Wie Bakterien Hypothiocyanit entschärfen, eine antimikrobielle Waffe des angeborenen Immunsystems

Wie überleben eine Vielzahl von Bakterien – sowohl pathogene als auch kommensale – antimikrobielle Mittel, die vom angeborenen Immunsystem von Säugetieren freigesetzt werden?

Die Antwort für eines der antimikrobiellen Mittel – Hypothiocyanit/Hypothiocyansäure oder OSCN– und HOSCN – wurde von Michael Gray, Ph.D., und Kollegen durch die Entdeckung einer neuen Rolle für ein Enzym in E. coli beschrieben. Diese zuvor unbekannte Aktivität wird auch von homologen Enzymen gezeigt, die in pathogenen Streptococcus- und Staphylococcus-Bakterien und mehreren kommensalen Darmmikroben gefunden werden.

„Während einer Entzündung setzt das menschliche Immunsystem eine Vielzahl reaktiver und schädlicher antimikrobieller Mittel frei, die eindringende Krankheitserreger abwehren sollen“, sagte Gray, Assistenzprofessor an der Universität von Alabama am Birmingham Department of Microbiology. „Zu verstehen, wie Bakterien diesen starken Oxidationsmitteln, einschließlich der hypohalogenigen Säuren wie HOSCN, entgehen können, ist für die menschliche Gesundheit von entscheidender Bedeutung.

„Durch die Identifizierung der Funktion des Enzyms RclA im Modellorganismus E. coli – der insbesondere in der Lage ist, mit kommensalen Organismen zu konkurrieren und in einem entzündeten Darm zu gedeihen – haben wir die Grundlage für das Verständnis des bakteriellen Überlebens und der Beziehung zum menschlichen Immunsystem gelegt auf eine Weise, die vorher nicht verstanden wurde“, sagte Gray.

„E. coli gedeiht besonders in der chronisch entzündeten Umgebung, die bei Patienten mit entzündlichen Darmerkrankungen vorkommt, und kann mit anderen wichtigen kommensalen Organismen konkurrieren und diese überholen, was darauf hindeutet, dass HOSCN ein relevantes antimikrobielles Mittel im Darm sein könnte, was zuvor nicht der Fall war erkundet“, sagt er.

Es ist bekannt, dass HOSCN in Speichel und Atemwegssekreten reichlich vorhanden ist, da es ein hochspezifisches antimikrobielles Mittel ist, das für Säugetierzellen nahezu harmlos ist. Einige Mikroben, einschließlich Krankheitserreger, können jedoch einer HOSCN-Schädigung während einer Entzündung entkommen, was ein fortgesetztes Wachstum und sogar schwere Krankheiten ermöglicht.

Berichterstattung im Tagebuch Proceedings of the National Academy of Sciences, erklären Forscher unter der Leitung von Gray und Frederick Stull, Assistenzprofessor für Chemie an der Western Michigan University, Kalamazoo, dass das E. coli-Flavoprotein RclA HOSCN mit nahezu perfekter katalytischer Effizienz zu harmlosem Thiocyanat reduziert und diese extrem schnelle Aktivität E. coli stark schützt gegen HOSCN-Toxizität. HOSCN scheint daher das physiologisch relevante Substrat für RclA zu sein, sagt Gray, und nicht seine zuvor beschriebene Fähigkeit, reaktivem Chlor mäßig zu widerstehen.

Die Forscher testeten auch die homologen Flavin-abhängigen Oxidoreduktasen, die in Streptococcus pneumoniae, Staphylococcus aureus und in Bacteroides thetaiotaomicron gefunden wurden. S. pneumonia und S. aureus sind Krankheitserreger, von denen bekannt ist, dass sie Gewebe während chronischer Entzündungen besiedeln, insbesondere in der Lunge, wo sie mit hohen Konzentrationen von HOSCN in Kontakt kommen sollten. B. thetaiotaomicron ist ein wichtiger menschlicher Darmkommensaler.

Ihre drei Flavin-abhängigen Oxidoreduktasen – die eine 47- bis 49-prozentige Aminosäuresequenzidentität mit E. coli RclA aufweisen – wurden in E. coli kloniert, wo sie alle eine starke Aktivität gegen HOSCN zeigten. Die aktiven Stellen von RclA und den drei Homologen zeigen eine enge Aminosäuresequenzidentität.

HOSCN wirkt, indem es schwefelhaltige Aminosäuren in Bakterienproteinen, insbesondere Cystein, schnell oxidiert. Oxidoreduktasen wie RclA enthalten zwei Cysteinreste an ihrem aktiven Zentrum. Diese beiden Cysteine ​​sind vermutlich wichtig für die Funktion des Enzyms, sind aber höchstwahrscheinlich ein Angriffspunkt für HOSCN. Die Forscher zeigten, dass jedes Cystein im aktiven Zentrum in RclA für die RclA-Funktion notwendig war und dass sie zusammenwirken, um HOSCN mithilfe von NAD(P)H schnell zu reduzieren.

„Unser vielleicht aufregendstes Ergebnis ist, dass Homologe von RclA, einschließlich der Darm-Kommensalarten B. thetaiotaomicron und Limosilactobacillus reuteri und von Arten, die an schweren Lungenerkrankungen beteiligt sind, im gleichen Maße wie E. coli RclA vor HOSCN-Schäden schützen“, sagte Gray. „Dies weist darauf hin, dass ein breites Spektrum von Bakterien, sowohl kommensale als auch pathogene, möglicherweise spezifische Abwehrkräfte gegen HOSCN-Stress besitzen. Wenn wir mehr über den Umfang des Schutzes erfahren, den dieses Enzym pathogenen Arten bietet, werden wir bessere Kenntnisse über ein potenziell breites Spektrum von Krankheiten gewinnen. einschließlich zystischer Fibrose, entzündlicher Darmerkrankungen und Munderkrankungen.“

„Obwohl wir uns noch nicht direkt mit der Wirkung dieses Enzyms auf die Wirtsbesiedlung in vivo befasst haben, haben wir mit den hier gesammelten Daten eine wichtige Grundlage für zukünftige Studien gelegt“, sagte Gray.