antraz e pode sobreviver a condições ambientais adversas formando um esporo1. Ao redor do endósporo há uma camada proteica solta, rica em carboidratos, denominada exosporium2. Durante a esporulação, o exosporium é montado em torno do foresporo enquanto se forma na célula-mãe através de um esforço coordenado das proteínas CotE, CotO e CotY3. A porção externa do exosporium é composta de glicoproteínas, criando uma camada semelhante a velcro conhecida como cochilo do exosporium. O cochilo contém hastes salientes das proteínas BclA e BclB glicosiladas ligadas às proteínas da camada basal ExsFA/BxpB e ExsFB4,5. A glicoproteína exosporium nap confere uma superfície carregada ao esporo e é a superfície distal que medeia as interações entre os esporos quiescentes e o ambiente externo, incluindo partículas do solo, células hospedeiras animais e outros esporos. Após a germinação, o cochilo do exosporium é eliminado e B. anthracis começa a germinar, depois se replica na forma vegetativa enquanto secreta a toxina do antraz6.

Oito proteínas foram identificadas como componentes significativos do exosporium quando preparadas a partir de exosporia lavada para remover quaisquer proteínas de células vegetativas7. A proteína BclA é o principal componente proteico do exosporium e forma as fibras do cochilo em forma de pedúnculo que se projetam da superfície do exosporium. As regiões repetidas semelhantes ao colágeno de BclA variam em comprimento entre as cepas de B. anthracis dependendo do tamanho do gene bclA. Esses polimorfismos contribuem para mudanças observáveis ​​na espessura do cochilo na superfície dos esporos . BclA está presente em formações triméricas onde regiões semelhantes a colágeno são densamente glicosiladas com repetições de pentassacarídeos de GalNAc-Rha-Rha-Rha-Ant9. Formiga é o monossacarídeo antrose e é um açúcar raro encontrado em poucos lugares da natureza. O operon biossintético da antrose foi bem caracterizado e é composto por quatro genes antA, antB, antC e antD10,11. Todos os genes estão envolvidos na biossíntese de antrose com nocaute de antA reduzindo pela metade a antrose mensurável de esporos e nocaute de antB, antC ou antD abolindo os níveis detectáveis ​​de antrose de esporos . A antrose não é sintetizada por outros Bacillus spp. e por isso está presente exclusivamente na superfície dos esporos de B. anthracis. Resíduos alternativos de açúcar são encontrados em esporos de outros Bacillus spp, como a cereose presente nos esporos de Bacillus cereus12,13. Embora o BclA esteja na superfície do exosporium, sua contribuição para a patogênese não é clara. BclA não foi necessário para virulência total em experimentos de desafio com ratos Sterne4 ou Ames14 em altas doses, enquanto em outro estudo um mutante ΔbclA Sterne 34F2 teve uma redução de 50-70% em LD50 em comparação com Sterne 34F215 de tipo selvagem. O desenho do estudo com altas doses pode mascarar os efeitos de virulência do nocaute de bclA com toxina fulminante e produção de cápsulas que podem ser reveladas em estudos mais sensíveis de LD50. É importante ressaltar que um nocaute de BclA remove efetivamente a antrose da superfície dos esporos, deixando intacta sua biossíntese nas células vegetativas. Foi demonstrado que eliminar BclA aumenta a associação com células epiteliais, fibroblastos e células endoteliais, mas não com macrófagos . Isto foi corroborado por outros que mostraram que os esporos knockout de BclA foram incapazes de se ligar ao receptor CD14 de macrófagos, enquanto a remoção de antrose de BclA em esporos knockout de antC / degT aumentou a ligação ao receptor CD14, revelando os resíduos de ramnose . Isto está de acordo com os resultados de que camundongos desafiados com esporos mutantes bclA retêm mais esporos no líquido pulmonar broncoalveolar após o desafio com aerossol . A função precisa da antrose e a sua contribuição para a patogênese permaneceram obscuras, com evidências que apoiam a interação com o ambiente do solo e as células do sistema imunológico. Anteriormente, descobrimos que a remoção da antrose da superfície dos esporos reduziu a eficiência da germinação e aumentou as taxas de esporulação em um modelo heterólogo de B. anthracis Sterne . Além das alterações fisiológicas, os esporos antrose negativos tiveram metade do LD50 em um modelo de desafio subcutâneo em camundongos, levando a um tempo de morte mais rápido e a uma disseminação mais rápida nos órgãos do hospedeiro. O aumento da letalidade também foi observado em um segundo modelo animal ao desafiar larvas de Galleria mellonella com esporos18.