Un enzima di modificazione dell'RNA rileva direttamente le specie reattive dell'ossigeno per la regolazione traslazionale nell'Enterococcus faecalis

Nature Communications volume 14, numero articolo: 4093 (2023) Citare questo articolo

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I batteri possiedono sistemi elaborati per gestire le specie reattive dell'ossigeno e dell'azoto (ROS) derivanti dall'esposizione al sistema immunitario dei mammiferi e agli stress ambientali. Qui riportiamo la scoperta di un enzima modificante l'RNA sensibile ai ROS che regola la traduzione delle proteine ​​di risposta allo stress nell'enterococcus faecalis, patogeno commensale e opportunistico intestinale. Analizziamo l'epitrascrittoma tRNA di E. faecalis in risposta alle specie reattive dell'ossigeno (ROS) o a dosi subletali di antibiotici che inducono ROS e identifichiamo grandi diminuzioni di N2-metiladenosina (m2A) sia nell'RNA ribosomiale 23 S che nell'RNA di trasferimento. Determiniamo che ciò sia dovuto all'inattivazione mediata dai ROS della metiltransferasi contenente cluster Fe-S, RlmN. Il knockout genetico di RlmN dà origine a un proteoma che imita la risposta allo stress ossidativo, con un aumento dei livelli di superossido dismutasi e una diminuzione delle proteine ​​di virulenza. Mentre è stato stabilito che le modifiche del tRNA sono dinamiche per la messa a punto della traduzione, qui riportiamo la scoperta di una modifica dell'rRNA regolata dinamicamente e reattiva all'ambiente. Questi studi portano a un modello in cui RlmN funge da interruttore molecolare sensibile al redox, trasmettendo direttamente lo stress ossidativo alla modulazione della traduzione attraverso l'rRNA e l'epitrascrittoma del tRNA, aggiungendo un paradigma diverso in cui le modifiche dell'RNA possono regolare direttamente il proteoma.

Le specie reattive dell'ossigeno (ROS) come il superossido (O2−) e il perossido di idrogeno (H2O2) svolgono un ruolo fondamentale nel modellare l'evoluzione batterica1. I batteri sono esposti ai ROS da una varietà di fonti, in modo endogeno come sottoprodotti della respirazione aerobica ed esogenamente da prodotti naturali redox-attivi e dalle esplosioni respiratorie/ossidative delle cellule immunitarie dei mammiferi attivate2. Se non neutralizzati, i ROS danneggiano componenti cellulari essenziali tra cui DNA, lipidi, carboidrati e proteine1. I batteri hanno quindi sviluppato sistemi di difesa contro i ROS come la superossido dismutasi (SOD), la catalasi, il glutatione, i sistemi di tioredossina, le perossidasi e le nitrato/nitrito reduttasi3. Queste difese sono spesso regolate a livello trascrizionale da fattori di trascrizione sensibili ai ROS come OxyR, PerR, OhrR e SoxR4,5,6.

Prove recenti indicano meccanismi di regolazione traslazionale dei sistemi di risposta allo stress batterico. Ad esempio, la risposta allo stress ipossico nei micobatteri comporta la riprogrammazione di dozzine di ribonucleosidi modificati sui tRNA, l'epitrascrittoma del tRNA, per causare la traduzione selettiva degli mRNA polarizzati dai codoni dai geni di risposta all'ipossia, incluso il fattore di trascrizione DosR e il suo regulon7. Anche le modifiche su altre forme di RNA partecipano a diversi processi cellulari alterando la stabilità, la struttura, la localizzazione e le interazioni proteina-RNA dell'RNA8.

Qui riportiamo la scoperta di un enzima modificante l'RNA sensibile ai ROS che regola la traduzione delle proteine ​​di risposta allo stress nell'enterococcus faecalis, patogeno commensale e opportunistico intestinale. In seguito all'esposizione al generatore di superossido, al menadione, o a dosi subletali di eritromicina e cloramfenicolo che inducono ROS, l'analisi di 24 ribonucleosidi modificati dell'epitrascrittoma ha rivelato grandi diminuzioni di N2-metiladenosina (m2A) sia nell'RNA ribosomiale 23 S che nell'RNA di trasferimento, probabilmente causate da Inattivazione mediata da ROS della metiltransferasi contenente cluster Fe-S, RlmN. La perdita di RlmN ha alterato l'espressione proteica in un modo che imitava l'esposizione al menadione, come l'aumento della superossido dismutasi e la diminuzione delle proteine ​​di virulenza. Questi studi suggeriscono che RlmN agisce come un interruttore molecolare sensibile al redox che collega l'esposizione ai ROS ambientali e indotti dagli antibiotici alla dinamica dell'epitrascrittoma nell'RNA ribosomiale e di trasferimento per effettuare la traduzione delle proteine ​​di risposta allo stress.

Mentre la regolazione trascrizionale in risposta allo stress è ben consolidata nei batteri, la regolazione traduzionale è meno ben compresa. La nostra dimostrazione della riprogrammazione dell’epitrascrittoma indotta dall’ipossia e della traduzione distorta dai codoni nei micobatteri7 ci ha portato a ipotizzare che un meccanismo simile potrebbe valere per la risposta dell’Enterococcus faecalis allo stress dell’esposizione agli antibiotici. Qui abbiamo quantificato 24 modifiche nell'rRNA e nel tRNA in due ceppi di E. faecalis: OG1RF, un ceppo derivato dall'isolato orale commensale umano OG19, e V58310, un isolato clinico multiresistente. V583 possiede una metiltransferasi resistente all'eritromicina (ErmB) che metila la posizione N6 dell'adenosina (m6A, m6,6A) nell'rRNA 23 S in posizione 2058 (numerazione dell'Escherichia coli)11 e previene il legame dei macrolidi (ad es. eritromicina), lincosamidi, e streptogramina B (MLS)11, ma conferisce solo una resistenza parziale all'eritromicina12. OG1RF è privo di ErmB ed è quindi circa 100 volte più sensibile all'eritromicina rispetto a V583.