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Nature Communications volume 14, numero articolo: 871 (2023) Citare questo articolo

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I batteri possono inibire la crescita di altri batteri iniettando effettori utilizzando un sistema di secrezione di tipo VI (T6SS). Gli effettori T6SS possono anche essere iniettati nelle cellule eucariotiche per facilitare la sopravvivenza batterica, spesso prendendo di mira il citoscheletro. Qui, mostriamo che l'effettore antimicrobico T6SS trans-regno VgrG4 di Klebsiella pneumoniae innesca la frammentazione della rete mitocondriale. VgrG4 colocalizza con la proteina mitofusina 2 del reticolo endoplasmatico (ER). VgrG4 induce il trasferimento di Ca2+ dall'ER ai mitocondri, attivando Drp1 (un regolatore della fissione mitocondriale) portando così alla frammentazione della rete mitocondriale. L’aumento di Ca2+ induce anche l’attivazione del recettore dell’immunità innata NLRX1 per produrre specie reattive dell’ossigeno (ROS). Il ROS indotto da NLRX1 limita l'attivazione di NF-κB modulando la degradazione dell'inibitore di NF-κB IκBα. La degradazione di IκBα è innescata dall'ubiquitina ligasi SCFβ-TrCP, che richiede la modifica della subunità cullin-1 da parte di NEDD8. VgrG4 annulla la NEDDilazione della cullina-1 mediante l'inattivazione di Ubc12, l'enzima coniugante NEDD8. Il nostro lavoro fornisce un esempio di manipolazione del T6SS delle cellule eucariotiche attraverso l'alterazione dei mitocondri.

I mitocondri hanno avuto origine da un α-proteobatterio endosimbionte imparentato con il genere Rickettsia più di 1,45 miliardi di anni fa1. Coerentemente con questa origine batterica, i mitocondri sono delimitati da una doppia membrana con una membrana interna caratterizzata dalla presenza di cardiolipina e assenza di colesterolo; ospitano un piccolo genoma circolare denominato DNA mitocondriale (mtDNA) e un macchinario funzionale per la sintesi proteica2. Tuttavia, a differenza della maggior parte dei batteri, i mitocondri sono altamente dinamici e la loro morfologia è in equilibrio tra due eventi opposti strettamente regolati, la fissione e la fusione. Questi processi sono essenziali per mantenere i mitocondri funzionali quando le cellule subiscono stress metabolici o ambientali3.

I mitocondri sono fondamentali per la funzione delle cellule eucariotiche. Sono fondamentali per la produzione di energia della cellula in seguito all'ossidazione degli intermedi del ciclo dell'acido tricarbossilico (TCA), che comporta la creazione e lo sfruttamento di un potenziale di membrana attraverso la membrana mitocondriale interna4. I mitocondri partecipano anche all'omeostasi del Ca2+5 intracellulare. Elevate concentrazioni di Ca2+ possono accumularsi nella matrice mitocondriale a causa della vicinanza fisica al reticolo endoplasmatico (ER) e della presenza di un canale regolato del Ca2+, il complesso uniporter del calcio mitocondriale (MCU)5. Questa entrata di Ca2+ può essere associata alla morte cellulare tramite apoptosi5. Infine, i mitocondri contribuiscono anche alla difesa intrinseca delle cellule attraverso i ROS e rilevando le infezioni6. A causa di questo ruolo centrale nei processi cellulari, i mitocondri stanno emergendo come bersaglio primario per gli agenti patogeni7.

L’origine batterica dei mitocondri evoca una domanda intrigante: i patogeni interagiscono con i mitocondri utilizzando gli stessi sistemi che utilizzano come difesa contro altri concorrenti batterici? Ad esempio, i batteri utilizzano il sistema di secrezione di tipo VI (T6SS) per limitare la crescita di altri batteri rilasciando effettori in una cellula bersaglio in un processo in un’unica fase8. Questi effettori antimicrobici T6SS prendono di mira elementi essenziali della cellula batterica come il peptidoglicano, gli acidi nucleici o i fosfolipidi di membrana8. Esistono anche alcuni esempi di effettori T6SS rilasciati nelle cellule di mammifero9. Questi effettori prendono di mira principalmente il citoscheletro e influenzano la sopravvivenza intracellulare e l'internalizzazione batterica9. Tuttavia, sorprendentemente, fino ad oggi non è stato segnalato alcun effettore T6SS che abbia come bersaglio i mitocondri.

Recentemente, abbiamo sezionato il T6SS del ceppo ipervirulento di Klebsiella pneumoniae CIP52.145 (di seguito Kp52145). Questo ceppo codifica tutti i fattori riscontrati nei ceppi invasivi di K. pneumoniae10,11. Abbiamo dimostrato il ruolo del T6SS nelle specie intra e inter batteriche e nella competizione antifungina12. Abbiamo caratterizzato VgrG4 come nuovo effettore trans-regno T6SS che intossica batteri, lieviti e funghi12. vgrG4 è codificato in oltre il 10% dei genomi di Klebsiella elencati nell'NCBI (totale 812), compresi gli isolati associati a infezioni invasive umane e ceppi multiresistenti. Esperimenti di troncamento hanno dimostrato che la regione di VgrG4 contenente il dominio DUF2345 è sufficiente per esercitare tossicità microbica tramite induzione di ROS12. Abbiamo chiamato questo dominio dominio tossico ROS (RTD)12 che è presente in altri VgrG dei ceppi di Escherichia coli, Acinetobacter baumannii e Pseudomonas aeruginosa.