Аргининдеиминаза S. pyogenes M49-16 подавляет пролиферативную активность лимфоцитов периферической крови человека

Аргининдеиминаза является одним из трех ферментов, образующих систему аргининдеиминазы у бактерий. Ранее было установлено, что аргининдеиминаза, обладает антипролиферативным действием в отношении ряда первичных и иммортализованных клеток мыши и человека. Предполагается, что ингибирующее действие фермента может быть связано с его способностью приводить к истощению аргинина в микроокружении клеток. Биодоступность аргинина играет важную роль для пролиферации Т-лимфоцитов, экспрессии белков Т-клеточного рецептора и дифференцировки клеток памяти. Целью настоящего исследования стало изучение влияния аргининдеиминазы пиогенного стрептококка на функциональную активность лимфоцитов периферической крови человека. Для достижения поставленной цели было проведено сравнительное исследование влияния супернатанта разрушенных стрептококковых клеток (СРС) исходного штамма S. pyogenes M49-16 и его изогенного мутанта S. pyogenes M49-16delArcA с инактивированным геном аргининдеиминазы (ArcA) на функции иммунных клеток. Влияние супернатантов на жизнеспособность клеток оценивали методом проточной цитометрии, с использованием ДНК-связывающего красителя DAPI. Пролиферацию клеток оценивали с помощью МТТ-теста и цитофлуориметрически с использованием метода, основанного на окрашивании внутриклеточного белка витальным флуоресцентным красителем CFSE (карбоксифлуоресцеинсукцинимидилэфирным красителем). Кроме того, в работе оценивали уровень экспрессии на лимфоцитах тирозинфосфатазы CD45 в различных условиях культивирования. Было показано, что СРС S. pyogenes M49-16 не оказывал влияния на жизнеспособность клеток. СРС исходного штамма практически не влиял на пролиферацию интактных клеток, но значительно подавлял пролиферацию клеток, индуцированную ConA. В то же время СРС мутантного штамма достоверно повышал спонтанную пролиферацию клеток и не оказывал влияния на пролиферацию, индуцированную митогеном. Было показано, что увеличение пролиферации сопровождалось увеличением уровня экспрессии CD45, однако эти изменения не во всех случаях были достоверны. Полученные данные позволяют заключить, что бактериальная аргининдеиминаза может являться одним из факторов патогенности, способных ограничивать пролиферацию лимфоцитов и развитие иммунного ответа с целью улучшения роста и диссеминации бактерий.

1. Aziz R.K., Kotb M. Rise and persistence of global M1T1 clone of Streptococcus pyogenes. Emerg. Infect. Dis., 2008, vol. 14, no. 10, pp. 1511-1517. doi: 10.3201/eid1410.071660

2. Bansal V., Rodriguez P., Wu G., Eichler D.C., Zabaleta J., Taheri F., Ochoa J.B. Citrulline can preserve proliferation and prevent the loss of CD3 zeta chain under conditions of low arginine. J. Parenter. Enter. Nutr., 2004, vol. 28, pp. 423—430. doi: 10.1177/0148607104028006423

3. Bronte V., Zanovello P. Regulation of immune responses by L-arginine metabolism. Nat. Rev. Immunol., 2005, no. 5, pp. 641—654. doi: 10.1016/j.imbio.2007.09.008

4. Casiano-Colon A., Marquis R.E. Role of arginine deiminase system in protecting oral bacteria and an enzymatic basis for acid tolerance. Appl. Environ. Microbiol., 1988, vol. 54, pp. 1318—1324. doi: 10.1007/s00248-014-0535-x

5. Chang V.T., Fernandes R.A., Ganzinger K.A., Lee S.F., Siebold C., McColl J., Jonsson P., Palayret M., Harlos K., Coles C.H., Jones E.Y., Lui Y., Huang E., Gilbert R.J.C., Klenerman D., Aricescu A.R., Davis S.J. Initiation of T cell signaling by CD45 segregation at “close contacts”. Nat. Immunol., 2016, vol. 17, no. 5, pp. 574—582. doi: 10.1038/ni.3392

6. Degnan B.A., Fontaine M.C., Doebereiner A.H., Lee J.J., Mastroeni P., Dougan G., Goodacre J.A., Kehoe M.A. Characterization of an isogenic mutant of Streptococcus pyogenes Manfredo lacking the ability to make streptococcal acid glycoprotein. Infect. Immun., 2000, vol. 68, no. 5, pp. 2441—2448. doi: 10.1128/iai.68.5.2441-2448.2000

7. Degnan B.A., Kehoe M.A., Goodacre J.A. Analysis of human T cell responses to group A streptococci using fractionated Streptococcus pyogenes proteins. FEMS Immunol. Med. Microbiol., 1997, vol. 17, no. 3, pp. 161—170. doi: 10.1111/j.1574-695X.1997.tb01009.x

8. Degnan B.A., Palmer J.M., Robson T., Jones C.E., Fischer M., Glanville M., Mellor G.D., Diamond A.G., Kehoe M.A., Goodacre J.A. Inhibition of human peripheral blood mononuclear cell proliferation by Streptococcus pyogenes cell extract is associated with arginine deiminase activity. Infect. Immun., 1998, vol. 66, no. 7, pp. 3050—3058. doi: 10.1128/IAI.66.7.3050-3058.1998

9. Fletcher M., Ramirez M.E., Sierra R.A., Raber P., Thevenot P., Al-Khami A.A., Sanchez-Pino D., Hernandez C., Wyczechowska D.D., Ochoa A.C., Rodriguez P.C. L-arginine depletion blunts antitumor T cell responses by inducing myeloid-derived suppressor cells. Cancer Res., 2015, vol. 75, pp. 275—283. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-14-1491

10. Gabrilovich D.I., Nagaraj S. Myeloid-derived suppressor cells as regulators of the immune system. Nat. Rev. Immunol., 2009, vol. 9, no. 3, pp. 162—174. doi: 10.1038/nri2506

11. Geiger R., Rieckmann J.C., Wolf T., Basso C., Feng Y., Fuhrer T., Kogadeeva M., Picotti P., Meissner F., Mann M., Zamboni N., Sallusto F. Lanzavecchia L-arginine modulates T cell metabolism and enhances survival and anti-tumor activity. Cell, 2016, vol. 167, no. 3, pp. 829-842. doi: 10.1016/j.cell.2016.09.031

12. Hamada S., Kawabata S., Nakagawa I. Molecular and genomic characterization of pathogenic traits of group A Streptococcus pyogenes. Proc. Jpn. Acad. Ser. B. Phys. Biol. Sci., 2015, vol. 91, no. 10, pp. 539-559. doi: 10.2183/pjab.91.539

13. Hamada S., Nakagawa I., Kawabata S. Genetic analysis and virulence factors of group A. streptococci that cause severe invasive infectious diseases. Tanpakushitsu Kakusan Koso, 2005, vol. 50, no. 3, pp. 253-261.

14. Hermiston M.L., Xu Z., Weiss A. CD45: a critical regulator of signaling thresholds in immune cells. Annu. Rev. Immunol., 2003, vol. 21, pp. 107-137. doi: 10.1146/annurev.immunol.21.120601.140946

15. Hyatt S.L., Aulak K.S., Malandro M., Kilberg M.S., Hatzoglou M. Adaptive regulation of the cationic amino acid transporter-1 (Cat-1) in Fao cells. J. Biol. Chem., 1997, vol. 272, pp. 19951-19957. doi: 10.1074/jbc.272.32.19951

16. Kanamoto T., Sato S., Nakashima H., Inoue M. Proliferation of mitogen-stimulated human peripheral blood mononuclear cells is inhibited by extracellular arginine deiminase of Granulicatella elegans isolated from the human mouth. J. Infect Chemother., 2007, vol. 13, no. 5, pp. 353-355. doi: 10.1007/s10156-007-0546-3

17. Kanaoka M., Fukita Y., Taya K., Kawanaka C., Negoro T., Agui H. Antitumor activity of streptococcal acid glycoprotein produced by Streptococcus pyogenes Su. Jpn. J. Cancer Res., 1987, vol. 78, no. 12, pp. 1409-1414. doi: 10.20772/cancersci1985.78.12_1409

18. Karpinski T.M., Adamczak A. Anticancer activity of bacterial proteins and peptides. Pharmaceutics, 2018, vol. 10, no. 2: 54. doi: 10.3390/pharmaceutics10020054

19. Marquis R.E., Bender G.R., Murray D.R., Wong A. Arginine deiminase system and bacterial adaptation to acid environments. Appl. Environ. Microbiol., 1987, vol. 53, no. 1, pp. 198-200. doi: 10.1128/AEM.53.1.198-200.1987

20. Murray P.J. Amino acid auxotrophy as immunological control nodes. Nat. Immunol., 2016, vol. 17, no. 2, pp. 132-139. doi: 10.1038/ni.3323

21. Newman J.M.B., DiMaria C.A., Rattigan S., Steen J.T., Miller K.A., Eldershaw T.P.D., Clark M.G. Relationship of MTT reduction to stimulants of muscle metabolism. Chem.-Biol. Interact., 2000, vol. 128, pp. 127-140. doi: 10.1016/S0009-2797(00)00192-7

22. Nagaraj S., Schrum A.G., Cho H.I., Celis E., Gabrilovich D.I. Mechanism of T-cell tolerance induced by myeloid-derived suppressor cells. J. Immunol., 2010, vol. 184, no. 6, pp. 3106-3116. doi: 10.4049/jimmunol.0902661

23. Peranzoni E., Marigo I., Dolcetti L., Ugel S., Sonda N., Taschin E., Mantelli B., Bronte V., Zanovello P. Role of arginine metabolism in immunity and immunopathology. Immunobiology, 2007, vol. 212, pp. 795- 812. doi: 10.1016/j.imbio.2007.09.008

24. Rodriguez P.C., Ochoa A.C., Al-Khami A.A. Arginine metabolism in myeloid cells shapes innate and adaptive immunity. Front. Immunol., 2017, no. 8: 93. doi: 10.3389/fimmu.2017.00093

25. Spaulding A.R., Salgado-Pabon W., Kohler P.L., Horswill A.R., Leung D.Y., Schlievert P.M. Staphylococcal and streptococcal superantigen exotoxins. Clin. Microbiol. Rev., 2013, vol. 26, no. 3, pp. 422- 447. doi: 10.1128/CMR.00104-12

26. Starikova E.A., Golovin A.S., Vasilyev K.A., Karaseva A.B., Serebriakova M.K., Sokolov A.V., Kudryavtsev I.V., Burova L.A., Voynova I.V., Suvorov A.N., Vasilyev V.B., Freidlin I.S. Role of arginine deiminase in thymic atrophy during experimental Streptococcus pyogenes infection. Scand. J. Immunol., 2019, vol. 89, no. 2: e12734. doi: 10.1111/sji.12734

27. Starikova E.A., Sokolov A.V., Vlasenko A.Y., Burova L.A., Freidlin I.S., Vasilyev V.B. Biochemical and biological activity of arginine deiminase from Streptococcus pyogenes M22. Biochem. Cell Biol. 2016, vol. 94, no. 2, pp. 129-137. doi:10.1139bcb-2015-0069

28. Tarasenko T.N., Gomez-Rodriguez J., McGuire P.J. Impaired T cell function in argininosuccinate synthetase deficiency. J. Leukoc. Biol., 2015, vol. 97, pp. 273-278. doi: 10.1189/jlb.1AB0714-365R

29. Turenne C.Y., Wallace R., Behr M.A. Mycobacterium avium in the postgenomic era. Clin. Microb. Rev., 2007, vol. 20, no. 2, pp. 205-229. doi: 10.1128/CMR.00036-06

30. Yoshida J., Ishibashi T., Nishio M. Growth-inhibitory effect of a streptococcal antitumor glycoprotein on human epidermoid carcinoma A431 cells: involvement of dephosphorylation of epidermal growth factor receptor. Cancer Res., 2001, vol. 61, no. 16, pp. 6151-6157.

31. Yoshida J., Takamura S., Suzuki S. Cell growth-inhibitory action of SAGP, an antitumor glycoprotein from Streptococcus pyogenes (Su strain). Jpn. J. Pharmacol., 1987, vol. 45, no. 2, pp. 43— 47. doi: 10.1254/jjp.45.143

32. Yoshida J., Takamura S., Suzuki S., Nishio M., Yoshida J. Streptococcal glycoprotein-induced tumour cell growth inhibition involves the modulation of a pertussis toxin-sensitive G protein. Br. J. Cancer. 1996, vol. 73, no. 8, pp. 917—923. doi:10.1038/bjc.1996.182

33. Yoshida J., Yoshimura M., Takamura S., Kobayashi S. Purification and characterization of an antitumor principle from Streptococcus hemolyticus, Su strain. Jpn. J. Cancer Res., 1985, vol. 76, no. 3, pp. 213—223. doi: 10.20772/CANCERSCI1985.76.3213