Dalla catalisi all’inibizione della crescita da contatto: le molteplici funzioni di O-acetilserina sulfidrilasi batterica

CysK, uno degli isoenzimi di O-acetilserina sulfidrilasi (OASS) presenti in piante e batteri, è un enzima studiato da molto tempo ed il suo ruolo fisiologico nella sintesi della cisteina è stato ben definito. Recentemente sono state scoperte altre funzioni apparentemente non collegate alla sua funzione enzimatica (moonlighting). Una di queste è l’attivazione di una tossina ad attività tRNAsica, CdiA-CT, coinvolta nel sistema di inibizione della crescita da contatto (CDI) di ceppi patogeni di E. coli. In questo progetto abbiamo studiato il ruolo di CysK nel sistema CDI e la formazione di complessi con due differenti partner proteici: CdiA-CT e CysE (serina acetiltransferasi, l’enzima che catalizza la reazione precedente nella biosintesi della cisteina). I due complessi hanno le stesse caratteristiche spettrofluorimetriche e affinità molto simili, ma la cinetica di raggiungimento dell’equilibrio per il complesso tossina:CysK è più lenta che per il complesso CysE:CysK (cisteina sintasi). In entrambi i casi la formazione veloce di un complesso d’incontro è seguita da un riarrangiamento conformazionale che porta alla formazione di un complesso ad alta affinità. L’efficienza di formazione del complesso cisteina sintasi è circa 200 volte maggiore rispetto al complesso CysK:tossina. Una differenza importante, oltre alla cinetica di formazione dei complessi, è la stechiometria di legame. Infatti mentre CysE riesce a legare solo uno dei due siti attivi del dimero di CysK, nel complesso con CdiA-CT entrambi i siti attivi dell’enzima risultano essere occupati. Le cellule isogeniche esprimono un peptide inibitore della tossina (CdiI), e sono quindi resistenti all’azione tRNAsica. Tuttavia, siccome CdiI non altera la formazione del complesso CdiA-CT:CysK, CdiA-CT può esercitare comunque un ruolo nel metabolismo della cisteina e quindi nella fitness dei batteri isogenici, attraverso il legame e l'inibizione di CysK e la competizione con CysE. La via biosintetica della cisteina, un precursore di molecole riducenti, risulta essere molto importante per i batteri soprattutto in condizioni avverse come all’interno dei macrofagi nelle infezioni persistenti. Perciò questa via metabolica è di interesse per lo sviluppo di nuovi antibiotici, e in particolare le due isoforme dell’OASS negli enterobatteri, CysK e CysM, sono potenziali target per lo sviluppo di nuove molecole ad azione antibatterica. Partendo dall’analisi delle modalità di interazione con CysK del suo partner ed inibitore fisiologico, CysE, si è studiato dapprima l’interazione di pentapeptidi che mimassero la regione C-terminale di quest'ultimo, e in base ai dati ottenuti sono stati sviluppati piccoli ligandi sintetici. La struttura generale di questi composti è costituita da un gruppo acido ed un gruppo lipofilo, separati da un linker ciclopropanico che mantiene questi due gruppi in conformazione trans, ottimale per l’interazione col sito attivo dell’enzima. Sulla base di queste considerazioni, di docking in silico e di dati sperimentali ottenuti con la tecnica dell’STD-NMR e con saggi di binding spettrofluorimetrici, si è potuta realizzare una analisi di relazione struttura-attività che ha portato via via all’ottimizzazione dei ligandi. Il composto più affine che è stato finora ottenuto ha una costante di dissociazione nel range del nanomolare per entrambe le isoforme, ed è un ottimo punto di partenza per lo sviluppo di nuovi farmaci.

Mechanisms of Mycoplasma-induced inflammation and cellular transformation

There is a growing interest in “medical gasses” for their antibacterial and anti-inflammatory properties. Hydrogen sulfide (H2S), a member of the family of gasotransmitters, is in fact increasingly being recognized as an important signaling molecule, but its precise role in the regulation of the inflammatory response is still not clear. For this reason, the aim of the first part of this thesis was to investigate the effects of H2S on the expression of pro-inflammatory cytokines, such as MCP-1, by using an in vitro model composed by both primary monocytes-derived macrophages cultures and the human monocytic cell line U937 infected with Mycoplasma fermentans, a well-known pro-inflammatory agent. In our experiments, we observed a marked increase in the production of pro-inflammatory cytokines in infected cells. In particular, MCP-1 was induced both at the RNA and at the protein level. To test the effects of H2S on infected cells, we treated the cells with two different H2S donors (NaHS and GYY4137), showing that both H2S treatments had anti-inflammatory effects in Mycoplasma-infected cells: the levels of MCP-1, both mRNA expression and protein production, were reduced. Our subsequent studies aimed at understanding the molecular mechanisms responsible for these effects, focused on two specific molecular pathways, both involved in inflammation: the NF-κB and the Nrf2 pathway. After treatment with pharmacological inhibitors, we demonstrated that Mycoplasma fermentans induces MCP-1 expression through the TLR-NF-κB pathway with the nuclear translocation of its subunits, while treatment with H2S completely blocked the nuclear translocation of NF-κB heterodimer p65/p50. Then, once infected cells were treated with H2S donors, we observed an increased protective effect of Nrf2 and also a decrease in ROS production. These results highlight the importance of H2S in reducing the inflammatory process caused by Mycoplasma fermentans. To this regard, it should be noted that several projects are currently ongoing to develop H2S-releasing compounds as candidate drugs capable of alleviating cell deterioration and to reduce the rate of decline in organ function. In the second part of this study, we investigated the role of Mycoplasma infection in cellular transformation. Infectious agents are involved in the etiology of many different cancers and a number of studies are still investigating the role of microbiota in tumor development. Mycoplasma has been associated with some human cancers, such as prostate cancer and non-Hodgkin’s lymphoma in HIV-seropositive people, and its potential causative role and molecular mechanisms involved are being actively investigated. To this regard, in vitro studies demonstrated that, upon infection, Mycoplasma suppresses the transcriptional activity of p53, key protein in the cancer suppression. As a consequence, infected cells were less susceptible to apoptosis and proliferated more than the uninfected cells. The mechanism(s) responsible for the Mycoplasma-induced inhibitory effect on p53 were not determined. Aim of the second part of this thesis was to better understand the tumorigenic role of the microorganism, by investigating more in details the effect(s) of Mycoplasma on p53 activity in an adenocarcinoma HCT116 cell line. Treatment of Mycoplasma-infected cells with 5FU or with Nutlin, two molecules that induce p53 activity, resulted in cellular proliferation comparable to untreated controls. These results suggested that Mycoplasma infection inhibited p53 activity. Immunoprecipitation of p53 with specific antibodies, and subsequent Gas Chromatography and Mass Spectroscopy (GC-MS) assays, allowed us to identify several Mycoplasma-specific proteins interacting with p53, such as DnaK, a prokaryotic heat shock protein and stress inducible chaperones. In cells transfected with DnaK we observed i) reduced p53 protein levels; ii) reduced activity and expression of p21, Bax and PUMA, iii) a marked increase in cells leaving G1 phase. Taken together, these data show an interaction between the human p53 and the Mycoplasma protein DnaK, with the consequent decreased p53 activity and decreased capability to respond to DNA damage and prevent cell proliferation. Our data indicate that Mycoplasma could be involved in cancer formation and the mechanism(s) has the potential to be a target for cancer diagnosis and treatment(s).