I batteriofagi comunemente detti anche fagi sono delle particelle virali submicroscopiche, endoparassiti obbligati delle cellule batteriche. Una volta infettata la cellula batterica, essi sfruttano il macchinario di replicazione della cellula ospite per trascrivere il proprio DNA, produrre le proteine del loro capside ed in fine assemblare nuove particelle virali che fuoriusciranno lisando la cellula batterica, pronte ad infettare nuove cellule.
Negli ultimi anni sta però emergendo sempre di più l’importanza dei fagi come membri fondamentali di molteplici microbiomi. Da qui nasce l’idea dei ricercatori del GEOMAR Helmholtz Center for Ocean Research Kiel con la ricerca pubblicata su Cell Host and Microbe che, partendo dallo studio delle spugne marine e del microbioma ad esse associato, si interrogano su quale sia il ruolo dei fagi all’interno del ben più conosciuto rapporto di simbiosi fra le cellule eucariotiche e le comunità microbiche.
Il modello di studio: Spugne marine – batteri simbionti – fagi marini
Le spugne marine sono metazoi a rapida diffusione, note per la creazione di complesse simbiosi microbiche con interazioni sia amensali che commensali. Sono dunque un serbatoio di eccezionale diversità microbica e contribuiscono in modo determinante alla diversità microbica totale degli oceani del mondo. Ma la varietà non si riduce solo a comunità batteriche, in quanto filtri animali infatti, le spugne possono filtrare giornalmente fino a 24,000 litri di acqua di mare e sono esposte ad un numero stimato di 2,4 x 10^13 virus ogni giorno.
I fagi-marini d’altro canto sembrano essere le entità più abbondanti e diversificate negli oceani, essi svolgono importanti funzioni all’interno dell’ecosistema marino come la regolazione della diversità microbica, evitando vertiginosi incrementi demografici delle popolazioni batteriche.
Nello studio i ricercatori hanno analizzato, utilizzando l’approccio metagenomico, il materiale genetico di 4 specie di spugne campionate a largo della costa settentrionale della Spagna confrontandolo con dei campioni di acqua di mare prelevati dalle stesse zone. E’ subito emersa la presenza di forme virali all’interno delle spugne non identificate nelle acque dell’oceano, nonché una sostanziale diversità nei viromi presenti nelle diverse specie e persino tra i conspecifici. Analizzando più in profondità i dati genetici hanno identificato un nuovo gruppo di batteriofagi particolarmente abbondante fra i viromi delle spugne campionate. Con piacevole sorpresa i ricercatori, hanno scoperto che Il genoma di questi nuovi fagi conteneva tre ripetizioni del dominio anchirina (ANKs): motivi proteici modulatori della risposta immunitaria dell’ospite eucariotico verso le cellule procariotiche. I domini anchirina infatti sono di solito presenti in batteri che collaborano con altri batteri patogeni o commensali nell’infezione di ospiti eucariotici. I ricercatori hanno quindi formulato l’ipotesi che le proteine anchirina, secrete da una cellula batterica infetta da fagi, potrebbero facilitare le interazioni tra le spugne e i loro batteri residenti.
Per testare l’ipotesi si trovano di fronte ad un ostacolo da superare: le cellule di spugna marina così come i suoi batteri endo-simbionti sono molto difficili da coltivare in laboratorio.
Il modello di studio in vitro: cellule murine – Batteri E. coli – proteina anchirina
Il team decide di condurre l’esperimento in vitro utilizzando come ospite eucariotico una linea cellulare murina e le cellule del batterio Escherichia coli per simulare le comunità batteriche. Dapprima E. coli viene coltivato in presenza della proteina anchirina (ANKp) sintetizzata dalle sequenze virali, quindi le cellule batteriche che mostravano la proteina sulla superficie cellulare sono state aggiunte alle cellule di topo. Come atteso i batteri E. coli, coltivati in presenza della proteina anchirina, mostravano una maggiore sopravvivenza all’esposizione delle cellule immunitarie del topo rispetto alla popolazione di controllo. La sopravvivenza batterica mediata dalla proteina anchirina è legata alla riduzione dei tassi di fagocitosi da parte dei macrofagi murini. A sostegno di questi risultati, anche quando ingegnerizzato per la produzione di ANKp, E. coli, ha mostrato un aumento significativo del tasso di sopravvivenza in seguito all’esposizione a macrofagi, dimostrando che ANKp è funzionale quando secreta.
Sono stati poi condotti ulteriori esperimenti allo scopo di dimostrare che la proteina ANKp non era tossica né per le cellule batteriche né per le cellule murine, confermandone l’azione solo come modulatore che aiuta a sopprimere le risposte dei macrofagi verso i batteri.
La proteina anchirina induce nelle cellule eucariotiche una down regolazione della segnalazione pro-infiammatoria con la riduzione dell’espressione di citochine pro-infiammatorie altrimenti sovraespresse in presenza di batteri. In particolare, includendo una riduzione del fattore di necrosi tumorale alfa (TNF-a), Cxcl1 e Ifn1 ma anche una riduzione delle risposta NF-kB-dipendente.
In conclusione questi risultati descrivono per la prima volta che una proteina fagica è coinvolta nella downregolazione della risposta immunitaria degli eucarioti. Analizzando nel database il genoma di altri phyla, Martin Jahn e i suoi colleghi hanno trovato prove della presenza di fagi, che esprimono i domini anchirina, nei microbiomi di altri organismi eucariotici, inclusi gli umani, suggerendo l’importanza dei batteriofagi come elementi centrali nei processi di interazione fra le cellule.
Fonti
- https://it.qwe.wiki/wiki/Marine_bacteriophage
- Thomas T. Moitinho-Silva L. Lurgi M. Björk J.R. Easson C. Astudillo-García C. Olson J.B. Erwin P.M. López-Legentil S. Luter H. et al. Diversity, structure and convergent evolution of the global sponge microbiome.Nat. Commun. 2016; 7: 11870
- Jahn et al., A Phage Protein Aids Bacterial Symbionts in Eukaryote Immune Evasion, Cell Host & Microbe (2019),https://doi.org/10.1016/j.chom.2019.08.019
- https://www.the-scientist.com/infographics/infographic–phage-protein-helps-e–coli-evade-mouse-immune-cells-66903?_ga=2.145108471.290696568.1588682503-1493510125.1588522083
