Functional characterization of a new antioxidant protein: Ohr (Organic Hydroperoxide Resistance Protein). Pathways of reduction and expression in Xylella fastidiosa

Xylella fastidiosa é uma bactéria gram-negativa, colonizadora do xilema de plantas economicamente importantes, sendo responsável por diversas patogenias como a doença de Pierce em videiras e a clorose variegada dos citros (CVC). Plantas, ao serem infectadas por patógenos, dispõem de um maquinário de defesa que inclui a geração de espécies reativas de oxigênio (ROS). Peróxidos de lipídios podem ser formados pelo ataque de ROS à membrana bacteriana ou pela ação de lipoxigenases. O sistema da AhpR (alquil hidroperóxido redutase) foi inicialmente caracterizado como o principal responsável pela defesa contra hidroperóxidos orgânicos em bactéria. Recentemente, foi descrito um gene em muitas bactérias patógenas no qual a sua deleção conferia a célula uma maior susceptibilidade a hidroperóxidos orgânicos, mas não a H2O2 ou a geradores de superóxido (Mongkolsuk et al., 1998 e Ochsner et al., 2001). Por esta razão, este gene foi denominado ohr (organic hydroperoxide resistance gene). O objetivo desse trabalho foi caracterizar funcionalmente a proteína ohr de X. fastidiosa. Inicialmente, demonstramos que ohr possui atividade peroxidase dependente de tiól sendo que sua capacidade de reagir com hidroperóxidos é devida á presença de um par de cisteínas conservadas em seu sítio ativo. Também mostramos que ohr possui um enovelamento alfa/beta único, não observado nas estruturas de outras peroxidases dependentes de tiól como peroxirredoxinas e glutationa peroxidases. Análises do sítio ativo de ohr mostraram que seus prováveis substratos são moléculas hidrofóbicas e alongadas. Corroborando esta hipótese, demonstramos que enzimas lipoiladas, classicamente relacionadas com o metabolismo intermediário, interagem física e funcionalmente com ohr, enquanto que os sistemas tiorredoxina e glutationa, classicamente relacionados a tióis peroxidases, não sustentam a atividade peroxidásica de ohr. Este resultado representa a primeira descrição de uma peroxidase que é diretamente reduzida por grupos lipóicos de enzimas. Também fornecemos evidências que indicam que ohr atua na redução de hidroperóxidos derivados de ácidos graxos insaturados. De fato, análise cinética de estado estacionário por bi substrato mostra que ohr decompõem hidroperóxidos orgânicos com alta eficiência (kcat/KM ~ 106M-1.s1) através de um mecanismo ping-pong, sendo aproximadamente dez mil vezes mais eficiente do que na presença de H2O2. Esses dados em conjunto mostram que ohr é central na resposta bacteriana contra o estresse induzido por hidroperóxidos orgânicos, mas não por H2O2 e define uma nova classe de enzimas antioxidantes com propriedade únicas: peroxidases dependentes de grupos lipóicos. Outro objetivo desse trabalho foi estudar a via de regulação gênica de ohr em Xylella fastidiosa. Na maioria dos organismos, ohr é regulada por uma proteína repressora denominada ohrR (Sukchawalit et al., 2001), mas em algumas bactérias foi descrito que a expressão de ohr era regulada positivamente por um fator sigma alternativo (σE) de função extra citoplasmática (Gourion et al., 2008). Nossos resultados mostraram que ohr de X. fastidiosa não está sob controle de nenhuma dessas proteínas, sendo provavelmente expressa constitutivamente. Análises por northern blot não mostraram alterações nos níveis de ohr em células submetidas a estresse oxidativo ou etanólico. Esses resultados, ainda que preliminares, indicam que possivelmente o controle da expressão gênica de ohr em X. fastidiosa é distinto daqueles descritos até o momento na literatura para outras bactérias.Xylella fastidiosa is a gram-negative bacterium, which colonizes the xylem from economically important plants, being responsible for several diseases such as Pierce disease (PD) in gravepines and citrus variegated clorosis (CVC). Plants, when infected by pathogens, are able to defend themselves through several mechanisms which include the generation of reactive oxygen species (ROS). Lipid hydroperoxides can be generated from the attack of ROS to the bacterial membrane or by the action of lipoxygenases. The alkyl hydroperoxide reductase system (AhpR) was initially characterized as the main responsible for the detoxification of organic hydroperoxides in bacteria. Recently, it was also characterized another gene in many pathogenic bacteria, whose deletion renders cells susceptibility to organic hydroperoxide treatments but not by H2O2 or by superoxide generators (Mongkolsuk et al., 1998 and Ochsner et al., 2001). For this reason, it was named ohr (organic hydroperoxide resistance gene). The goal of this work was to functionally characterize ohr, the product of ohr gene from Xylella fastidiosa. Initially, we demonstrated that ohr possesses Cys-based thiol-dependent peroxidase activity. Later, we showed that ohr possesses a unique alpha/beta fold not observed in the structures of other thiol peroxidases such as peroxiredoxins and glutathione peroxidases. Analyses of ohr active site showed that its likely substrates are elongated and hydrophobic molecules. Furthermore, we showed that lipoylated enzymes, classically related with the intermediary metabolism, interacts physically and functionally with ohr while classical thiol-dependent pathways, such as thioredoxin and glutathione, failed to support ohr activity. This finding represents the first evidence of a peroxidase that is directly reduced by lipoyl groups of enzymes. Also, we obtained evidences indicating that ohr acts in the detoxification of peroxides derived from unsaturated fatty acids. In fact, steady-state kinetics using bi-substrate analysis showed that ohr decomposes organic peroxides with high efficiency (kcat/KM ~ 106 M-1.s-1 through a ping-pong mechanism, at least ten thousand times more efficiently than hydrogen peroxide (H2O2). All these results together shows that ohr is central in the response of bacteria to the stress induced by organic hydroperoxides but not by H2O2 and defines a new class of antioxidant enzymes with unique properties such as lipoyl-dependent peroxidase activity. Another goal of this work was to study the regulation of ohr expression in Xylella fastidiosa. ohr expression is regulated in most bacteria by a repressor protein named ohrR (Sukchawalit et al., 2001) but, in some bacteria, ohr expression is positively regulated by an alternative sigma factor (σE) with extracitoplasmatic function (Gourion et al., 2008). Our results showed that ohr from X. fastidiosa was not under the control of none of these regulators, probably being constitutively expressed. Through northern blot analysis, we did not observed any changes in ohr levels in cells submitted to oxidative or ethanolic stress. These results, indicates that ohr expression probably differs from that previously described on literature for other bacteria

Functional characterization of a new antioxidant protein: Ohr (Organic Hydroperoxide Resistance Protein). Pathways of reduction and expression in Xylella fastidiosa

Xylella fastidiosa é uma bactéria gram-negativa, colonizadora do xilema de plantas economicamente importantes, sendo responsável por diversas patogenias como a doença de Pierce em videiras e a clorose variegada dos citros (CVC). Plantas, ao serem infectadas por patógenos, dispõem de um maquinário de defesa que inclui a geração de espécies reativas de oxigênio (ROS). Peróxidos de lipídios podem ser formados pelo ataque de ROS à membrana bacteriana ou pela ação de lipoxigenases. O sistema da AhpR (alquil hidroperóxido redutase) foi inicialmente caracterizado como o principal responsável pela defesa contra hidroperóxidos orgânicos em bactéria. Recentemente, foi descrito um gene em muitas bactérias patógenas no qual a sua deleção conferia a célula uma maior susceptibilidade a hidroperóxidos orgânicos, mas não a H2O2 ou a geradores de superóxido (Mongkolsuk et al., 1998 e Ochsner et al., 2001). Por esta razão, este gene foi denominado ohr (organic hydroperoxide resistance gene). O objetivo desse trabalho foi caracterizar funcionalmente a proteína ohr de X. fastidiosa. Inicialmente, demonstramos que ohr possui atividade peroxidase dependente de tiól sendo que sua capacidade de reagir com hidroperóxidos é devida á presença de um par de cisteínas conservadas em seu sítio ativo. Também mostramos que ohr possui um enovelamento alfa/beta único, não observado nas estruturas de outras peroxidases dependentes de tiól como peroxirredoxinas e glutationa peroxidases. Análises do sítio ativo de ohr mostraram que seus prováveis substratos são moléculas hidrofóbicas e alongadas. Corroborando esta hipótese, demonstramos que enzimas lipoiladas, classicamente relacionadas com o metabolismo intermediário, interagem física e funcionalmente com ohr, enquanto que os sistemas tiorredoxina e glutationa, classicamente relacionados a tióis peroxidases, não sustentam a atividade peroxidásica de ohr. Este resultado representa a primeira descrição de uma peroxidase que é diretamente reduzida por grupos lipóicos de enzimas. Também fornecemos evidências que indicam que ohr atua na redução de hidroperóxidos derivados de ácidos graxos insaturados. De fato, análise cinética de estado estacionário por bi substrato mostra que ohr decompõem hidroperóxidos orgânicos com alta eficiência (kcat/KM ~ 106M-1.s1) através de um mecanismo ping-pong, sendo aproximadamente dez mil vezes mais eficiente do que na presença de H2O2. Esses dados em conjunto mostram que ohr é central na resposta bacteriana contra o estresse induzido por hidroperóxidos orgânicos, mas não por H2O2 e define uma nova classe de enzimas antioxidantes com propriedade únicas: peroxidases dependentes de grupos lipóicos. Outro objetivo desse trabalho foi estudar a via de regulação gênica de ohr em Xylella fastidiosa. Na maioria dos organismos, ohr é regulada por uma proteína repressora denominada ohrR (Sukchawalit et al., 2001), mas em algumas bactérias foi descrito que a expressão de ohr era regulada positivamente por um fator sigma alternativo (σE) de função extra citoplasmática (Gourion et al., 2008). Nossos resultados mostraram que ohr de X. fastidiosa não está sob controle de nenhuma dessas proteínas, sendo provavelmente expressa constitutivamente. Análises por northern blot não mostraram alterações nos níveis de ohr em células submetidas a estresse oxidativo ou etanólico. Esses resultados, ainda que preliminares, indicam que possivelmente o controle da expressão gênica de ohr em X. fastidiosa é distinto daqueles descritos até o momento na literatura para outras bactérias.Xylella fastidiosa is a gram-negative bacterium, which colonizes the xylem from economically important plants, being responsible for several diseases such as Pierce disease (PD) in gravepines and citrus variegated clorosis (CVC). Plants, when infected by pathogens, are able to defend themselves through several mechanisms which include the generation of reactive oxygen species (ROS). Lipid hydroperoxides can be generated from the attack of ROS to the bacterial membrane or by the action of lipoxygenases. The alkyl hydroperoxide reductase system (AhpR) was initially characterized as the main responsible for the detoxification of organic hydroperoxides in bacteria. Recently, it was also characterized another gene in many pathogenic bacteria, whose deletion renders cells susceptibility to organic hydroperoxide treatments but not by H2O2 or by superoxide generators (Mongkolsuk et al., 1998 and Ochsner et al., 2001). For this reason, it was named ohr (organic hydroperoxide resistance gene). The goal of this work was to functionally characterize ohr, the product of ohr gene from Xylella fastidiosa. Initially, we demonstrated that ohr possesses Cys-based thiol-dependent peroxidase activity. Later, we showed that ohr possesses a unique alpha/beta fold not observed in the structures of other thiol peroxidases such as peroxiredoxins and glutathione peroxidases. Analyses of ohr active site showed that its likely substrates are elongated and hydrophobic molecules. Furthermore, we showed that lipoylated enzymes, classically related with the intermediary metabolism, interacts physically and functionally with ohr while classical thiol-dependent pathways, such as thioredoxin and glutathione, failed to support ohr activity. This finding represents the first evidence of a peroxidase that is directly reduced by lipoyl groups of enzymes. Also, we obtained evidences indicating that ohr acts in the detoxification of peroxides derived from unsaturated fatty acids. In fact, steady-state kinetics using bi-substrate analysis showed that ohr decomposes organic peroxides with high efficiency (kcat/KM ~ 106 M-1.s-1 through a ping-pong mechanism, at least ten thousand times more efficiently than hydrogen peroxide (H2O2). All these results together shows that ohr is central in the response of bacteria to the stress induced by organic hydroperoxides but not by H2O2 and defines a new class of antioxidant enzymes with unique properties such as lipoyl-dependent peroxidase activity. Another goal of this work was to study the regulation of ohr expression in Xylella fastidiosa. ohr expression is regulated in most bacteria by a repressor protein named ohrR (Sukchawalit et al., 2001) but, in some bacteria, ohr expression is positively regulated by an alternative sigma factor (σE) with extracitoplasmatic function (Gourion et al., 2008). Our results showed that ohr from X. fastidiosa was not under the control of none of these regulators, probably being constitutively expressed. Through northern blot analysis, we did not observed any changes in ohr levels in cells submitted to oxidative or ethanolic stress. These results, indicates that ohr expression probably differs from that previously described on literature for other bacteria

Oligomerization of Cu,Zn-Superoxide Dismutase (SOD1) by Docosahexaenoic Acid and Its Hydroperoxides In Vitro: Aggregation Dependence on Fatty Acid Unsaturation and Thiols.

Docosahexaenoic acid (C22:6, n-3, DHA) is a polyunsaturated fatty acid highly enriched in the brain. This fatty acid can be easily oxidized yielding hydroperoxides as primary products. Cu, Zn-Superoxide dismutase (SOD1) aggregation is a common hallmark of Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) and the molecular mechanisms behind their formation are not completely understood. Here we investigated the effect of DHA and its hydroperoxides (DHAOOH) on human SOD1 oligomerization in vitro. DHA induced the formation of high-molecular-weight (HMW) SOD1 species (>700 kDa). Aggregation was dependent on free thiols and occurred primarily with the protein in its apo-form. SOD1 incubation with DHA was accompanied by changes in protein structure leading to exposure of protein hydrophobic patches and formation of non-amyloid aggregates. Site-directed mutagenesis studies demonstrated that Cys 6 and Cys 111 in wild-type and Cys 6 in ALS-linked G93A mutant are required for aggregation. In contrast, DHAOOH did not induce HMW species formation but promoted abnormal covalent dimerization of apo-SOD1 that was resistant to SDS and thiol reductants. Overall, our data demonstrate that DHA and DHAOOH induce distinct types of apo-SOD1 oligomerization leading to the formation of HMW and low-molecular-weight species, respectively

Analysis of apo-SOD1 aggregates by size-exclusion chromatography.

<p>Apo-SOD1 WT incubated in the absence (<b>A</b>) and presence of 250 μM of DHA (<b>B</b>), DHAOOH <b>(C)</b> or H₂O₂<b>(D)</b>. Apo-SOD1 G93A incubated in the absence <b>(E)</b> and presence of 250 μM of DHA <b>(F)</b>, DHAOOH <b>(G)</b>, or H₂O₂<b>(H)</b>. All experiments were conducted in the presence of 10 μM of the protein at 37°C for 24 h. The colored lines represent the incubation times: 2 h (black), 6 h (red) and 24 h (blue). Chromatograms are representative at least 3 independent experiments.</p

Role of Cys 6 and Cys 111 on DHA induced apo-SOD1 aggregation.

<p>C6S and C111S mutants of apo-SOD1 (10 μM) WT (<b>A</b>) and G93A (<b>B</b>) were incubated in the absence and presence of DHA (250 μM). Percentages of aggregates formed in the incubation were determined by size-exclusion chromatography analysis. The results were presented by means ± standard deviations of three experiments. Significant differences are indicated with * when <i>p<0</i>.<i>01</i>. Dots represent individual values.</p

Nature of the apo-SOD1 aggregates formed in the presence of DHA or DHAOOH.

<p>Representative bis-ANS fluorescence spectra obtained for the control incubations containing DHA, DHAOOH or H₂O₂ without the protein (A); and for the incubations containing the (B) apo-SOD1 WT or (C) apo-SOD1 G93A incubated in the presence of DHA, DHAOOH or H₂O₂. Transmission electronic microscopy (TEM) of the apo-SOD1 WT or G93A mutant incubated with DHA (D). Two sets of images, one with the scale bar of 500 nm (upper panel) and the other of 100 nm (lower panel) are shown. Images are representative of two experiments. Representative visible spectra of congo red (CR) in the absence and presence of apo-SOD1 WT or G93A mutant pre-incubated with DHA or DHAOOH. Samples were added to the CR solution to give a final concentration of 6 μM of CR. All incubations were conducted in the presence of 10 μM protein and 250 μM of the lipid or H₂O₂ at 37°C for 24 h.</p

The Alzheimer's Disease: an explanatory manual for the carrier and their family

Introdução: O Alzheimer é uma doença neurodegenerativa, sendo uma das principais causas de demência. Por sua grande incidência, sua evolução progressiva e impactos na vida do portador e familiares, é de grande importância a veiculação de informações confiáveis para população sobre a Doença de Alzheimer (DA). Objetivo: Elaborar um material educativo sobre a DA, para auxiliar a família, cuidadores e o indivíduo portador de DA. Material e método: O desenvolvimento do material didático foi baseado na integração dos conteúdos teóricos de nove Unidades Curriculares (UCs) que compõem a grade curricular da 1ª série do curso de Enfermagem, sendo elas: Anatomia; Biologia do Desenvolvimento; Bioquímica; Filosofia; Epidemiologia; Genética; Histologia; Microbiologia, Imunologia e Parasitologia, e Práxis da Saúde Coletiva. Com a participação de todos os integrantes do grupo, em conjunto com a tutoria de monitores, PADs e docentes, foi possível obter toda a assistência necessária para que o trabalho pudesse ser realizado integrando os conteúdos teóricos. Resultados: Foi elaborado um livreto, abordando informações sobre a DA, tais como causas, fases da doença, diagnóstico, convivência, cuidados com o portador e, finalmente, tratamento. O material busca orientar e difundir informações sobre DA para a população em geral. O livreto “Alzheimer, um novo olhar sobre a vida” foi apresentado no evento IntegraENF 2021, sendo um dos trabalhos de destaque, ganhando o prêmio de menção honrosa e classificando se como uma das três melhores apresentações de acordo com a votação do público. Conclusão: O livreto confeccionado usou uma linguagem acessível, integrando todo o conteúdo teórico das nove UCs envolvidas. Almejamos que o material se torne uma fonte confiável de informações sobre a DA, auxiliando tanto o portador quanto os familiares e cuidadores, para que possam manter uma boa qualidade de vida após o diagnóstico

Structural and Biochemical Characterization of Peroxiredoxin Qβ from Xylella fastidiosa: CATALYTIC MECHANISM AND HIGH REACTIVITY*

The phytopathogenic bacterium Xylella fastidiosa is the etiological agent of various plant diseases. To survive under oxidative stress imposed by the host, microorganisms express antioxidant proteins, including cysteine-based peroxidases named peroxiredoxins. This work is a comprehensive analysis of the catalysis performed by PrxQ from X. fastidiosa (XfPrxQ) that belongs to a peroxiredoxin class still poorly characterized and previously considered as moderately reactive toward hydroperoxides. Contrary to these assumptions, our competitive kinetics studies have shown that the second-order rate constants of the peroxidase reactions of XfPrxQ with hydrogen peroxide and peroxynitrite are in the order of 107 and 106 m−1 s−1, respectively, which are as fast as the most efficient peroxidases. The XfPrxQ disulfides were only slightly reducible by dithiothreitol; therefore, the identification of a thioredoxin system as the probable biological reductant of XfPrxQ was a relevant finding. We also showed by site-specific mutagenesis and mass spectrometry that an intramolecular disulfide bond between Cys-47 and Cys-83 is generated during the catalytic cycle. Furthermore, we elucidated the crystal structure of XfPrxQ C47S in which Ser-47 and Cys-83 lie ∼12.3 Å apart. Therefore, significant conformational changes are required for disulfide bond formation. In fact, circular dichroism data indicated that there was a significant redox-dependent unfolding of α-helices, which is probably triggered by the peroxidatic cysteine oxidation. Finally, we proposed a model that takes data from this work as well data as from the literature into account