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Jan 27, 2024

Gli stimoli meccanici attivano l'espressione genica attraverso un percorso di rilevamento dello stress dell'involucro cellulare

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 13979 (2023) Cita questo articolo 1986 Accessi 2 Dettagli metriche alternative I meccanismi meccanosensibili sono spesso utilizzati per rilevare danni alla struttura dei tessuti,

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13979 (2023) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

I meccanismi meccanosensibili vengono spesso utilizzati per rilevare danni alla struttura dei tessuti, stimolando la sintesi e la riparazione della matrice. Sebbene questo tipo di processo di meccanoregolazione sia ben riconosciuto nei sistemi eucariotici, non è noto se tale processo avvenga nei batteri. Nel Vibrio cholerae, il danno indotto dagli antibiotici alla parete cellulare portante promuove un aumento della segnalazione da parte del sistema a due componenti VxrAB, che stimola la sintesi della parete cellulare. Qui mostriamo che i cambiamenti nello stress meccanico all'interno dell'involucro cellulare sono sufficienti per stimolare la segnalazione VxrAB in assenza di antibiotici. Abbiamo applicato forze meccaniche ai singoli batteri utilizzando tre distinte modalità di caricamento: caricamento per estrusione all'interno di un dispositivo microfluidico, compressione diretta e pressione idrostatica. In tutti i casi, la segnalazione VxrAB, come indicato da un reporter di proteine ​​fluorescenti, era aumentata nelle cellule sottoposte a carichi meccanici di entità maggiore, quindi diverse forme di stimoli meccanici attivano la segnalazione VxrAB. La riduzione della rigidità dell'involucro cellulare in seguito alla rimozione dell'endopeptidasi ShyA ha portato a grandi aumenti nella deformazione dell'involucro cellulare e ad un aumento sostanziale della risposta VxrAB, supportando ulteriormente la reattività di VxrAB. I nostri risultati dimostrano un sistema di regolazione del gene meccanosensibile nei batteri e suggeriscono che i segnali meccanici possono contribuire alla regolazione dell’omeostasi della parete cellulare.

Le forze meccaniche sono da tempo riconosciute come fattori chiave che contribuiscono alla crescita e al funzionamento degli organismi. Nei sistemi dei mammiferi, le forze meccaniche regolano un'ampia varietà di processi, tra cui la differenziazione cellulare durante lo sviluppo1,2, l'inizio e la progressione della malattia3 e l'omeostasi dei tessuti4. Nei tessuti e negli organi con funzioni portanti, le forze meccaniche spesso agiscono come segnale primario che avvia il rimodellamento e la riparazione dei tessuti, consentendo così al tessuto di adattarsi alle sfide meccaniche dell’ambiente e di tornare rapidamente a sostenere il carico. Il rimodellamento tissutale mantiene quindi l’omeostasi della funzione meccanica bilanciando la rimozione del tessuto danneggiato con la sintesi tissutale. Le strutture portanti, tra cui le ossa5, i vasi sanguigni6 e il citoscheletro della pianta7,8, utilizzano meccanismi meccanosensibili per mantenere la funzione meccanica.

La maggior parte degli studi di meccanobiologia si concentrano sui sistemi eucariotici9, sebbene prove recenti abbiano evidenziato l’importanza delle forze meccaniche nei procarioti. Nei batteri, le appendici extracellulari, compresi i flagelli e i pili di tipo IV, si estendono dal corpo cellulare per percepire e rispondere ai segnali meccanici nell'ambiente. Il montaggio e lo smontaggio dell'unità motore flagellare rispondono agli aumenti e alle diminuzioni del carico meccanico esterno10,11. L'inibizione fisica della rotazione flagellare mediante contatto con una superficie genera forze di reazione all'interno del motore molecolare, che stimolano l'adesione superficiale e la formazione di biofilm12,13. I pili di tipo IV sono fibre motorizzate che si estendono e si ritraggono per interagire con l'ambiente. Inoltre, il meccanosensing da parte dei pili di Tipo IV promuove la formazione di biofilm14 e il rilascio di fattori di virulenza15 e guida la motilità dopo le collisioni16.

L'involucro cellulare è il principale componente portante dei batteri ed è anche sensibile alle forze meccaniche. I canali ionici attivati ​​dallo stiramento all'interno della membrana cellulare rispondono rapidamente ai cambiamenti di osmolarità aprendosi a causa dello stiramento della membrana, portando ad un aumento della sopravvivenza in seguito allo shock ipoosmotico17. Lo stress meccanico e la tensione all'interno dell'involucro cellulare influenzano anche l'assemblaggio dei complessi di efflusso trans-involucro; ad esempio, l'assemblaggio e il funzionamento della pompa di efflusso multicomponente trans-involucro CusCBA sono compromessi dall'aumento dello stress di taglio ottaedrico all'interno dell'involucro cellulare18. Lo stress meccanico all'interno dell'involucro cellulare influenza anche le posizioni di inserimento della nuova parete cellulare nei batteri sottoposti a flessione, con maggiori quantità di parete cellulare inserite nelle regioni di maggiore deformazione tensile19,20. Sebbene questi meccanismi meccanosensibili all’interno dell’involucro cellulare siano ben riconosciuti, nessuno dei meccanismi identificati fino ad oggi ha dimostrato di regolare l’espressione genica correlata al rimodellamento della parete cellulare, una componente essenziale dell’involucro cellulare. È stato ipotizzato che anche i sistemi di regolazione genetica attualmente associati ad altre forme di stress cellulare possano essere meccanosensibili21 e un recente rapporto suggerisce che il confinamento migliora la segnalazione Rcs e la conseguente resistenza al batteriofago in E. coli22. Se i meccanismi meccanosensibili sono coinvolti nel rimodellamento e nell’omeostasi dell’involucro cellulare, ci si aspetterebbe che lo stress meccanico e la tensione regolino la sintesi dei componenti dell’involucro cellulare.