Generatie van null-mutanten om de rol van bacteriële glycosyltransferasen in bacteriële motiliteit op te helderen

Eiwitglycosylatie is beschreven in zowel Gram-positieve als Gram-negatieve bacteriën en bestaat uit de covalente hechting van een glycaan aan een aminozuurzijketen ^1,2. Bij prokaryoten vindt dit proces meestal plaats via twee belangrijke enzymatische mechanismen: O- es N-glycosylatie ³. Bij O-glycosylatie is de glycaan bevestigd aan de hydroxylgroep van een serine (Ser) of threonine (Thr) residu. Bij N-glycosylatie is de glycaan bevestigd aan de zijketenamidestikstof van een asparagine (Asn) residu binnen de tripeptidesequenties Asn-X-Ser/Thr, waarbij X elk aminozuur kan zijn behalve proline.

Glycanen kunnen lineaire of vertakte structuren aannemen en zijn samengesteld uit monosachariden of polysacchariden die covalent verbonden zijn door glycosidische bindingen. In prokaryoten vertonen glycanen meestal diversiteit in suikersamenstelling en -structuur in vergelijking met eukaryote glycanen⁴. Verder zijn twee verschillende bacteriële glycosylatieroutes beschreven die verschillen in de manier waarop de glycaan wordt samengesteld en overgebracht naar het acceptoreiwit: sequentiële en en bloc glycosylatie ^5,6. Voor sequentiële glycosylatie wordt het complexe glycaan direct op het eiwit opgebouwd door opeenvolgende toevoeging van monosacchariden. Bij en bloc glycosylatie wordt een voorgeassembleerd glycaan door een gespecialiseerd oligosaccharyltransferase (OTase) overgebracht naar het eiwit van een lipide-gebonden oligosacharide. Van beide routes is aangetoond dat ze betrokken zijn bij N- en O-glycosylatieprocessen⁷.

Eiwitglycosylatie speelt een rol bij het moduleren van de fysisch-chemische en biologische eigenschappen van eiwitten. De aanwezigheid van een glycaan kan beïnvloeden hoe het eiwit interageert met zijn ligand, wat de biologische activiteit van het eiwit beïnvloedt, maar kan ook de eiwitstabiliteit, oplosbaarheid, gevoeligheid voor proteolyse, immunogeniciteit en microbe-gastheerinteracties beïnvloeden ^8,9. Verschillende glycosylatieparameters, zoals het aantal glycanen, de samenstelling, positie en het hechtingsmechanisme van glycanen, kunnen echter ook de eiwitfunctie en -structuur beïnvloeden.

Glycosyltransferasen (GT’s) zijn de belangrijkste enzymen in de biosynthese van complexe glycanen en glycoconjugaten. Deze enzymen katalyseren de glycosidische bindingsvorming tussen een suikergroep van een geactiveerd donormolecuul en een specifieke substraatacceptor. GT’s kunnen zowel nucleotiden als niet-nucleotiden gebruiken als donormoleculen en zich richten op verschillende substraatacceptoren, zoals eiwitten, sacchariden, nucleïnezuren en lipiden¹⁰. Daarom is het begrijpen van GT’s op moleculair niveau belangrijk om hun werkingsmechanismen en specificiteit te identificeren, en maakt het ook mogelijk om te begrijpen hoe de suikersamenstelling van glycanen die relevante moleculen wijzigen, gerelateerd is aan pathogeniciteit. De Carbohydrate Active enzyme database (CAZy)¹¹ classificeert GT’s op basis van hun sequentie homologie, wat een voorspellend hulpmiddel biedt omdat in de meeste GT-families de structurele vouw en werkingsmechanismen invariant zijn. Vier redenen maken het echter moeilijk om substraatspecificiteit van veel GT’s te voorspellen: 1) er is geen duidelijk sequentiemotief dat de substraatspecificiteit bepaalt bepaald in prokaryoten¹², 2) veel GT’s en OTases vertonen substraatpromiscuïteit ^13,14, 3) functionele GT’s zijn moeilijk te produceren in hoge opbrengst in recombinante vorm en 4) de identificatie van zowel donor- als acceptorsubstraten is complex. Desondanks hebben recente mutagenesestudies het mogelijk gemaakt om aanzienlijke vooruitgang te boeken in het begrip van katalytische mechanismen en het aftrekken van binding van GT’s.

Bij bacteriën lijkt O-glycosylatie vaker voor te komen dan N-glycosylatie. De O-glycosylatieplaatsen vertonen geen consensussequentie en veel van de O-geglycosyleerde eiwitten zijn uitgescheiden of celoppervlakeiwitten, zoals flagellinen, pili of autotransporters¹. Flagelline glycosylatie toont variabiliteit in het aantal acceptorplaatsen, glycaansamenstelling en structuur. Burkholderia spp flagellins hebben bijvoorbeeld slechts één acceptantensite, terwijl flagellins in Campylobacter jejuni maar liefst 19 acceptorsites hebben^15,16. Bovendien is de glycaan voor sommige bacteriën een enkele monosacharide, terwijl andere bacteriën heterogene glycanen bezitten die zijn aangetast door verschillende monosachariden om oligosachariden te vormen. Deze heterogeniciteit komt zelfs voor bij stammen van dezelfde soort. Helicobacter flagellinen worden alleen gewijzigd door pseudamininezuur (PseAc)¹⁷, en Campylobacter flagellinen kunnen worden gewijzigd door PseAc, de acetamidinovorm van het pseudamininezuur (PSEAm) of legionaminezuur (LegAm), en glycanen afgeleid van deze suikers met acetyl, N-acetylglucosamine of propionische substituties^18,19. In Aeromonas worden flagelliërs gemodificeerd door glycanen waarvan de samenstelling varieert van een enkel PseAc-zuurderivaat tot een heteropolysaccharide²⁰, en de aanhechting van glycanen aan de flagellinemonomeren verloopt altijd via een PseAc-derivaat.

Over het algemeen is glycosylatie van flagellinen essentieel voor de assemblage van flagellaire filamenten, motiliteit, virulentie en gastheerspecificiteit. Echter, terwijl flagellins van C. jejuni¹⁶, H. pylori^{17 es} Aeromonas sp. ²¹ kan niet tot filament worden samengevoegd tenzij de eiwitmonomeren zijn geglycosyleerd, Pseudomonas spp. es Burkholderia spp. ¹⁵ vereisen geen glycosylatie voor flagella-assemblage. Bovendien beïnvloeden bij sommige C. jejuni-stammen veranderingen in de suikersamenstelling van de flagella glycan de interactie tussen bacteriën en gastheer en kunnen ze een rol spelen bij het ontwijken van bepaalde immuunresponsen¹⁶. Autoagglutinatie is een ander fenotypisch kenmerk dat wordt beïnvloed door wijzigingen in de samenstelling van glycanen geassocieerd met flagellinen. Een lagere autoagglutinatie leidt tot een vermindering van het vermogen om microkolonies en biofilm te vormen²². Bij sommige bacteriën was het vermogen van flagella om een pro-inflammatoire reactie te veroorzaken gekoppeld aan flagelline glycosylatie. Dus, in P. aeruginosa, geglycosyleerde flagelline induceert een hogere pro-inflammatoire respons dan unglycosylated²³.

Aeromonas zijn Gram-negatieve bacteriën die alomtegenwoordig zijn in de omgeving, waardoor ze zich op het grensvlak van alle One Health-componenten ^{kunnen bevinden 24}. Mesofiele Aeromonas hebben een enkel polair flagellum, dat constitutief wordt geproduceerd. Meer dan de helft van de klinische isolaten drukt ook laterale flagelline uit, inducerend in media of platen met een hoge viscositeit. Verschillende studies hebben beide flagellatypen in verband gebracht met de vroege stadia van bacteriële pathogenese²⁵. Terwijl polaire flagelylen die tot nu toe zijn gemeld O-geglycosyleerd zijn op 5-8 Ser- of Thr-residuen van de centrale immunogene domeinen, zijn laterale flagellines niet O-geglycosyleerd in alle stammen. Hoewel polaire flagella glycanen van verschillende stammen diversiteit vertonen in hun koolhydraatsamenstelling en ketenlengte²⁰, is aangetoond dat de koppelende suiker een pseudamininezuurderivaat is.

Het doel van dit manuscript is om een methode te beschrijven om nulmutanten te verkrijgen in specifieke GT’s of chromosomale regio’s die GT’s bevatten om hun betrokkenheid bij de biosynthese van relevante polysacchariden en bacteriële pathogeniciteit te analyseren, evenals de rol van de glycaan zelf. Als voorbeeld identificeren en verwijderen we een chromosomaal gebied dat GT’s van Aeromonas bevat om zijn betrokkenheid bij polaire flagellineglycosylatie vast te stellen en de rol van de flagelline glycaan te analyseren. We laten zien hoe je een specifieke GT kunt verwijderen om zijn functie in de biosynthese van deze glycaan en de rol van gemodificeerde glycaan vast te stellen. Hoewel Aeromonas als voorbeeld wordt gebruikt, kan het principe worden gebruikt om flagellaglycosylatie-eilanden van andere Gram-negatieve bacteriën te identificeren en te bestuderen en de functie van GT’s te analyseren die betrokken zijn bij de biosynthese van andere glycanen zoals de O-antigeen lipopolysaccharide.