TonB-dependent outer-membrane proteins and siderophore utilization in Pseudomonas fluorescens Pf-5

The soil bacterium Pseudomonas fluorescens Pf-5 produces two siderophores, a pyoverdine and enantio-pyochelin, and its proteome includes 45 TonB-dependent outer-membrane proteins, which commonly function in uptake of siderophores and other substrates from the environment. The 45 proteins share the conserved beta-barrel and plug domains of TonB-dependent proteins but only 18 of them have an N-terminal signaling domain characteristic of TonB-dependent transducers (TBDTs), which participate in cell-surface signaling systems. Phylogenetic analyses of the 18 TBDTs and 27 TonB-dependent receptors (TBDRs), which lack the N-terminal signaling domain, suggest a complex evolutionary history including horizontal transfer among different microbial lineages. Putative functions were assigned to certain TBDRs and TBDTs in clades including well-characterized orthologs from other Pseudomonas spp. A mutant of Pf-5 with deletions in pyoverdine and enantio-pyochelin biosynthesis genes was constructed and characterized for iron-limited growth and utilization of a spectrum of siderophores. The mutant could utilize as iron sources a large number of pyoverdines with diverse structures as well as ferric citrate, heme, and the siderophores ferrichrome, ferrioxamine B, enterobactin, and aerobactin. The diversity and complexity of the TBDTs and TBDRs with roles in iron uptake clearly indicate the importance of iron in the fitness and survival of Pf-5 in the environment.

Determination of the stability constants of mercury(II) complexes of mixed donor macrobicyclic encapsulating ligands

The reactions of mercury(II) with the mixed donor encapsulating ligands 3,6,16-trithia-6,11,19-triazabicyclo[6.6.6]icosane (AMN(3)S(3)sar) and 1-amino-8-methyl-6,19-dithia-3,10,13,16-tetraazabicyclo[6.6.6]icosane (AMN(4)S(2)sar) have been studied. NMR ligand-ligand competition experiments with the ligands 1,4,8,11-tetraazaeyclotetradecane ([14]aneN(4)), 1-thia-4,7,10-triazacyclododecane ([12]aneN(3)S) and ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) with AMN(3)S(3)sar and Hg(II) indicated that [14]aneN(4) would be an appropriate competing ligand for the, determination of the Hg(II) stability constant. Calculations indicated the ratio of concentrations of AMN3S3sar, [14]aneN(4) and Hg(II) required for the determination of the stability constant ranged from 1:1:1 to 1:5:1. Refinement of the titration curves yielded log(10)K[Hg(AMN(3)S(3)sar)](2+) = 17.7. A similar competition titration resulted in the determination of the stability constant for the AMN(4)S(2)sar system as log(10)K[Hg(AMN(4)S(2)sar)](2+) = 19.5. The observed binding constants for the mixed N/S donor systems and the hexaaza analogues sar (3,6,10,13,16,19-hexaazabicyclo [6.6.6]icosane) and diamsar (1,8-diamino-3,6,10,13,16,19 -hexazabicyclo [6.6.6] icosane (log(10)K-[Hg(diamsar)](2+) = 26.4; log(10)K[Hg(sar)](2+) = 28.1) differ by approximately ten orders of magnitude. The difference is ascribed not to a cryptate effect but to a mismatch in the Hg-N and Hg-S bond lengths in the N/S systems.

Caractérisation du système d’acquisition de fer codé par le locus iro chez Salmonella enterica sérovar Typhi

Le fer est un élément essentiel pour les bactéries. Puisqu’elles ne peuvent le synthétiser elles-mêmes, elles utilisent un ou plusieurs systèmes d’acquisition de fer afin de se le procurer dans l’environnement, ou chez l’hôte pour leurs propres métabolismes. Différentes stratégies coexistent chez les bactéries pathogènes dues à la faible concentration de cet élément, autant chez l’hôte que dans l’environnement. Salmonella enterica sérovar Typhi (S. Typhi) est une entérobactérie Gram négative causant une maladie systémique, soit la fièvre typhoïde, qui est spécifique à l’homme. Les mécanismes de pathogènese de ce sérovar sont peu connus jusqu’à ce jour, puisque son tropisme pour l’humain empêche l’utilisation d’un modèle animal adéquat. L’objectif de cette recherche est de caractériser le système d’acquisition de fer chez S. Typhi encodé par le locus iro. Les gènes du locus, iroBCDEN ont fait l’objet de plusieurs recherches chez différents pathogènes, notamment E. coli et Salmonella Typhimurium. Bien qu’un rôle dans la virulence ait été établi pour ce locus chez ces bactéries, très peu d’informations sont disponibles quant au rôle chez S. Typhi, qui emprunte plutôt la voie systémique d’infection. Nous avons évalué le rôle de la synthèse, de l’exportation et de l’importation du sidérophore salmochéline, codé par les gènes iroBCDEN. En inactivant le locus puis par la suite les gènes de façon indépendante par échange allélique, il a été possible d’observer leurs implications in vitro lors d’infections de cellules humaines. Le rôle dans l’adhésion et l’invasion des cellules épithéliales ainsi que le rôle dans la phagocytose et la survie dans les macrophages ont donc été déterminés. De plus, le mécanisme de sécrétion par lequel la salmochéline peut traverser la membrane externe est inconnu à ce jour. La pompe à efflux TolC est responsable de la sécrétion de plusieurs molécules, y compris l’entérobactine, un sidérophore analogue à la salmochéline. Par mutagénèse, nous avons effectué un mutant de délétion tolC afin de vérifier son implication dans l’interaction avec les cellules épithéliales et les macrophages. Afin de caractériser in vitro les mutants, nous avons effectué des courbes de croissance dans différents milieux. La sensibilité au peroxyde d’hydrogène a été vérifiée par la suite, puis dû aux résultats d’infections, la mobilité de la souche ΔtolC a été évaluée. Ces différents tests nous ont permis de mieux comprendre l’implication du locus iro, de ses composantes et de la pompe à efflux TolC lors de l’interaction avec les cellules cibles d’une infection systémique causée par Salmonella Typhi.

Rôle du régulateur Fur et des petits ARN non codants RfrA et RfrB dans l’homéostasie du fer et la virulence de Salmonella

La régulation de l’homéostasie du fer est cruciale chez les bactéries. Chez Salmonella, l’expression des gènes d’acquisition et du métabolisme du fer au moment approprié est importante pour sa survie et sa virulence. Cette régulation est effectuée par la protéine Fur et les petits ARN non codants RfrA et RfrB. Le rôle de ces régulateurs est d’assurer que le niveau de fer soit assez élevé pour la survie et le métabolisme de Salmonella, et assez faible pour éviter l’effet toxique du fer en présence d’oxygène. Les connaissances concernant le rôle de ces régulateurs ont été principalement obtenues par des études chez S. Typhimurium, un sérovar généraliste causant une gastro-entérite chez les humains. Très peu d’informations sont connues sur le rôle de ces régulateurs chez S. Typhi, un sérovar humain-spécifique responsable de la fièvre typhoïde. Le but de cette étude était de déterminer les rôles de Fur, RfrA et RfrB dans l’homéostasie du fer et la virulence de Salmonella, et de démontrer qu’ils ont une implication distincte chez les sérovars Typhi et Typhimurium. Premièrement, Fur, RfrA et RfrB régulent l’homéostasie du fer de Salmonella. Les résultats de cette étude ont démontré que Fur est requis pour la résistance au stress oxydatif et pour une croissance optimale dans différentes conditions in vitro. La sensibilité du mutant fur est due à l’expression des petits ARN RfrA et RfrB, et cette sensibilité est beaucoup plus importante chez S. Typhi que chez S. Typhimurium. Également, Fur inhibe la transcription des gènes codant pour les sidérophores en conditions riches en fer, tandis que les petits ARN RfrA et RfrB semblent être importants pour la production d’entérobactine et de salmochélines chez S. Typhi lors de conditions pauvres en fer. Ensuite, ces régulateurs affectent la virulence de Salmonella. Fur est important pour la motilité de Salmonella, particulièrement chez S. Typhi. Fur est nécessaire pour l’invasion des deux sérovars dans les cellules épithéliales, et pour l’entrée et la survie de S. Typhi dans les macrophages. Chez S. Typhimurium, Fur ne semble pas impliqué dans l’interaction avec les macrophages. De plus, les petits ARN RfrA et RfrB sont importants pour la multiplication intracellulaire de Salmonella dans les macrophages pour les deux sérovars. Finalement, la protéine Fur et les petits ARN RfrA et RfrB régulent l’expression de l’opéron fimbriaire tcf, absent du génome de S. Typhimurium. Un site de liaison putatif de la protéine Fur a été identifié dans la région promotrice de tcfA chez S. Typhi, mais une régulation directe n’a pas été confirmée. L’expression de tcf est induite par le fer et par Fur, et est inhibée par les petits ARN RfrA et RfrB. Ainsi, ces régulateurs affectent des gènes de virulence qui sont retrouvés spécifiquement chez S. Typhi. En somme, ce projet a permis de démontrer que les régulateurs de l’homéostasie du fer de Salmonella peuvent affecter la résistance de cette bactérie pathogène à différents stress, notamment le stress oxydatif, la croissance en conditions de carence en fer ainsi que la virulence. Ces régulateurs jouent un rôle distinct chez les sérovars Typhi et Typhimurium.

Comparative genome analysis provides insights into the evolution and adaptation of Pseudomonas syringae pv. aesculi on Aesculus hippocastanum.

A recently emerging bleeding canker disease, caused by Pseudomonas syringae pathovar aesculi (Pae), is threatening European horse chestnut in northwest Europe. Very little is known about the origin and biology of this new disease. We used the nucleotide sequences of seven commonly used marker genes to investigate the phylogeny of three strains isolated recently from bleeding stem cankers on European horse chestnut in Britain (E-Pae). On the basis of these sequences alone, the E-Pae strains were identical to the Pae type-strain (I-Pae), isolated from leaf spots on Indian horse chestnut in India in 1969. The phylogenetic analyses also showed that Pae belongs to a distinct clade of P. syringae pathovars adapted to woody hosts. We generated genome-wide Illumina sequence data from the three E-Pae strains and one strain of I-Pae. Comparative genomic analyses revealed pathovar-specific genomic regions in Pae potentially implicated in virulence on a tree host, including genes for the catabolism of plant-derived aromatic compounds and enterobactin synthesis. Several gene clusters displayed intra-pathovar variation, including those encoding type IV secretion, a novel fatty acid biosynthesis pathway and a sucrose uptake pathway. Rates of single nucleotide polymorphisms in the four Pae genomes indicate that the three E-Pae strains diverged from each other much more recently than they diverged from I-Pae. The very low genetic diversity among the three geographically distinct E-Pae strains suggests that they originate from a single, recent introduction into Britain, thus highlighting the serious environmental risks posed by the spread of an exotic plant pathogenic bacterium to a new geographic location. The genomic regions in Pae that are absent from other P. syringae pathovars that infect herbaceous hosts may represent candidate genetic adaptations to infection of the woody parts of the tree.

Raman, IR, UV-vis and EPR characterization of two copper dioxolene complexes derived from L-dopa and dopamine

The anionic complexes [Cu(L(1-))(3)](1-), L(-) = dopasemiquinone or L-dopasemiqui none, were prepared and characterized. The complexes are stable in aqueous solution showing intense absorption bands at ca. 605 nm for Cu(II)-L-dopasemiquinone and at ca. 595 nm for Cu(II)-dopasemiquinone in the UV-vis spectra, that can be assigned to intraligand transitions. Noradrenaline and adrenaline, under the same reaction conditions, did not yield Cu-complexes, despite the bands in the UV region showing that noradrenaline and adrenaline were oxidized during the process. The complexes display a resonance Raman effect, and the most enhanced bands involve ring modes and particularly the vCC + vCO stretching mode at ca. 1384 cm(-1). The free radical nature of the ligands and the oxidation state of the Cu(II) were confirmed by the EPR spectra that display absorptions assigned to organic radicals with g= 2.0005 and g = 2.0923, and for Cu(II) with g = 2.008 and g = 2.0897 for L-dopasemiquinone and dopasemiquinone, respectively. The possibility that dopamine and L-dopa can form stable and aqueous-soluble copper complexes at neutral pH, whereas noradrenaline and adrenaline cannot, may be important in understanding how Cu(II)-dopamine crosses the cellular membrane as proposed in the literature to explain the role of copper in Wilson disease. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Reaction of a model siderophore with Ni(II), Co(II) and Zn(II) in aqueous solution: Kinetics and spectroscopy

A spectroscopic study was performed showing that the [Fe(III)(L(2-))(2)](1-) (L(2-) = dopacatecholate) complex reacts with Ni(II), Co(II) and Zn(II) in an aqueous solution containing S(2)O(3)(2-) resulting in the soluble [M(L(1-))(3)](1-) (L(1-) = dopasemiquinone; M = Ni(II), Co(II) or Zn(II) complex species. The Raman and IR spectra of the [CTA][M(L(1-))(3)] complexes, CTA hexadecyltrimethylammonium cation, in the solid state were obtained. The kinetic constants for the metal substitution reactions were determined at four different temperatures, providing values for Delta W(not equal) Delta S(not equal) and Delta G(not equal). The reactions were slow (k = 10(-1)1 M s(-1)) and endothermic. The system investigated can be considered as a simplified model to explain some aspects of siderophore chemistry. (c) 2007 Elsevier Inc. All rights reserved.

Human Urinary Composition Controls Siderocalin's Antibacterial Activity.

During Escherichia coli urinary tract infections, cells in the human urinary tract release the antimicrobial protein siderocalin (SCN; also known as lipocalin 2, neutrophil gelatinase-associated lipocalin/NGAL, or 24p3). SCN can interfere with E. coli iron acquisition by sequestering ferric iron complexes with enterobactin, the conserved E. coli siderophore. Here we find that human urinary constituents can reverse this relationship, instead making enterobactin critical for overcoming SCN-mediated growth restriction. Urinary control of SCN activity exhibits wide ranging individual differences. We used these differences to identify elevated urinary pH and aryl metabolites as key biochemical host factors controlling urinary SCN activity. These aryl metabolites are well-known products of intestinal microbial metabolism. Together, these results identify an innate antibacterial immune interaction that is critically dependent upon individualistic chemical features of human urine.

Modeling iron-catecholates binding to NGAL protein

Neutrophil gelatinase associated lipocalin (NGAL) protein is attracting a great interest because of its antibacterial properties played upon modulating iron content in competition against iron acquisition processes developed by pathogenic bacteria that bind selective ferric iron chelators (siderophores). Besides its known high affinity to enterobactin, the most important siderophore, it has been recently shown that NGAL is able to bind Fe(III) coordinated by catechols. The selective binding of Fe(III)-catechol ligands to NGAL is here studied by using iron coordination structures with one, two, and three catecholate ligands. By means of a computational approach that consists of B3LYP/6-311G(d,p) quantum calculations for geometries, electron properties and electrostatic potentials of ligands, protein–ligand flexible docking calculations, analyses of protein–ligand interfaces, and Poisson–Boltzmann electrostatic potentials for proteins, we study the binding of iron catecholate ligands to NGAL as a central member of the lipocalin family of proteins. This approach provides a modeling basis for exploring in silico the selective binding of iron catecholates ligands giving a detailed picture of their interactions in terms of electrostatic effects and a network of hydrogen bonds in the protein binding pocket.