La modularità della coda dei fagi e il trasferimento genico orizzontale rivelano specificità verso E. coli O

Virology Journal volume 20, numero articolo: 174 (2023) Citare questo articolo

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L'interazione tra batteriofagi e i loro ospiti è complessa e altamente specifica. Le proteine ​​leganti i recettori (RBP) dei fagi come le fibre della coda e gli aculei della coda avviano il processo di infezione. Questi RBP si legano a diverse strutture della membrana esterna, incluso l'antigene O, che è un componente a base di zucchero specifico del sierogruppo dello strato lipopolisaccaridico esterno dei batteri Gram-negativi. Tra i ceppi di Escherichia coli più virulenti c'è il patotipo E. coli produttore della tossina Shiga (STEC), dominato da un sottoinsieme di sierogruppi dell'antigene O.

Sono state utilizzate analisi filogenetiche e strutturali approfondite per identificare e convalidare le correlazioni di specificità tra i sottotipi di RBP dei fagi e i sierogruppi dell'antigene O STEC, basandosi sul principio del trasferimento genico orizzontale come motore principale dell'evoluzione dell'RBP.

Abbiamo identificato sottotipi RBP specifici dell'antigene O per sette dei nove sierogruppi STEC più diffusi (O26, O45, O103, O104, O111, O145 e O157) e sette ulteriori sierogruppi di E. coli (O2, O8, O16, O18, 4s/ O22, O77 e O78). Otto generi di fagi (Gamaleya-, Justusliebig-, Kaguna-, Kayfuna-, Kutter-, Lederberg-, Nouzilly- e Uetakevirus) sono emersi per la loro elevata percentuale di RBP specifici del sierogruppo. Inoltre, riveliamo motivi di sequenza nella regione RBP, che potenzialmente fungono da hotspot di ricombinazione tra fagi litici.

I risultati contribuiscono a una migliore comprensione del mosaicismo degli RBP fagici, ma dimostrano anche un metodo per identificare e convalidare nuovi sottotipi di RBP per i sierogruppi emergenti attuali e futuri.

I batteriofagi (o fagi) sono virus che infettano i batteri. La relazione fago-ospite è specifica e complessa. Le proteine ​​leganti i recettori (RBP) dei fagi come le fibre della coda e le punte della coda sono le prime proteine ​​fagiche a interagire con l'ospite, avviando il processo di infezione. Queste proteine ​​possono legarsi specificamente alle strutture della parete cellulare esterna dei batteri come i polisaccaridi capsulari (CPS) [32, 57] o i lipopolisaccaridi (LPS) [21], gli acidi (lipo)teicoici, le proteine ​​della membrana esterna, i flagelli o i pili [54]. Le fibre della coda generalmente adottano una forma fibrosa e comprendono un dominio distale che lega il recettore, mentre le punte della coda sono tipicamente più corte e contengono un dominio enzimatico che degrada anche il suo recettore dopo il legame [12]. In questo lavoro utilizziamo il termine completo RBP a causa delle informazioni disponibili incoerenti sulla presenza di tale attività enzimatica. Mentre la maggior parte dei fagi codificano uno o due RBP, alcuni fagi polivalenti esprimono più RBP, formando una struttura RBP ramificata. Ciascuno di questi RBP riconosce un recettore diverso, consentendo al fago di infettare più ospiti [17, 31, 41, 45, 53].

Numerosi fagi che infettano l'Escherichia coli codificano per RBP che prendono di mira lo strato esterno di LPS, chiamato antigene O. Quando questo fattore di virulenza è presente sulla parete cellulare esterna di E. coli, la struttura viene definita LPS liscia. Un'elevata variabilità del sierogruppo dell'antigene O con 176 strutture diverse è stata attualmente descritta per i ceppi lisci di E. coli [37]. Tra i ceppi di E. coli più patogeni c'è il patotipo E. coli produttore della tossina Shiga (STEC), che è una delle principali cause di malattie gastrointestinali in tutto il mondo. La prevalenza di alcuni antigeni O associati a questo patotipo varia nel tempo e nella posizione geografica. L’importanza dello STEC è stata riconosciuta nel 2015 dall’Organizzazione per l’Alimentazione e l’Agricoltura (FAO) delle Nazioni Unite e dall’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS). Il sierogruppo O157 è il sierotipo più diffuso negli Stati Uniti, sebbene la quota di sierogruppi non O157 continui a crescere. Nel 2020, in Europa sono stati segnalati più casi di STEC con il sierogruppo O26 rispetto ai casi con il sierogruppo O157 [13]. Inoltre, possono verificarsi epidemie isolate di STEC di nuovi sierogruppi emergenti, come l’epidemia di STEC del sierogruppo O104 in Germania nel 2011 [28]. Altri importanti sierogruppi non O157 associati a malattie umane includono O45, O91, O103, O104, O111, O145 e O146, con diversa prevalenza negli Stati Uniti rispetto all’Europa [15, 16].