Una variante della tossina TcdB può riconoscere una proteina della cellula ospite diversa da quella riconosciuta da un’altra variante. In Bacillus subtilis, invece, una stessa proteina regolatrice può cambiare i geni su cui agisce quando si lega a un partner diverso. I due fenomeni mostrano due livelli della modularità molecolare: come si distribuiscono i compiti all’interno di una proteina e come si ridistribuiscono quando più proteine formano un circuito.
TcdB: dall’aggancio alla modifica del bersaglio
La tossina B di Clostridioides difficile è una singola catena proteica ripiegata in regioni con compiti distinti. La regione N-terminale contiene una glucosiltransferasi. Accanto a essa si trova una cisteina proteasi, mentre una regione estesa partecipa al legame con i recettori e al trasferimento attraverso la membrana. All’estremità opposta si trova una regione a ripetizioni detta CROPs. La struttura tridimensionale mostra contatti fra queste regioni, che cooperano durante l’azione della tossina.
Il processo comincia quando TcdB si lega alla superficie della cellula. Dopo l’ingresso per endocitosi, il compartimento che contiene la tossina si acidifica. Il cambiamento di pH favorisce la riorganizzazione della proteina e il trasferimento della sua porzione enzimatica verso il citosol. L’inositolo esafosfato, presente nella cellula ospite, attiva la cisteina proteasi, che può liberare la glucosiltransferasi dalla catena. Una volta nel citosol, questa trasferisce glucosio a piccole GTPasi della famiglia Rho. La modifica altera segnali che regolano il citoscheletro e può far perdere alla cellula la sua forma abituale.
Qui la modularità si vede nella sequenza degli eventi. Riconoscere una cellula, superare la barriera di membrana e modificare il bersaglio intracellulare sono problemi diversi. Una regione può contribuire a più di un passaggio: porzioni della cisteina proteasi, per esempio, partecipano anche a un’interfaccia di riconoscimento recettoriale in varianti studiate. I confini utili a descrivere la struttura e quelli delle funzioni possono sovrapporsi.
Come si può cambiare il recettore
Le differenze tra varianti danno a questa architettura un significato evolutivo. Alcune forme di TcdB riconoscono proteine della famiglia Frizzled; in altre è stato identificato come recettore il TFPI, l’inibitore della via del fattore tissutale. Esperimenti su cellule con recettori rimossi hanno permesso di confrontare le dipendenze delle varianti. Le analisi di sequenza hanno inoltre indicato casi in cui la ricombinazione di un tratto del gene ha contribuito a cambiare il riconoscimento.
Lo stesso meccanismo generale può quindi associarsi a interfacce differenti. Da questa osservazione si può formulare un’ipotesi verificabile per una nuova variante: individuare una regione simile a quella di una tossina nota suggerisce quali recettori testare. Per stabilire quali vengano realmente usati servono misure di legame e prove di ingresso. Anche altri tratti della proteina possono contribuire alla stessa interfaccia.
TcdR regola la produzione della tossina
Prima che TcdB incontri una cellula, il batterio deve trascriverne il gene. Qui interviene TcdR, un fattore sigma alternativo. Associandosi al nucleo della RNA polimerasi batterica, contribuisce a indirizzarla verso i promotori dei geni tcdA e tcdB. Gli esperimenti di trascrizione hanno distinto questo passaggio dall’attività delle proteine codificate.
La distinzione aiuta a leggere due tipi di variabilità. Una variazione nell’interfaccia della tossina può modificare il legame a un recettore. Una variazione nella regolazione della trascrizione può incidere su quando e quanto il batterio produce la tossina. I due effetti si misurano con esperimenti diversi, anche quando concorrono allo stesso risultato biologico.
SinR: una proteina con più partner
Nel biofilm di Bacillus subtilis, SinR regola geni necessari a produrre la matrice che tiene insieme la comunità batterica. Una sua regione riconosce il DNA, mentre un’altra consente l’associazione tra copie della proteina e l’interazione con altri partner. Quando SinR occupa i promotori dei geni della matrice, ne riduce la trascrizione. SinI si lega a SinR e ne ostacola questa attività repressiva. I geni della matrice possono allora essere espressi.
Un secondo partner, SlrR, rende il circuito più interessante. Il complesso SinR–SlrR contribuisce a reprimere geni coinvolti nella motilità e nella separazione delle cellule figlie. Dopo la divisione, le cellule possono restare collegate in catene. Inoltre SinR, quando reprime il gene slrR, limita la quantità del proprio partner. Quando SlrR aumenta, sottrae SinR alla repressione di quel gene. Questa retroazione può sostenere per un certo tempo due stati alternativi di espressione nella popolazione, senza richiedere una differenza nella sequenza del DNA fra le cellule.
Che cosa possiamo seguire nella storia evolutiva
Per TcdB si possono confrontare porzioni di sequenza, strutture e recettori effettivamente utilizzati. Per SinR occorre confrontare anche i partner disponibili e i promotori su cui agiscono. Un tratto di sequenza conservato può aiutare a riconoscere un dominio, ma da solo dice poco su quali geni siano controllati in una specie diversa. In questa parte della Grande Mappa la domanda si fa quindi più precisa: quale elemento è stato conservato e quale relazione è cambiata? Nei casi osservati, il cambiamento si può localizzare in un’interfaccia della tossina oppure nel rapporto fra un regolatore, i suoi partner e il DNA.