Polyamine, evolution and pathogenicity in Shigella spp

Gruppo di Ricerca: 
Barbagallo M, Di Martino ML, Marcocci L, Pietrangeli P, De Carolis E, Colonna B, Prosseda G

Shigella, the causative agent of bacillary dysentery, is able to cross the epithelial lining, to induce apoptotic killing of macrophages, and to enter and spread into epithelial cells, eliciting the inflammatory destruction of the intestinal epithelial barrier. These processes require coordinated expression of virulence genes residing on a large plasmid and on the chromosome. The genomes of Shigella and E. coli, its commensal ancenstor, are colinear and highly homologous. Critical events in the evolution of Shigella have been the acquisition of the virulence plasmid through lateral gene transfer and the inactivation of genes affecting the full expression of the virulence phenotype. In this context we have analyzed to which extent the presence of the plasmid-encoded virF gene, the major activator of the Shigella invasivity regulon, has modified the transcriptional profile of E. coli. Combining results from transcriptome assays and comparative genome analyses we show that in E.coli VirF, besides being able to up-regulate several chromosomal genes potentially able to increase bacterial fitness within the host, also activates genes which have been lost by Shigella. We have focused our attention on the speG gene, which encodes spermidine acetyltransferase, an enzyme catalyzing the conversion of spermidine into the physiological inert acetylspermidine, since recent evidence stresses the involvement of polyamines in bacterial pathogenesis.

We show that the speG gene is inactive in Shigella and that the consequent accumulation of spermidine strongly favours the survival of the pathogen under oxidative stress conditions, as well as within the macrophages it invades during infection. Our data uncover an as yet unknown aspect of the pathogenicity strategy adopted by Shigella and contribute to decipher the complexity of the invasivity process.

I microrganismi appartenenti al genere Shigella sono batteri gram negativi, non motili e riconosciuti essere responsabili della dissenteria bacillare umana. Questo microrganismo è, infatti, in grado di invadere la mucosa intestinale umana e  diffondere all’interno di essa. Si tratta di un processo complesso nel quale Shigella attraversa la mucosa epiteliale a livello delle cellule M dell’epitelio associato ai follicoli linfoidi. Una volta trasferitasi nello strato baso-laterale delle cellule epiteliali viene fagocitata dai macrofagi i quali vengono indotti alla “piroptosi” liberando le cellule batteriche e innescando un complesso meccanismo che favorisce l’attraversamento dell’epitelio intestinale da parte di altre cellule invasive (Parsot 2005). Le  capacità di Shigella di operare un tale processo infettivo è frutto di una storia evolutiva che, partendo da enterobatteri commensali o simbionti come Escherichia coli, è progredita attraverso processi genetici che implicano l’acquisizione di nuovo materiale genetico, l’eliminazione dei geni e delle funzioni antivirulente e la conservazione e modulazione dei geni e delle funzioni cellulari utili per il processo di infezione (Casalino et al. 2005,; Lan et al. 2004). Nell’ultimo anno abbiamo identificato un gene appartenente alla categoria dei geni selettivamente eliminati in tutti ceppi di Shigella attraverso un approccio multidisciplinare che va dagli esperimenti di trascrittomica alle analisi di genomica comparativa, dalla caratterizzazione biochimica della cellula batterica ai saggi di infezione su culture macrofagiche. Il gene speG, infatti, risulta attivato trascrizionalmente dal sistema genetico di virulenza tipico di Shigella ma è sempre inattivato nei ceppi del patogeno. speG codifica la spermidina acetiltrasferasi (http://www.mgc.ac.cn/ShiBASE/), proteina che è direttamente coinvolta nel metabolismo delle poliammine. In particolare la sua inattivazione nei ceppi analizzati di Shigella provoca l’accumulo della spermidina citoplasmatica. Tale accumulo è stato messo in relazione con una maggiore resistenza allo stress ossidativo del batterio ed ad una migliore capacità di sopravvivere all’interno dei macrofagi. La correlazione tra l’accumulo di spermidina intracellulare e queste proprietà
dimostra che l’inattivazione del gene speG in Shigella è il frutto di un adattamento evolutivo teso a perfezionare le attitudini del patogeno. Nel prossimo futuro ci dedicheremo ad investigare altri aspetti del processo infettivo di Shigella che possono essere ottimizzati dalla presenza di elevate quantità di spermidina intra-citoplasmatica del batterio.

Parsot C. Shigella spp. and enteroinvasive Escherichia coli pathogenicity factors. FEMS Microbiol
Lett. 2005 Nov 1;252(1):11-8.
Lan R, Alles MC, Donohoe K, Martinez MB, Reeves PR Molecular evolutionary relationships of
enteroinvasive Escherichia coli and Shigella spp. Infect Immun. 2004 Sep;72(9):5080-8.
Casalino M, Latella MC, Prosseda G, Ceccarini P, Grimont F, Colonna B. Molecular evolution of
the lysine decarboxylase-defective phenotype in Shigella sonnei. Int J Med Microbiol. 2005
Mar;294(8):503-12.

Anno del Convegno: 
2011

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