Aspetti molecolari dell’interazione microorganismo-ospite

MECCANISMI DEI BATTERI PER CAUSARE MALATTIE (FATTORI DI PATOGENICITA’)

La possibilità di un batterio di causare malattia dipende da vari fattori:

La CAPACITA’ DI REALIZZARE L’INFEZIONE (colonizzazione stabile e invasione);

- la CAPACITA’ DI SOPRAVVIVERE ALLE DIFESE DELL’OSPITE

- la CAPACITA’ DI DANNEGGIARE I TESSUTI

-

I geni che codificano per questi fattori di patogenicità si trovano sulle Pathogenicity Islands, altri si

trovano sui plasmidi, altri ancora sul cromosoma.

Le Pathogenicity Islands sono aree che comprendono clusters di diversi geni per la patogenicità

presenti nella maggior parte dei cromosomi dei batteri patogeni.

Si tratta di sequenze di DNA tipiche delle varie specie batteriche, che sono state acquisite

“orizzontalmente” mediante gene transfer da specie diverse (es. per coniugazione o per

trasduzione). Sono blocchi interi di DNA (più di 10 kbp) che grazie ad un meccanismo evolutivo

sono stati trasferiti e che aumentando la patogenicità del microorganismo sopite sono rimasti.

Alcuni esempi sono: del

HPI (high pathogenicity island) = consente a Yersinia spp. l’uptake ferro

VPI (Vibrio pathoigenicity island) = consente a Vibrio cholerae la produzione di tossine

Queste sequenze sono caratterizzate da un rapporto particolare dei contenuti C+G/A+T (es. 40%

C+G rispetto al resto del cromosoma che ne ha il 50%. Una percentuale del 40% riflette ad

esempio il contenuto in G+C del microrganismo donatore) e da sequenze di origine fagica o

plasmidica, che le distinguono dal resto del genoma.

Sono infatti tipicamente fiancheggiate da geni con elevata omologia con geni fagici o plasmidici,

fatto che probabilmente riflette il vettore di trasferimento usato per muovere queste isole.

dall’essere spesso legate a geni per tRNA,

Le Pathogenicity island sono inoltre caratterizzate forse

perché la struttura secondaria dei geni per il tRNA costituisce un motif strutturale che facilita

l’integrazione da parte di un’integrasi oppure perché facilita il legame con un trasposone.

Spesso hanno sequenze ripetute alle loro estremità. La presenza di sequenze duplicate costituisce

il meccanismo più importante alla base della divergenza genetica in quanto aumentano la

possibilità di ricombinazione tra sequenze ripetute.

Oltre ai geni per la virulenza spesso portano anche geni di “mobilità” che codificano per trasposasi,

integrasi e altri enzimi associati con la ricombinazione.

I fattori di patogenicità possono essere divisi in 6 categorie: 30

Fattori di colonizzazione

Una volta raggiunto l’ospite grazie alla propria motilità oppure da sfruttando un vettore, il batterio si

fissa saldamente ai tessuti dell’ospite utilizzando specifiche strutture di superficie per l’adesione,

per cui

poi riesce a moltiplicarsi in situ nonostante i flussi di liquidi organici (apparato urinario), i movimenti

peristaltici (intestino) o l’azione delle ciglia vibratili e del muco (vie respiratorie), che normalmente

allontanano via i microrganismi.

l’ADESIVITA’ BATTERICA

Pertanto, può essere considerata il primo atto della PATOGENESI e

avviene attraverso le

→ nome generale che indica le molecole che i batteri presentano sulla loro

ADESINE superficie, in

grado di legarsi in modo stereo-specifico a molecole complementari sulla

superficie di cellule dell’ospite.

Adesine possono essere la CAPSULA oppure il GLICOCALICE oppure appendici filamentose

come FIMBRIE o PILI.

Queste strutture si legano a specifici RECETTORI delle cellule di Mammifero.

Le fimbrie sono di natura proteica e instaurano legami molto specifici con recettori presenti sulle

cellule dell’ospite.

Es. Escherichia coli:

Le proteine dei pili comuni (fimbrie) si legano alle catene glucosidiche dei glicosfingolipidi della

epiteliale dell’ospite che fungono da recettori.

membrana citoplasmatica della cellula

Anche i batteri della normale flora microbica intestinale si legano allo stesso modo, facendo azione

competitiva nei confronti dei patogeni.

Pili o fimbrie sono costituiti da una base cilindrica fatta di subunità proteiche (pilina) identiche tra

loro + una punta costituita da proteine diverse inclusa una porzione apicale che si lega ai recettori.

Numerose proteine collaborano ad assemblare questa struttura e i loro geni sono organizzati in

clusters sul cromosoma batterico, tipo un operone.

Si riconoscono 4 meccanismi:

tipo I = pili di adesione pielonefritici

tipo II = sistema secrezione di tipo due pilus-like

tipo III = sistema di secrezione di tipo tre pilus-like

tipo IV = pili di movimento (Gram -) 31

TIPO I Es. ceppi uropatogenici di E. coli, che hanno i pili di adesione

pielonefritici (Pap).

1. Le componenti proteiche vengono secrete nello spazio periplasmico

mediante proteine secretorie (SecA e SecB);

2. Nel periplasma interviene la chaperonina PapD che trasporta le

(impedendo che l’assemblaggio avvenga

subunità alla membrana esterna

dove una proteina “uscere” PapC forma

nello spazio periplasmico), dei canali,

larghi abbastanza da far passare le singole subunità della fimbria

individualmente dirigendole al “posto giusto”.

3. a livello di membrana esterna inizia a formarsi il pilus dalla punta con

la PapG;

4. dopo PapG vengono fate uscire PapF e PapE, che spingono avanti

PapG dalla superficie;

5. una serie di piline identiche (PapA) vengono unite insieme a formare

la base del pilus;

6. infine, PapH termina la base del pilus.

Con questi pili ceppi uropatogenici di E. coli riescono a rimanere adesi

all’uretra dell’urina.

nonostante la forza del flusso

TIPO IV

Si trovano in diversi batteri Gram-negativi,

es. Vibrio colerae, Pseudomonas aeruginosa, alcuni ceppi di E.coli, Neisseria meningitidis e

N. gonorreae.

In questo caso, le proteine non sono mai libere nel periplasma, ma una volta sintetizzate, vengono

trasportate dal citoplasma attraverso un canale direttamente sulla membrana esterna.

1) La PilinaA viene sintetizzata come preproteina (PrepilinaA) e inserita nella membrana

interna;

2) Poi una PilinaD rimuove una sequenza leader dalla PrepilinaA.

3) PilinaF e Pilina T che sono NTP-binding proteins forniscono energia per la retrazione e

l’assemblaggio.

4) Infine, la PilinaQ che è una secretina permette il passaggio della PilinaA matura attraverso

la membrana esterna.

Questi tipi di pili fanno muovere la cellula mentre si formano grazie al ripetersi di

allungamento e retrazione. 32

TIPO II – PILUS LIKE

Vibrio colerae, Pseudomonas aeruginosa. Le proteine prodotte nel citoplasma e foldate

passano nello spazio periplasmico, dove incontrano

un sistema di secrezione specifico. Le proteine C,

D, E, G, L, M e N contribuiscono tutte alla

secrezione; si forma come un “pistone” che conduce

le proteine ad una struttura a poro che fa

attraversare la membrana esterna. Si ripetono cicli

di assemblaggio e disassemblaggio di questo

“pistone” per cui si ha il ripetersi di estrusione e

retrazione del “pistone” attraverso il poro con

conseguente espulsione della proteina (tossina).

(sorta di scovolino) 33

–

TIPO III PILUS LIKE Es. Yersinia, Salmonella, Shigella.

La secrezione delle loro proteine patogene avviene

direttamente dal citoplasma batterico al citoplasma della

cellula eucariotica target.

Il meccanismo molecolare è tipo “piccole siringhe”

incastrate nella membrana, evolutivamente derivate dai

geni per i

flagelli.

Le proteine patogene del batterio, in questo modo,

sovvertono il normale pathway del segnale della

cellula

ospite causando un riarrangiamento della membrana

dell’ospite, che spesso si conclude con l’entrata

anche

del microrganismo.

Le modalità di adesione e colonizzazione possono dipendere però anche da altri fattori: normali

componenti della microflora orale, sono in grado di fissarsi allo smalto dei denti e di indurre la carie

attraverso una particolare utilizzazione del saccarosio (scisso in fruttosio e glucosio). I batteri della

placca dentaria producono con il metabolismo del fruttosio un’elevata quantità di acido lattico e altri

prodotti acidi, che rimangono concentrati nel punto di produzione demineralizzando lo smalto e

producendo la carie.

Fattori di diffusione

l’adesione devono penetrare e diffondersi nei tessuti dell’ospite

I batteri dopo pertanto producono

particolari enzimi:

→ enzimi che possono degradare componenti tissutali e quindi distruggere le barriere fisiche:

enzima che distrugge l’acido jaluronico, che tiene unite le

es. jaluronidasi, cellule nei tessuti

connettivi e facilita la diffusione di Streptococcus pyogenes e Staphylococcus aureus)

es. fibrolisina, enzima che dissolve i coaguli di fibrina, i quali isolerebbero il sito di infezione

impedendo la disseminazione del patogeno

es. collagenasi

→ in alcuni casi invece i batteri possono favorire il fenomeno della coagulazione con finalità di

cellule batteriche e proteggerle dai meccanismi difensivi dell’ospite, che hanno

tenere aggregate le

difficoltà a riconoscerle come estranee in quanto sono ricoperte di fibrina

es. enzima coagulasi prodotto da Staphylococcus

→ enzimi che possono aumentare la virulenza

che depolimerizza le membrane cellulari dell’ospite

es. lecitinasi 34

Infine, i batteri necessitano di ferro, che si trova in genere a bassa concentrazione e quindi per

sopravvivere nell’ospite producono e rilasciano delle molecole a basso peso molecolare, ad

elevatissima affinità per il ferro, dette siderofori, che chelano il ferro libero (non legato in

lattoferrina, ferritina e transferrina) e poi lo portano dentro al batterio.

→ producono enzimi tipo emolisine, che distruggono i globuli rossi, liberando ferro

L’emolisi (osservazione su agar sangue) può essere parziale o totale.

In entrambi i casi è un utile mezzo di identificazione dei batteri e indice di patogenicità del ceppo.

Fattori tossici

Alcuni batteri danneggiano l’ospite o ne riducono le difese attraverso la produzione TOSSINE =

sostanze tossiche ad attività patogena, che vengono raggruppate in 2 categorie:

-ESOTOSSINE e secrete all’esterno nei tessuti

Sono proteine solubili prodotte dai microrganismi (Gram + e -)

dell’ospite dove hanno effetti tossici.

Nell’animale infetto le esotossine possono essere trasportate dal torrente circolatorio in ogni parte

del corpo, con conseguenze letali.

Es. Clostridium tetani, entra attraverso una ferita ed è in grado di distruggere i tessuti, ma solo

localmente. Il problema principale è che produce una potentissima neurotossina che si diffonde in

tutto l’organismo causando contrazioni m