Structural and functional study on HEPN-MNT proteins from Legionella pneumophila

Abstract

Legionella pneumophila belongs to pathogenic bacteria which is classified as gram-negative bacteria. One of the representative species is Legionella pneumophila. About 20 percent of bacterial pneumonia in the world is known to be caused by Legionella species. Quinolone, macrolide, and tetracycline are used to treat disease caused by Legionella species, but resistance to these antibiotics is currently being reported steadily. Therefore, it is necessary to develop new antibiotics that have different mechanisms from conventional antibiotics. There are 24 pairs of toxin-antitoxin system in Legionella pneumophila. The TA system is found in prokaryotes and consists of toxin proteins and a corresponding antitoxin that impairs toxins function. Previously, six types of TA system were reported, and types are classified based on the molecular types of toxin and antitoxin and the way they interact. In normal condition, the antitoxin combines with toxin to inhibit its toxicity, but in certain circumstances the antitoxin is degraded and the toxin is activated, resulting in cell-toxicity and inhibiting various processes in the cell. This induces the death of bacteria and hinders growth. We can find a new antibacterial mechanism for Legionella pneumophila by designing and developing antibiotic substances that can activate the toxin from TA complex. Recently, new type of the TA system has been reported, and in that type, antitoxin impairs the function of toxin through the role of enzymes. According to the that paper, the HEPN-MNT protein in TA system belongs to type VII TA system, and antitoxin adenylylates its toxin using ATP as a substrate, and this mechanism of action inhibits the toxicity of toxin acting on RNase. By studying the structure and function of lpg2921(MNT), lpg2920(HEPN), and HEPN-MNT complex, this paper tries to find the possibility of a new antibacterial mechanism for Legionella pneumophila.

레지오넬라균은 그람 음성균으로 분류되는 병원성 균으로서 대표적인 종으로는 Legionella pneumophila가 있다. 전 세계 세균성 폐렴의 약 20%가 레지오넬라균에 의해 발생된한다고 알려져 있다. 레지오넬라균의 치료에는 quinolone, macrolide, tetracycline 계열 항생제들이 사용되고 있으나, 현재 해당 항생제들에 대한 내성이 꾸준히 보고되고 있다. 따라서, 기존 항생제와는 다른 새로운 메커니즘의 항생제 개발이 필요한 실정이다. Legionella pneumophila에는 24쌍의 toxin-antitoxin system (TA system)이 있다. TA system은 원핵생물에서 발견되며 toxin과 그들의 기능을 저해하는 antitoxin으로 구성된다. 기존에는 6가지 type의 TA system이 보고되었으며, toxin과 antitoxin의 분자적 종류와 그들이 상호작용하는 방식을 기준으로 type이 구분된다. 평소에는 antitoxin이 toxin과 결합하여 그 독성을 저해하고 있지만, 특정 상황에서는 antitoxin이 분해되고 toxin이 활성화되어 독성이 나타나고 세포 내 다양한 과정을 저해하게 된다. 이는 결과적으로 박테리아의 사멸 또는 성장저해를 일으키게 된다. 우리는 TA complex로부터 toxin을 활성화하는 항생 물질을 설계 및 개발함으로써 레지오넬라균에 대한 새로운 항균 메커니즘을 찾아낼 수 있다. HEPN-MNT계열은 원핵생물에서 가장 흔하게 나타나는 계열의 TA system임에도 불구하고, 그 기능과 저해 메커니즘에 대해 명확하게 밝혀지지 않은 상태였다. 그러나, 최근 antitoxin이 enzyme 작용을 통해 toxin의 기능을 저해하는 새로운 type의 TA system이 보고되었으며 Nuclear Acids Research에 수록된 Novel polyadenylylation-dependent neutralization mechanism of the HEPN/MNT toxin/antitoxin system에 따르면 고세균 유래 HEPN-MNT 계열 TA system이 type Ⅶ에 속하며, antitoxin은 ATP를 기질로 하여 toxin을 adenylation하고, 이를 통해 RNase 작용을 하는 toxin의 독성을 저해한다는 사실이 보고되었다. 본 논문에서는 레지오넬라균 유래 HEPN-MNT TA system에 해당하는 lpg2921, lpg2920, complex 단백질의 구조와 기능을 밝힘으로써, 레지오넬라균에 대한 새로운 항균 메커니즘의 가능성을 제시하고자 한다.