Hvordan bakterier defuserer hypothiocyanit, et antimikrobielt våben fra det medfødte immunsystem

Hvordan overlever en bred vifte af bakterier - både patogene og kommensale - antimikrobielle stoffer frigivet af pattedyrets medfødte immunsystem?

Svaret for et af de antimikrobielle stoffer - hypothiocyanit/hypothiocyansyre eller OSCN ^– og HOSCN - er blevet rapporteret af Michael Gray, Ph.D., og kolleger gennem opdagelsen af ​​en ny rolle for et enzym i E. coli. Denne hidtil ukendte aktivitet udvises også af homologe enzymer fundet i patogene Streptococcus- og Staphylococcus-bakterier og adskillige kommensale tarmmikrober.

"Under betændelse frigiver det menneskelige immunsystem en række reaktive og skadelige antimikrobielle stoffer, der er beregnet til at bekæmpe invaderende patogener," sagde Gray, en assisterende professor ved University of Alabama i Birmingham Department of Microbiology. "Det er afgørende for menneskers sundhed at forstå, hvordan bakterier kan undslippe disse kraftfulde oxidanter, herunder hypohalogensyrer som HOSCN.

"Ved at identificere funktionen af ​​enzymet RclA i modelorganismen E. coli - som især er i stand til at konkurrere med kommensale organismer og trives i en betændt tarm - har vi lagt grundlaget for at forstå bakteriel overlevelse og forholdet til det menneskelige immunsystem på måder, der tidligere ikke blev forstået," sagde Gray.

"E. coli trives især i det kronisk betændte miljø, der findes hos patienter med inflammatorisk tarmsygdom, og det er i stand til at konkurrere med og vokse ud af andre vigtige kommensale organismer, hvilket tyder på, at HOSCN kan være et relevant antimikrobielt middel i tarmen, hvilket ikke tidligere har været udforsket," sagde han.

HOSCN er kendt for at være rigeligt i spyt- og luftvejssekretioner som et meget specifikt antimikrobielt middel, der er næsten uskadeligt for pattedyrsceller. Nogle mikrober, inklusive patogener, kan dog undslippe HOSCN-skader under inflammation, hvilket tillader fortsat vækst og endda alvorlig sygdom.

Rapportering i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences , forklarer forskere ledet af Gray og Frederick Stull, assisterende professor i kemi ved Western Michigan University, Kalamazoo, at E. coli flavoproteinet RclA reducerer HOSCN til harmløst thiocyanat med næsten perfekt katalytisk effektivitet, og denne ekstremt hurtige aktivitet beskytter E. coli kraftigt. mod HOSCN-toksicitet. HOSCN ser således ud til at være det fysiologisk relevante substrat for RclA, siger Gray, snarere end dets tidligere beskrevne evne til beskedent at modstå reaktivt klor.

Forskerne testede også de homologe flavinafhængige oxidoreduktaser fundet i Streptococcus pneumonia, Staphylococcus aureus og i Bacteroides thetaiotaomicron. S. pneumonia og S. aureus er patogener, der vides at kolonisere væv under kronisk inflammation, især i lungerne, hvor de bør komme i kontakt med høje koncentrationer af HOSCN. B. thetaiotaomicron er en vigtig menneskelig tarmkommensal.

Deres tre flavinafhængige oxidoreduktaser – som viser 47 procent til 49 procent aminosyresekvensidentitet med E. coli RclA – blev klonet ind i E. coli, hvor de alle udviste potent aktivitet mod HOSCN. De aktive steder af RclA og de tre homologer viser tæt aminosyresekvensidentitet.

HOSCN virker ved hurtigt at oxidere svovlholdige aminosyrer i bakterielle proteiner, især cystein. Oxidoreduktaser som RclA indeholder to cysteinrester på deres aktive sted. Disse to cysteiner er formodentlig vigtige for enzymets funktion, men de er et højst sandsynligt mål for HOSCN. Forskerne viste, at hvert aktivt cystein i RclA var nødvendigt for RclA-funktionen, og at de virker sammen for hurtigt at reducere HOSCN ved hjælp af NAD(P)H.

"Måske vores mest spændende opdagelse er, at homologer af RclA, inklusive fra tarmkommensale arter B. thetaiotaomicron og Limosilactobacillus reuteri og fra arter impliceret i alvorlig lungesygdom beskytter mod HOSCN-skader i samme grad som E. coli RclA," sagde Gray. "Dette indikerer, at en bred vifte af bakterier, både kommensale og patogene, kan besidde specifikke forsvar mod HOSCN-stress. At lære mere om omfanget af beskyttelse, som dette enzym giver til patogene arter, vil give os bedre viden om potentielt en lang række sygdomme, herunder cystisk fibrose, inflammatorisk tarmsygdom og orale sygdomme."

"Selvom vi endnu ikke direkte har adresseret effekten af ​​dette enzym på værtskolonisering in vivo, har vi lagt et vigtigt grundlag for fremtidige undersøgelser med de data, vi har samlet her," sagde Gray. + Udforsk yderligere

Varieret funktionalitet af et enzym, der nedbryder lipider