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Nature Communications volume 14, Número do artigo: 871 (2023) Citar este artigo

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As bactérias podem inibir o crescimento de outras bactérias injetando efetores usando um sistema de secreção tipo VI (T6SS). Os efetores T6SS também podem ser injetados em células eucarióticas para facilitar a sobrevivência bacteriana, muitas vezes visando o citoesqueleto. Aqui, mostramos que o efetor antimicrobiano T6SS trans-reino VgrG4 de Klebsiella pneumoniae desencadeia a fragmentação da rede mitocondrial. VgrG4 colocaliza com a proteína mitofusina 2 do retículo endoplasmático (ER). VgrG4 induz a transferência de Ca2+ do RE para as mitocôndrias, ativando Drp1 (um regulador da fissão mitocondrial), levando assim à fragmentação da rede mitocondrial. A elevação de Ca2+ também induz a ativação do receptor de imunidade inata NLRX1 para produzir espécies reativas de oxigênio (ROS). O ROS induzido por NLRX1 limita a ativação de NF-κB modulando a degradação do inibidor de NF-κB IκBα. A degradação de IκBα é desencadeada pela ubiquitina ligase SCFβ-TrCP, que requer a modificação da subunidade cullin-1 por NEDD8. VgrG4 anula a NEDDylation de culin-1 por inativação de Ubc12, a enzima de conjugação de NEDD8. Nosso trabalho fornece um exemplo de manipulação T6SS de células eucarióticas através da alteração das mitocôndrias.

As mitocôndrias originaram-se de uma α-Proteobacterium endossimbionte relacionada ao gênero Rickettsia há mais de 1,45 bilhão de anos1. Coerente com essa origem bacteriana, as mitocôndrias são delimitadas por uma membrana dupla com uma membrana interna caracterizada pela presença de cardiolipina e ausência de colesterol; eles abrigam um pequeno genoma circular conhecido como DNA mitocondrial (mtDNA) e uma maquinaria funcional para a síntese de proteínas2. No entanto, e em contraste com a maioria das bactérias, as mitocôndrias são altamente dinâmicas e sua morfologia é equilibrada entre dois eventos opostos fortemente regulados, fissão e fusão. Esses processos são essenciais para manter as mitocôndrias funcionais quando as células sofrem estresse metabólico ou ambiental3.

As mitocôndrias são fundamentais para o funcionamento das células eucarióticas. Eles são centrais para a produção de energia da célula após a oxidação dos intermediários do ciclo do ácido tricarboxílico (TCA), que envolve a criação e o aproveitamento de um potencial de membrana através da membrana mitocondrial interna4. As mitocôndrias também participam da homeostase do Ca2+5 intracelular. Altas concentrações de Ca2+ podem se acumular na matriz mitocondrial devido à proximidade física com o retículo endoplasmático (RE) e à presença de um canal de Ca2+ regulado, o complexo mitocondrial de cálcio uniportador (MCU)5. Essa entrada de Ca2+ pode estar associada à morte celular por apoptose5. Finalmente, as mitocôndrias também contribuem para a defesa intrínseca da célula por meio de ERO e detectando infecções6. Devido a esse papel central nos processos celulares, as mitocôndrias estão emergindo como um alvo principal para patógenos7.

A origem bacteriana das mitocôndrias evoca uma questão intrigante: os patógenos interagem com as mitocôndrias empregando os mesmos sistemas que utilizam como defesa contra outros competidores bacterianos? Por exemplo, as bactérias usam o sistema de secreção do tipo VI (T6SS) para restringir o crescimento de outras bactérias, entregando efetores a uma célula-alvo em um processo de uma etapa8. Esses efetores T6SS antimicrobianos têm como alvo elementos essenciais da célula bacteriana, como peptidoglicano, ácidos nucleicos ou fosfolipídios de membrana8. Existem também alguns exemplos de efetores T6SS entregues em células de mamíferos9. Esses efetores visam principalmente o citoesqueleto e afetam a sobrevivência intracelular e a internalização bacteriana9. No entanto, surpreendentemente, nenhum efetor T6SS direcionado às mitocôndrias foi relatado até o momento.

Recentemente, dissecamos o T6SS da cepa hipervirulenta Klebsiella pneumoniae CIP52.145 (doravante Kp52145). Esta cepa codifica todos os fatores encontrados em cepas invasivas de K. pneumoniae10,11. Demonstramos o papel do T6SS em espécies intra e inter bacterianas e competição antifúngica12. Caracterizamos o VgrG4 como uma nova bactéria intoxicante efetora trans-reino T6SS, leveduras e fungos12. O vgrG4 é codificado em mais de 10% dos genomas de Klebsiella listados no NCBI (total 812), incluindo isolados associados a infecções invasivas humanas e cepas multirresistentes. Experimentos de truncamento demonstraram que a região de VgrG4 contendo o domínio DUF2345 é suficiente para exercer toxicidade microbiana via indução de ROS12. Denominamos esse domínio como domínio tóxico ROS (RTD)12 que está presente em outros VgrGs de cepas de Escherichia coli, Acinetobacter baumannii e Pseudomonas aeruginosa.