A radical new paradigm for heme degradation in enteric pathogens

肠道病原体血红素降解的全新范例

基本信息

  • 批准号:
    9929890
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 3.45万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-07-15 至 2021-04-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

PROJECT SUMMARY For pathogens, the ability to acquire iron is critical and one of the best-understood indicators of virulence. Numerous pathogenic organisms take advantage of the abundance of heme in the host cell and the human diet as a source of essential iron. Until recently however, all of the known heme degrading enzymes required molecular oxygen for function. In this project, we will investigate the mechanism of anaerobic heme degradation in enterohemorrhagic E. coli (EHEC), a facultative anaerobic pathogen (e.g. O157:H7, which causes bloody diarrhea, hemolytic uremic syndrome, kidney failure and death). We recently found that the ChuW enzyme from EHEC catabolyzes heme and liberates iron under strictly anaerobic conditions. This newly identified anaerobic heme degradation enzyme is part of an important module of heme utilization proteins (ChuW, X, Y in E. coli) that is also found in other aggressive pathogens such as Vibrio cholerae. Identification and characterization of this new pathway in enteric pathogens provides an unexplored opportunity for developing novel antimicrobial compounds. In addition, the enzyme at the heart of this investigation (ChuW) is a radical SAM methyltransferase (RSMT); it utilizes a [4Fe-4S] cluster to generate a powerful radical species that facilitates the liberation of iron from heme through a methyl transfer reaction and chemical rearrangement of the porphyrin. ChuW is capable of methylating an otherwise unreactive sp2- hybridized carbon atom. Furthermore, ChuW is a member of the class C RSMTs, which are poorly understood but have already been shown to catalyze key reactions in the biosynthesis of novel compounds with antitumor and antibiotic properties. This work will provide new insight into this important class of RSMTs and how they control highly reactive radicals to facilitate specific chemical conversions in the biosynthesis of compounds including anti-microbial and anti-tumor agents. Using a multifaceted approach that combines traditional enzyme kinetics, rigorous spectroscopic techniques, and modern structural biology tools, we will characterize the mechanism of anaerobic heme degradation by ChuW, the properties of the anaerobic catabolites, and the interplay of two additional proteins with ChuW in the anaerobic degradation of heme as well as the transport and further reduction of the catabolites. The latter is important given recent work showing that heme degradation products play a vital role in regulation of heme flux and iron homeostasis in other aggressive pathogens. Our specific aims are to determine whether: ChuW catalyzes the liberation of iron from heme via a radical SAM methyltransferase mechanism (using 5'-dAdo• and resulting in formation of “anaerobilin”) (Aim 1); ChuX facilitates the chelation of the iron atom and delivery of “anaerobilin” to ChuY (Aim 3); and ChuY catalyzes the NADPH-dependent reduction of anaerobilin to “anaerorubin” (Aim 2). Our long term goal is to provide the necessary mechanistic insight to selectivity target the anaerobic heme degradation pathway, which appears to be specifically associated with a select set of aggressive, opportunistic, and pathogenic bacteria.
项目概要 对于病原体来说,获取铁的能力至关重要,也是最容易理解的毒力指标之一。 许多病原生物利用宿主细胞和人体中丰富的血红素 然而,直到最近,所有已知的血红素降解酶都需要饮食作为必需铁的来源。 在这个项目中,我们将研究厌氧血红素的作用机制。 肠出血性大肠杆菌 (EHEC) 的降解,这是一种兼性厌氧病原体(例如 O157:H7, 导致血性腹泻、溶血性尿毒症综合征、肾衰竭和死亡)。 来自 EHEC 的 ChuW 酶在严格厌氧条件下催化血红素并释放铁。 新发现的厌氧血红素降解酶是血红素利用的重要模块的一部分 蛋白质(大肠杆菌中的 ChuW、X、Y)也存在于其他侵袭性病原体(例如霍乱弧菌)中。 肠道病原体中这一新途径的鉴定和表征提供了一个未经探索的途径 此外,酶是开发新型抗菌化合物的机会。 研究 (ChuW) 是一种自由基 SAM 甲基转移酶 (RSMT);它利用 [4Fe-4S] 簇生成 强大的自由基物质,通过甲基转移反应促进铁从血红素中释放, ChuW 的化学重排能够甲基化原本不反应的 sp2-。 此外,ChuW 是 C 类 RSMT 的成员,目前对其了解甚少。 但已被证明可以催化抗肿瘤新型化合物生物合成中的关键反应 这项工作将为这一类重要的 RSMT 及其如何发挥作用提供新的见解。 控制高活性自由基以促进化合物生物合成中的特定化学转化 包括抗微生物剂和抗肿瘤剂,采用结合传统的多方面方法。 酶动力学、严格的光谱技术和现代结构生物学工具,我们将表征 ChuW 厌氧血红素降解机制、厌氧分解代谢物的特性以及 两种附加蛋白质与 ChuW 在血红素厌氧降解以及运输中的相互作用 鉴于最近的研究表明血红素,进一步减少分解代谢物非常重要。 降解产物在其他侵袭性疾病中血红素通量和铁稳态的调节中发挥着至关重要的作用 我们的具体目标是确定: ChuW 是否通过催化从血红素中释放铁。 激进的 SAM 甲基转移酶机制(使用 5'-dAdo• 并导致“厌氧蛋白”的形成)(目标 1); ChuX 促进铁原子的螯合并将“厌氧素”递送至 ChuY(目标 3); 催化 NADPH 依赖性厌氧素还原为“厌氧红素”(目标 2)。 为选择性靶向厌氧血红素降解途径提供必要的机制见解,该途径 似乎与一组选定的侵袭性、机会性和致病性细菌有特定的相关性。

项目成果

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