Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Hur överlever en mängd olika bakterier – både patogena och kommensala – antimikrobiella medel som frisätts av däggdjurets medfödda immunsystem?
Svaret för ett av de antimikrobiella medlen – hypotiocyanit/hypotiocyansyra eller OSCN – och HOSCN—har rapporterats av Michael Gray, Ph.D., och kollegor genom upptäckten av en ny roll för ett enzym i E. coli. Denna tidigare okända aktivitet uppvisas också av homologa enzymer som finns i patogena Streptococcus- och Staphylococcus-bakterier och flera kommensala tarmmikrober.
"Under inflammation frigör det mänskliga immunsystemet en mängd olika reaktiva och skadliga antimikrobiella medel som är avsedda att bekämpa invaderande patogener", säger Gray, biträdande professor vid University of Alabama vid Birmingham Department of Microbiology. "Att förstå hur bakterier kan undvika dessa kraftfulla oxidanter, inklusive hypohalousyrorna som HOSCN, är avgörande för människors hälsa.
"Genom att identifiera funktionen av enzymet RclA i modellorganismen E. coli - som framför allt kan konkurrera med kommensala organismer och frodas i en inflammerad tarm - har vi lagt grunden för att förstå bakteriell överlevnad och förhållandet till det mänskliga immunsystemet på sätt som tidigare inte förstods," sa Gray.
"E. coli trivs särskilt i den kroniskt inflammerade miljö som finns hos patienter med inflammatorisk tarmsjukdom, och den kan konkurrera med och växa ur andra viktiga kommensala organismer, vilket tyder på att HOSCN kan vara ett relevant antimikrobiellt ämne i tarmen, vilket inte tidigare har varit utforskat", sa han.
HOSCN är känt för att finnas rikligt i saliv och luftvägssekret som ett mycket specifikt antimikrobiellt medel som är nästan ofarligt för däggdjursceller. Vissa mikrober, inklusive patogener, kan dock undkomma HOSCN-skador under inflammation, vilket tillåter fortsatt tillväxt och till och med allvarlig sjukdom.
Rapportering i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences , förklarar forskare under ledning av Gray och Frederick Stull, biträdande professor i kemi vid Western Michigan University, Kalamazoo, att E. coli flavoproteinet RclA reducerar HOSCN till ofarligt tiocyanat med nästan perfekt katalytisk effektivitet, och denna extremt snabba aktivitet skyddar E. coli starkt. mot HOSCN-toxicitet. HOSCN verkar alltså vara det fysiologiskt relevanta substratet för RclA, säger Gray, snarare än dess tidigare beskrivna förmåga att måttligt motstå reaktivt klor.
Forskarna testade också de homologa flavinberoende oxidoreduktaserna som finns i Streptococcus pneumonia, Staphylococcus aureus och i Bacteroides thetaiotaomicron. S. pneumonia och S. aureus är patogener som är kända för att kolonisera vävnader under kronisk inflammation, särskilt i lungorna, där de bör komma i kontakt med höga koncentrationer av HOSCN. B. thetaiotaomicron är en viktig mänsklig tarmkommensal.
Deras tre flavinberoende oxidoreduktaser – som visar 47 procent till 49 procent aminosyrasekvensidentitet med E. coli RclA – klonades in i E. coli, där de alla visade potent aktivitet mot HOSCN. De aktiva ställena för RclA och de tre homologerna visar nära aminosyrasekvensidentitet.
HOSCN verkar genom att snabbt oxidera svavelhaltiga aminosyror i bakterieproteiner, speciellt cystein. Oxidoreduktaser som RclA innehåller två cysteinrester på sitt aktiva ställe. Dessa två cysteiner är förmodligen viktiga för enzymets funktion, men de är ett mest troligt mål för HOSCN. Forskarna visade att varje aktivt ställe cystein i RclA var nödvändigt för RclA-funktionen, och att de agerar tillsammans för att snabbt minska HOSCN, med hjälp av NAD(P)H.
"Vårt kanske mest spännande fynd är att homologer av RclA, inklusive från tarmens kommensala arter B. thetaiotaomicron och Limosilactobacillus reuteri och från arter som är inblandade i allvarlig lungsjukdom skyddar mot HOSCN-skador i samma grad som E. coli RclA," sa Gray. "Detta indikerar att ett brett spektrum av bakterier, både kommensala och patogena, kan ha specifika försvar mot HOSCN-stress. Att lära sig mer om omfattningen av skyddet som detta enzym tillhandahåller till patogena arter kommer att ge oss bättre kunskap om potentiellt ett brett spektrum av sjukdomar, inklusive cystisk fibros, inflammatorisk tarmsjukdom och orala sjukdomar."
"Även om vi ännu inte direkt har tagit itu med effekten av detta enzym på värdkolonisering in vivo, har vi lagt en viktig grund för framtida studier med de data vi har samlat in här," sa Gray. + Utforska vidare
