Biochemical characterization and DNA binding properties of the MocR family member GabR, a PLP-dependent transcription factor

GabR è un fattore di trascrizione chimerico appartenente alla famiglia dei MocR/GabR, costituito da un dominio N-terminale elica-giro-elica di legame al DNA e un dominio effettore e/o di oligomerizzazione al C-terminale. I due domini sono connessi da un linker flessibile di 29 aminoacidi. Il dominio C-terminale è strutturalmente omologo agli enzimi aminotransferasici fold-type I, i quali, utilizzando il piridossal-5’-fosfato (PLP) come cofattore, sono direttamente coinvolti nel metabolismo degli aminoacidi. L’interazione contemporanea di PLP e acido γ-aminobutirrico (GABA) a GabR fa sì che questa promuova la trascrizione di due geni, gabT e gabD, implicati nel metabolismo del GABA. GabR cristallizza come un omodimero con una configurazione testa-coda. Il legame con la regione promotrice gabTD avviene attraverso il riconoscimento specifico di due sequenze dirette e ripetute (ATACCA), separate da uno spacer di 34 bp. In questo studio sono state indagate le proprietà biochimiche, strutturali e di legame al DNA della proteina GabR di Bacillus subtilis. L’analisi spettroscopica dimostra che GabR interagisce con il PLP formando l’aldimina interna, mentre in presenza di GABA si ottiene l’aldimina esterna. L’interazione fra il promotore gabTD e le forme holo e apo di GabR è stata monitorata mediante Microscopia a Forza atomica (AFM). In queste due condizioni di legame è stata stimata una Kd di circa 40 ηM. La presenza di GABA invece, determinava un incremento di circa due volte della Kd, variazioni strutturali nei complessi GabR-DNA e una riduzione del compattamento del DNA alla proteina, indipendentemente dalla sequenza del promotore in esame. Al fine di valutare il ruolo delle caratteristiche topologiche del promotore, sono state inserite cinque e dieci bp all’interno della regione spacer che separa le due sequenze ripetute dirette riconosciute da GabR. I significativi cambiamenti topologici riscontrati nel frammento aggiunto di cinque bp si riflettono anche sulla forte riduzione dell’affinità di legame verso la proteina. Al contrario, l’inserzione di 10 bp provoca solamente l’allontanamento delle sequenze ripetute dirette. L’assenza quindi di cambiamenti significativi nella topologia di questo promotore fa sì che l’affinità di legame per GabR rimanga pressoché inalterata rispetto al promotore non mutato. L’analisi del potenziale elettrostatico superficiale di GabR mostra la presenza di una fascia carica positivamente che si estende lungo un’intera faccia della proteina. Per verificare l’importanza di questa caratteristica di GabR nel meccanismo di interazione al DNA, sono stati preparati ed indagati i mutanti R129Q e K362-366Q, in cui la carica positiva superficiale risultava indebolita. L’affinità di legame dei mutanti di GabR per il DNA era inferiore rispetto alla proteina non mutata, in particolar modo nel mutante K362-366Q. Le evidenze acquisite suggeriscono che la curvatura intrinseca del promotore ed il corretto orientamento delle sequenze sulla doppia elica, più della distanza che le separa, siano critici per sostenere l’interazione con GabR. Oltre a questo, la superficie positiva di GabR è richiesta per accomodare la curvatura del DNA sul corpo della proteina. Alla luce di questo, l’interazione GabR-gabTD è un esempio di come il riconoscimento specifico di sequenze, la topologia del DNA e le caratteristiche strutturali della proteina siano contemporaneamente necessarie per sostenere un’interazione proteina-DNA stabile.

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).