Crystal Structure and Identification of Two Key Amino Acids Involved in AI-2 Production and Biofilm Formation in Streptococcus suis LuxS
Creators
- 1. Henan University of Science and Technology
- 2. Shanghai Veterinary Research Institute
- 3. Chinese Academy of Agricultural Sciences
- 4. Nanjing Agricultural University
- 5. Luoyang Normal University
Description
Streptococcus suis has emerged as an important zoonotic pathogen that causes meningitis, arthritis, septicemia and even sudden death in pigs and humans. Quorum sensing is the signaling network for cell-to-cell communication that bacterial cells can use to monitor their own population density through production and exchange of signal molecules. S-Ribosylhomocysteinase (LuxS) is the key enzyme involved in the activated methyl cycle. Autoinducer 2 (AI-2) is the adduct of borate and a ribose derivative and is produced from S-adenosylhomocysteine (SAH). AI-2 can mediate interspecies communication and in some species facilitate the bacterial behavior regulation such as biofilm formation and virulence in both Gram-positive and Gram-negative bacteria. Here, we reported the overexpression, purification and crystallographic structure of LuxS from S. suis. Our results showed the catalytically active LuxS exists as a homodimer in solution. Inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS) revealed the presence of Zn2+ in LuxS. Although the core structure shares the similar topology with LuxS proteins from other bacterial species, structural analyses and comparative amino acid sequence alignments identified two key amino acid differences in S. suis LuxS, Phe80 and His87, which are located near the substrate binding site. The results of site-directed mutagenesis and enzymology studies confirmed that these two residues affect the catalytic activity of the enzyme. These in vitro results were corroborated in vivo by expression of the LuxS variants in a S. suis ΔluxS strain. The single and two amino acid of LuxS variant decreased AI-2 production and biofilm formation significantly compared to that of the parent strain. Our findings highlight the importance of key LuxS residues that influence the AI-2 production and biofilm formation in S.suis.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
ظهرت المكورات العقدية الخنزيرية كممرض حيواني المنشأ مهم يسبب التهاب السحايا والتهاب المفاصل وتسمم الدم وحتى الموت المفاجئ لدى الخنازير والبشر. استشعار النصاب هو شبكة الإشارات للاتصال من خلية إلى أخرى التي يمكن أن تستخدمها الخلايا البكتيرية لمراقبة كثافتها السكانية من خلال إنتاج وتبادل جزيئات الإشارة. S - Ribosylhomocysteinase (LuxS) هو الإنزيم الرئيسي المشارك في دورة الميثيل المنشط. المحفز التلقائي 2 (AI -2) هو مقرب البورات ومشتق الريبوز ويتم إنتاجه من S - adenosylhomocysteine (SAH). يمكن أن يتوسط AI -2 التواصل بين الأنواع وفي بعض الأنواع يسهل تنظيم السلوك البكتيري مثل تكوين الأغشية الحيوية والفوعة في كل من البكتيريا إيجابية الجرام وسالبة الجرام. هنا، أبلغنا عن التعبير المفرط والتنقية والبنية البلورية لـ LuxS من S. suis. أظهرت نتائجنا أن LuxS النشط حفازًا موجود كمحلول متجانس في المحلول. كشف قياس طيف كتلة البلازما المقترن حثيًا (ICP - MS) عن وجودZn2 + في LuxS. على الرغم من أن البنية الأساسية تشترك في طوبولوجيا مماثلة مع بروتينات LuxS من الأنواع البكتيرية الأخرى، إلا أن التحليلات الهيكلية ومحاذاة تسلسل الأحماض الأمينية المقارنة حددت اختلافين رئيسيين في الأحماض الأمينية في S. suis LuxS و Phe80 و His87، والتي تقع بالقرب من موقع ربط الركيزة. أكدت نتائج دراسات الطفرات وعلم الإنزيمات الموجهة نحو الموقع أن هاتين البقايا تؤثر على النشاط التحفيزي للإنزيم. تم تأكيد هذه النتائج في المختبر في الجسم الحي عن طريق التعبير عن متغيرات LuxS في سلالة S. suis ΔluxS. قلل الحمض الأميني المفرد واثنين من متغير لوكس من إنتاج AI -2 وتكوين الغشاء الحيوي بشكل كبير مقارنةً بالسلالة الأم. تسلط النتائج التي توصلنا إليها الضوء على أهمية بقايا لوكس الرئيسية التي تؤثر على إنتاج AI -2 وتكوين الأغشية الحيوية في S.suis.Translated Description (French)
Streptococcus suis est apparu comme un pathogène zoonotique important qui provoque la méningite, l'arthrite, la septicémie et même la mort subite chez les porcs et les humains. La détection de quorum est le réseau de signalisation pour la communication de cellule à cellule que les cellules bactériennes peuvent utiliser pour surveiller leur propre densité de population grâce à la production et à l'échange de molécules de signal. La S-Ribosylhomocystéinase (LuxS) est l'enzyme clé impliquée dans le cycle du méthyle activé. L'auto-inducteur 2 (AI-2) est l'adduit du borate et d'un dérivé du ribose et est produit à partir de S-adénosylhomocystéine (SAH). L'IA-2 peut médier la communication interspécifique et, chez certaines espèces, faciliter la régulation du comportement bactérien, comme la formation de biofilms et la virulence chez les bactéries à Gram positif et à Gram négatif. Ici, nous avons rapporté la surexpression, la purification et la structure cristallographique de LuxS de S. suis. Nos résultats ont montré que le LuxS catalytiquement actif existe en tant qu'homodimère en solution. La spectrométrie de masse plasma à couplage inductif (ICP-MS) a révélé la présence de Zn2+ dans LuxS. Bien que la structure du noyau partage la même topologie avec les protéines LuxS d'autres espèces bactériennes, des analyses structurelles et des alignements comparatifs de séquences d'acides aminés ont identifié deux différences d'acides aminés clés chez S. suis LuxS, Phe80 et His87, qui sont situées près du site de liaison du substrat. Les résultats des études de mutagenèse dirigée et d'enzymologie ont confirmé que ces deux résidus affectent l'activité catalytique de l'enzyme. Ces résultats in vitro ont été corroborés in vivo par l'expression des variants LuxS dans une souche S. suis ΔluxS. L'acide aminé unique et deux de la variante LuxS ont diminué la production d'AI-2 et la formation de biofilm de manière significative par rapport à celle de la souche mère. Nos résultats soulignent l'importance des principaux résidus LuxS qui influencent la production d'AI-2 et la formation de biofilm chez S.suis.Translated Description (Spanish)
Streptococcus suis se ha convertido en un importante patógeno zoonótico que causa meningitis, artritis, septicemia e incluso muerte súbita en cerdos y humanos. La detección de quórum es la red de señalización para la comunicación de célula a célula que las células bacterianas pueden usar para monitorear su propia densidad de población a través de la producción e intercambio de moléculas de señal. La S-ribosilhomocisteinasa (LuxS) es la enzima clave involucrada en el ciclo de metilo activado. El autoinductor 2 (AI-2) es el aducto de borato y un derivado de ribosa y se produce a partir de S-adenosilhomocisteína (SAH). AI-2 puede mediar en la comunicación entre especies y, en algunas especies, facilitar la regulación del comportamiento bacteriano, como la formación de biopelículas y la virulencia en bacterias Gram-positivas y Gram-negativas. Aquí, informamos la sobreexpresión, purificación y estructura cristalográfica de LuxS de S. suis. Nuestros resultados mostraron que el LuxS catalíticamente activo existe como un homodímero en solución. La espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) reveló la presencia de Zn2+ en LuxS. Aunque la estructura central comparte la topología similar con las proteínas LuxS de otras especies bacterianas, los análisis estructurales y las alineaciones comparativas de secuencias de aminoácidos identificaron dos diferencias clave de aminoácidos en S. suis LuxS, Phe80 e His87, que se encuentran cerca del sitio de unión al sustrato. Los resultados de los estudios de mutagénesis dirigida y enzimología confirmaron que estos dos residuos afectan la actividad catalítica de la enzima. Estos resultados in vitro se corroboraron in vivo mediante la expresión de las variantes LuxS en una cepa de S. suis ΔluxS. El aminoácido único y dos de la variante LuxS disminuyeron la producción de AI-2 y la formación de biopelícula significativamente en comparación con la de la cepa original. Nuestros hallazgos resaltan la importancia de los residuos clave de LuxS que influyen en la producción de AI-2 y la formación de biopelículas en S.suis.Files
journal.pone.0138826&type=printable.pdf
Files
(894.8 kB)
Name | Size | Download all |
---|---|---|
md5:1cbf2f1c30ed9bff64403d24318499a2
|
894.8 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- التركيب البلوري وتحديد اثنين من الأحماض الأمينية الرئيسية المشاركة في إنتاج AI -2 وتكوين الأغشية الحيوية في المكورات العقدية الخنزيرية لوكس
- Translated title (French)
- Structure cristalline et identification de deux acides aminés clés impliqués dans la production d'AI-2 et la formation de biofilms chez Streptococcus suis LuxS
- Translated title (Spanish)
- Estructura cristalina e identificación de dos aminoácidos clave involucrados en la producción de AI-2 y la formación de biopelículas en Streptococcus suis LuxS
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2100414911
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0138826
References
- https://openalex.org/W1540831482
- https://openalex.org/W1601316908
- https://openalex.org/W160908731
- https://openalex.org/W1972435034
- https://openalex.org/W1975409716
- https://openalex.org/W1975459052
- https://openalex.org/W1978031502
- https://openalex.org/W1986172983
- https://openalex.org/W1991127421
- https://openalex.org/W2000106451
- https://openalex.org/W2011457389
- https://openalex.org/W2014219943
- https://openalex.org/W2037655368
- https://openalex.org/W2038840577
- https://openalex.org/W2044672624
- https://openalex.org/W2056932987
- https://openalex.org/W2062877356
- https://openalex.org/W2084947014
- https://openalex.org/W2112411547
- https://openalex.org/W2113482183
- https://openalex.org/W2137724540
- https://openalex.org/W2144081223
- https://openalex.org/W2144111851
- https://openalex.org/W2144640625
- https://openalex.org/W2146080841
- https://openalex.org/W2171410721