Bakterie a buňky: Fascinující spojení v boji o přežití

V učebnicích biologie je endoplazmatické retikulum (ER) často zobrazováno jako samostatná, kompaktní organela poblíž jádra, zodpovědná za transport a sekreci proteinů. Ve skutečnosti je ER rozsáhlá a dynamická struktura rozprostírající se po celé buňce, schopná navazovat kontakty a komunikovat s dalšími organelami. Tyto membránové kontakty regulují procesy od metabolismu tuků a cukrů až po imunitní odpovědi.

Výzkum toho, jak patogeny manipulují a využívají základní procesy k podpoře svého životního cyklu, může odhalit mnoho o základních buněčných funkcích a poskytnout náhled na životaschopné možnosti léčby nedostatečně prozkoumaných patogenů.

Nový výzkum z Lamasonovy laboratoře na MIT, nedávno publikovaný v Journal of Cell Biology, ukázal, že Rickettsia parkeri, bakteriální patogen volně žijící v cytoplazmě, může rozsáhle a stabilně interagovat s drsným endoplazmatickým retikulem, čímž vytváří dosud neviděné kontakty s organelou.

Jedná se o první známý příklad přímého mezidoménového kontaktního místa mezi intracelulárním bakteriálním patogenem a eukaryotickou membránou.

Lamasonova laboratoř studuje R. parkeri jako model infekce virulentnější Rickettsia rickettsii. R. rickettsii, přenášena klíšťaty, způsobuje skvrnitý tyfus. Nelečená infekce může vést k závažným projevům, jako je selhání orgánů a smrt.

Rickettsia je obtížná ke studiu, protože je to obligátní patogen, což znamená, že může žít a množit se pouze uvnitř živých buněk, podobně jako virus. Vědci musí být kreativní, aby objasnili základní otázky a molekulární aktéry v životním cyklu R. parkeri, a mnoho o tom, jak se R. parkeri šíří, zůstává nejasné.

Odbočka k buněčnému spojení

První autorka Yamilex Acevedo-Sánchez, absolventka programu BSG-MSRP-Bio a v té době postgraduální studentka, narazila na interakce ER a R. parkeri při pokusu o pozorování, jak Rickettsia dosahuje buněčného spojení.

Současný model infekce Rickettsia předpokládá, že R. parkeri se šíří z buňky do buňky tak, že cestuje k specializovaným kontaktním místům mezi buňkami a je pohlcena sousední buňkou. Listeria monocytogenes, kterou Lamasonova laboratoř také studuje, používá aktinové ocasy k tomu, aby se silou dostala do sousední buňky. R. parkeri naopak může tvořit aktinový ocas, ale ztrácí ho před dosažením buněčného spojení. Přesto se R. parkeri dokáže šířit do sousedních buněk.

Po semináři na MIT o méně známých funkcích ER vyvinula Acevedo-Sánchez buněčnou linii, aby pozorovala, zda se Rickettsia může šířit do sousedních buněk tak, že využije ER k dosažení buněčného spojení.

Namísto toho viděla nečekaně vysoké procento R. parkeri obklopených a obalených ER ve vzdálenosti přibližně 55 nanometrů. Tato vzdálenost je významná, protože membránové kontakty pro interorganelovou komunikaci v eukaryotických buňkách tvoří spojení o šířce 10-80 nanometrů. Vědci vyloučili, že by šlo o imunitní odpověď, a úseky ER interagující s R. parkeri byly stále spojeny s širší sítí ER.

„Myslím si, že pokud chcete objevit novou biologii, prostě se podívejte na buňky,“ říká Acevedo-Sánchez. „Manipulace s organelou, která navazuje kontakt s jinými organelami, může být pro patogen skvělým způsobem, jak získat kontrolu během infekce.“

Stabilní spojení byla neočekávaná, protože ER neustále rozbíjí a obnovuje spojení, která trvají sekundy nebo minuty. Bylo překvapivé vidět, jak se ER stabilně asociuje kolem bakterií. Jako cytoplazmatický patogen, který existuje volně v cytoplazmě buněk, které infikuje, bylo také nečekané vidět R. parkeri vůbec obklopený membránou.

Malá procenta, velký význam

Acevedo-Sánchez spolupracovala s Centrem pro nanosystémy na Harvardově univerzitě, aby si své první pozorování prohlédla s vyšším rozlišením pomocí fokusové iontové mikroskopie s rastrovacím elektronovým mikroskopem (FIB-SEM). FIB-SEM zahrnuje odběr vzorku buněk a jejich ořezávání fokusovým iontovým paprskem. S každou vrstvou se pořídí snímek s vysokým rozlišením. Výsledkem tohoto procesu je zásobník snímků.

Poté Acevedo-Sánchez označila různé oblasti snímků – jako jsou mitochondrie, Rickettsia nebo ER – a program ORS Dragonfly, program strojového učení, roztřídil tisíce snímků pro identifikaci těchto kategorií. Tyto informace byly poté použity k vytvoření 3D modelů vzorků.

Acevedo-Sánchez poznamenala, že méně než 5 procent R. parkeri vytvořilo spojení s ER – ale malé množství určitých charakteristik je známo, že je kritické pro infekci R. parkeri. R. parkeri může existovat ve dvou stavech: pohyblivém, s aktinovým ocasem, a nehybném, bez něj. U mutantů, které nedokážou tvořit aktinové ocasy, se R. parkeri nedokáže šířit do sousedních buněk – ale u nemutantů se procento R. parkeri s ocasy pohybuje kolem 2 procent na začátku infekce a nikdy nepřekročí 15 procent na vrcholu infekce.

ER interaguje pouze s nehybnými R. parkeri a tyto interakce se u mutantů, které nedokážou tvořit ocasy, zvýšily 25krát.

Vytváření spojení

Spoluautoři Acevedo-Sánchez, Patrick Woida a Caroline Anderson také zkoumali možné způsoby zprostředkování spojení s ER. Je známo, že proteiny VAP, které zprostředkovávají interakce ER s jinými organelami, jsou během infekce využívány jinými patogeny.

Během infekce R. parkeri byly proteiny VAP rekrutovány k bakteriím; když byly proteiny VAP vyřazeny, frekvence interakcí mezi R. parkeri a ER klesla, což naznačuje, že R. parkeri může tyto buněčné mechanismy využívat pro své vlastní účely během infekce.

Ačkoliv Acevedo-Sánchez nyní pracuje jako seniorní vědkyně v AbbVie, Lamasonova laboratoř pokračuje v práci na zkoumání molekulárních aktérů, které mohou být zapojeny, způsobu zprostředkování těchto interakcí a zda kontakty ovlivňují životní cyklus hostitele nebo bakterií.

Hlavní autorka a docentka biologie Rebecca Lamasonová poznamenala, že tyto potenciální interakce jsou obzvláště zajímavé, protože se předpokládá, že bakterie a mitochondrie se vyvinuly ze společného předka. Lamasonova laboratoř zkoumala, zda by R. parkeri mohla tvořit stejné membránové kontakty jako mitochondrie, ačkoli to dosud nedokázala. R. parkeri je zatím jediným cytoplazmatickým patogenem, u kterého bylo pozorováno toto chování.

„Nejde jen o bakterie, které se náhodně srazí s ER. Tyto interakce jsou extrémně stabilní. ER jasně rozsáhle obaluje bakterii a je stále spojena se sítí ER,“ říká Lamasonová. „Zdá se, že to má nějaký účel – jaký to účel je, zůstává záhadou.“