Identificación y caracterización de una proteína de unión al gen icaA y evaluación de su potencial participación en la formación de biofilm en Staphylococcus aureus

Abstract

Resumen: El biofilm es definido como una comunidad microbiana altamente estructurada, compleja, inmersas dentro de una matriz de biopolímeros y adheridas a un sustrato o interfase inerte o viviente. Las bacterias dentro del biofilm están protegidas del ataque del sistema inmune del hospedero, de los antibióticos y otros agentes antimicrobianos. Staphylococcus aureus es una bacteria Gram positiva considerada como un patógeno oportunista, ya que hace parte del microbioma humano pero tiene la capacidad de causar infecciones. Esta bacteria genera un gran impacto en la salud pública mundial, ya que es el cuarto microorganismo recuperado de infecciones de pacientes hospitalizados. Adicionalmente, S. aureus tiene la capacidad de formar biofilm sobre diferentes superficies, incluyendo implantes médicos. El biofilm en S. aureus es producido por el operón ica, el cual está conformado por los genes icaA, icaB, icaC e icaD, que codifican las enzimas relacionadas con la producción del polisacárido de adhesión intercelular (PIA), componente principal de la matriz extracelular del biofilm en este microorganismo. En trabajos realizados previamente en el Laboratorio de Genética Molecular Bacteriana (LGMB) de la Universidad el Bosque se determinó la existencia de una región dentro del gen icaA altamente conservada en varias especies de Staphylococcus spp y que además contiene una secuencia palindrómica. Además existen indicios de proteínas que se unen de manera específica a esta secuencia palindrómica. El objetivo de este estudio fue identificar y caracterizar una proteína de unión a esta secuencia palindrómica del gen icaA y determinar su posible participación en la formación del biofilm en S. aureus. A partir de ensayos de retardamiento en gel y un proceso de purificación basado en cromatografía de proteínas de alta resolución se logró establecer la existencia de dos proteínas que reconocen esta secuencia palindrómica, SarX y una proteína hipotética, previamente no descrita. Ya se ha determinado que SarX tiene la habilidad para unirse al gen icaA. Sin embargo, la proteína hipotética correspondió a un ortólogo de la proteína YheA de Bacillus subtilis y además contiene un dominio denominado com_ylbF, el cual también está presente en las proteínas YlbF y YmcA de esta misma bacteria. Adicionalmente, se realizó un análisis estructural “in silico” de la proteína YheA, y de las proteínas YlbF y YmcA de S. aureus y B. subtilis. Modelos tridimensionales (3D) de las tres proteínas fueron construidos usando los programas I-TASSER y Quark. A partir de este análisis dos nuevas características de YheA, YlbF y YmcA fueron encontradas: una estructura 3D altamente conservada, a pesar de sus bajos porcentajes de identidad 16% y la presencia de un motivo putativo específico de cada proteína localizado dentro del dominio com_ylbF. Esta proteína YheA tiene un alto contenido de glutamina (13,2%), a nivel general y en su motivo putativo (QQKQMQ), lo cual sugiere que este aminoácido podría estar participando en la función de la proteína. Basados en estos hallazgos, se sugiere renombrar YheA como proteína rica en glutamina o Qrp (por su nombre en inglés Glutamine-rich protein) en S. aureus. Usando ensayos de mutagénesis dirigida, la deleción del gen yheA/qrp, que codifica para la proteína Qrp/YheA, produce una disminución en la formación del biofilm y un aumento en la hemólisis de eritrocitos por S. aureus. Estos resultados señalan que S. aureus posee una nueva familia de proteínas que contienen el dominio com_ylbF, de las cuales una de ellas, Qrp/YheA, está participando en la formación de biofilm a través de una interacción, directa o indirecta, con una secuencia palindrómica presente dentro del gen icaA.

Abstract: The biofilm is a complex and high structured microbial community, which is immersed within a matrix composed of biopolymers with ability to adhere to inert or living substrates. The bacteria within the biofilm are protected the host defenses, antibiotics and other antimicrobial compounds. Staphylococcus aureus is a Gram positive bacterium, an opportunistic pathogen that generates a high clinic impact in the public health due to that it is the fourth bacterium recovered from infections in hospitalized patients. In addition, S. aureus has the ability to form biofilm on different substrates, including medical implants. The biofilm in S. aureus is produced by ica operon, which is composed for the icaA, icaB, icaC and icaD genes, encoding the enzymes responsible for the Polysaccharide Intercellular Adhesin (PIA) synthesis, principal biopolymer of the biofilm. In previous studies performed in the Laboratorio de Genetica Molecular Bacteriana of the Universidad El Bosque, a high conserved region was identified within icaA gene of the several Staphylococcal species, and interestingly, this region contained a palindromic sequence. There are experimental evidences that suggest the existence of proteins that recognize specifically this palindromic sequence. For these reasons, the objective of this study was to identify and to characterize one protein that recognizes this palindromic sequence and to establish whether it participates in the biofilm formation in S. aureus. Using Electrophoretic Mobility Shift Assay (EMSA) and FPLC-based protein purification, we achieve to identify two proteins that recognize this palindromic sequence, SarX and a hypothetical protein, which has not been previously described. It is known that SarX protein has the ability for binding to icaA gene. However, the hypothetical protein was an ortholog of the YheA protein of Bacillus subtilis and it contains the com_ylbF domain, which has also been identified in the proteins YlbF and YmcA in this same bacterium. Then, we performed an “in silico” structural analysis of the YheA protein, as well as the YlbF and YmcA. Three-dimensional (3D) models of these three proteins, in both S. aureus and B. subtilis, were built using the I-TASSER and Quark programs. From these analysis two new and important characteristics for YheA, YlbF and YmcA were found: a highly conserved 3D structure (despite their low amino acid identity, 16%) and the presence of a putative conserved motif located in the central region of the domain, which could be involved in its function. The YheA protein has a high content of glutamine (13.2%), even within its putative motif (QQKQMQ), which suggests that this amino acid could to be participating in the protein function. Based on these findings, we suggest renaming YheA as glutamine-rich protein (Qrp) in S. aureus. Interestingly, the yheA/qrp gene deletion in the S. aureus genome produces a decrease in the biofilm formation but an increase in the red blood cells hemolysis. Our results indicate that S. aureus possesses a new protein family that contain the com_ylbF domain, and that least one of these, Qrp/YheA, is participating in the biofilm formation through either direct or indirect interaction with a palindromic sequence located within the icaA gene.