A new bacterial peptidoglycan peptidase LytU and insights into substrate recognition by lysostaphin family

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6502-2
Title: A new bacterial peptidoglycan peptidase LytU and insights into substrate recognition by lysostaphin family
Author: Raulinaitis, Vytautas
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences
Doctoral Programme in Microbiology and Biotechnology
Institute of Biotechnology
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-10-02
Language: en
Belongs to series: Dissertationes Schola Doctoralis Scientiae Circumiectalis, Alimentariae, Biologicae - URN:ISSN:2342-5431
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6502-2
http://hdl.handle.net/10138/319138
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Staphylococcus aureus is a pervasive pathogen, whose infections frequently result in serious medical complications and death. Its encounters are yet more perilous in clinical settings where professional care and financial resources alone do not suffice to ensure successful treatment results. The virulence of the bacteria is enforced by numerous cellular mechanisms that have allowed it to develop resistance to every drug used to this date. The bacterial cell wall (CW) is the primary line of defense, the most common target in treatment strategies, and is likely to remain the prioritized candidate for future therapeutic solutions. The main structural component of bacterial CW is peptidoglycan (PG) that forms protective layers. PG is administered by a large number of enzymes that are involved in its synthesis, maintenance, and cleavage. One family of enzymes, M23 peptidases, cleaves pentaglycine bridges that link chains of PG and are specific to S. aureus. These enzymes can be used by the bacteria to manage its own PG in a controlled manner or, alternatively, by hostile microorganisms and cause cell death. Therefore, M23 peptidases of S. aureus are important as potential targets for drugs as well as pharmacological tools themselves that are already employed by nature. Substrate recognizing SH3b domains enhance the effectiveness of M23 endopeptidases. Previous research had identified a putative M23 peptidase gene, transcription of which is upregulated under S. aureus exposure to compounds harmful to cell wall. We examined and characterized the product of the gene. The protein, which we named LytU, is an M23 family zinc-dependent enzyme that cleaves pentaglycine. It is anchored in plasma membrane and is extracytoplasmic, residing in a periplasm-like space. The physiological role of LytU is not confirmed, but evidence suggest it can recycle PG fragments and participate in daughter cell separation. A distinct feature of the enzyme is its ability to strongly bind a second zinc ion, which incapacitates catalytic residues. We propose that together with pH, the binding of second ion serves a regulatory function in situ. Solution structure of the LytU catalytic domain has been determined. Binding of substrate pentaglycine to catalytic M23 domain is very transient at least in vitro. The binding, nevertheless, is accomplished by SH3b domain of enzymes bearing it. Contrarily to previous beliefs, we found that SH3b domain binding to substrate is primarily driven by interactions with PG branching peptides, rather than by weaker interaction with pentaglycine. The binding of SH3b to substrate is independent of catalytic domain and it targets and binds the PG peptide moieties that are proximal to but different from the pentaglycine cleaved by catalytic domain. In summary, we have introduced and characterized a new M23 family endopeptidase, proposed a regulation mechanism, and changed the paradigm of substrate binding by M23 peptidases. Our results are expected to contribute to a better understanding of S. aureus physiology and provide means for the development of cures.Staphylococcus aureus on yleinen bakteeri, joka aiheuttaa usein vakavia, jopa hengenvaarallisia infektioita. Sairaalaympäristön ammattitaidosta tai hoitoon käytettävistä resursseista huolimatta infektioihin liittyy huomattava kuolleisuus. Bakteeri tuottaa useita mekanistisesti erilaisia virulenssitekijöitä, minkä seurauksena bakteeri on kehittänyt vastustuskyvyn kaikille nykyisille antibiooteille. Bakteerin soluseinä on sen ensisijainen suojautumiskeino. Soluseinä on myös tavallisin lääkehoidon kohde ja todennäköisesti jatkossa edelleen etusijalla lääkekehityksen kohteista. Bakteerin soluseinän päärakennekomponentti on peptidoglykaani, joka muodostaa bakteeria suojaavia kerroksia. Tätä peptidoglykaania tuottaa, ylläpitää ja hajottaa lukuisa joukko entsyymejä, kuten M23-entsyymiperheen peptidaasit, jotka pilkkovat S. aureus-bakteerille ominaisia, peptidoglykaaniketjuja yhdistäviä pentaglysiinisiltoja. Bakteerit voivat käyttää näitä entsyymejä oman soluseinänsä hallittuun ylläpitämiseen tai vaihtoehtoisesti aiheuttamaan kilpailevan mikro-organismin solukuoleman. Tämän takia S. aureus-bakteerin M23-peptidaasit ovat sekä merkittäviä lääkekehityksen kohteita että luonnossakin käytössä oleva farmakologinen työkalu. Substraatin tunnistava SH3b-domeeni tehostaa M23-endopeptidaasien vaikutusta. Aikaisempi tutkimus on tunnistanut mahdollisen M23-peptidaasigeenin, jonka transkriptio aktivoituu kun S. aureus altistuu soluseinää vahingoittaville yhdisteille. Me tutkimme ja karakterisoimme tämän geenituotteen. Proteiini, jonka nimesimme LytU:ksi, on M23-perheen sinkistä riippuvainen pentaglysiiniä pilkkova entsyymi. Se on ankkuroitunut solukalvoon ja on ekstrasytoplasminen, sijoittuen periplasman kaltaiseen tilaan. LytU:n fysiologista roolia ei ole varmistettu, mutta tutkimustulokset viittaavat tehtävään peptidoglykaanifragmenttien kierrätyksessä sekä tytärsolujen erottamisessa toisistaan. Entsyymille omaleimaista on sen kyky sitoa voimakkaasti toinen sinkki-ioni, minkä seurauksena entsyymin katalyyttiset histidiinit muuttuvat toimintakyvyttömiksi. Esitämme, että toisen sinkin sitominen ja pH yhdessä säätelevät entsyymiä in situ. Entsyymin katalyyttisen M23-domeenin sitoutuminen pentaglysiinisubstraattiin on hyvin lyhytaikaista ainakin in vitro. SH3b-domeenin sisältävien entsyymien ja substraatin välinen vuorovaikutus on kuitenkin todennettu. Toisin kuin aiemmin oletettiin, me osoitimme, että SH3b-domeenin sitoutumista substraattiin ohjaa ensisijaisesti sen voimakkaampi vuorovaikutus peptidoglykaanin haarapeptidien kanssa eikä niinkään heikompi vuorovaikutus pentaglysiinin kanssa. SH3b:n sitoutuminen substraattiin ei riipu katalyyttisesta domeenista ja se tunnistaa ja sitoutuu peptidoglykaanin peptidiosaan, joka on proksimaalinen, mutta eri kuin se pentaglysiini, jonka katalyyttinen domeeni pilkkoo. Yhteenvetona väitöskirjassa karakterisoitiin uusi M23-perheen entsyymi, ehdotettiin säätelymekanismi sekä muutettiin näkemystä M23-peptidaasien substraatin sitomisesta. Tuloksemme edistävät S. aureus-bakteerin fysiologian tuntemusta sekä tarjoavat keinoja hoidon kehittämiselle.
Subject: biochemistry
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
ANEWBACT.pdf 3.273Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record