DOI: https://doi.org/10.3389/fvets.2024.1328293
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38601913
تاريخ النشر: 2024-03-27
المؤلف: Leticia Lázaro-Antón وآخرون
الموضوع الرئيسي: بروسيلا: التشخيص، الوبائيات، العلاج
نظرة عامة
الحمى المالطية، وهي مرض حيواني واسع الانتشار تسببه أنواع بروسلا، وخاصة ب. أبورتوس، ب. ميلتينسيس، وب. سويس، تظهر تكيفًا أيضيًا ملحوظًا، خاصة في الأنسجة التناسلية للماشية. تشير الأبحاث إلى أن الإريثريتول، المتوفر بكثرة في هذه الأنسجة، يعمل كركيزة مفضلة لبروسلا، إلى جانب السكريات الأخرى. بينما تم تحديد المسارات الكاتابولية لهذه الركائز، تكشف الدراسة أن ب. سويس البيوفار 5 يمكن أن يستخدم الركائز ذات 3-4 كربونات حتى في الطفرات التي تفتقر إلى فركتوز 1،6-بيسفوسفاتاز (F1،6bP) وGlpX، مما يشير إلى مسارات أيضية بديلة.
تظهر النتائج أن تكوين الجلوكوز في ب. سويس البيوفار 5 يتطلب فركتوز-بيسفوسفات ألدو لايز (Fba) وتقدم بيسفوسفاتاز جديدة (Bbp) قادرة على العمل على سيديوهيبتولوز 1،7-بيسفوسفات (S1،7bP) وF1،6bP. من الجدير بالذكر أن بروسلا Fbp تظهر أيضًا نشاطًا على S1،7bP، بينما GlpX غير نشطة في هذا السلالة. توضح الدراسة تفاعلين معتمدين على Fba يسهلان توليد فركتوز 6-فوسفات وسيديوهيبتولوز 7-فوسفات، مما يربط تكوين الجلوكوز بشنطة الفوسفات الخماسية (PPS). تفترض الأبحاث أن زيادة توجيه الإريثريتول إلى PPS عبر هذه المسارات تسهم في النمو الغزير لبروسلا في الأنسجة التناسلية للماشية، مما يؤدي إلى فشل تكاثري كبير وارتفاع عدوى الحمى المالطية. قد تساعد هذه الرؤى في تطوير لقاحات أكثر أمانًا وتخفيفًا للحيوانات الحوامل.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث جنس بروسلا، المسؤول عن الحمى المالطية، وهو مرض حيواني يشكل تهديدات كبيرة لإنتاج الحيوانات وصحة الإنسان على مستوى العالم. تكشف التحليلات الجينية النشوء والتطور أن المجموعة الأساسية من أنواع بروسلا، بما في ذلك ب. أبورتوس، ب. ميلتينسيس، وغيرها، متميزة عن بروسلا المبكرة المتباينة وأنواع أوكروبكتريم البيئية. تُعرف هذه البكتيريا بقدرتها على إقامة عدوى مستمرة كطفيليات داخل الخلايا اختيارية، مع ميل خاص للأنسجة التناسلية والمشيمية في الماشية، مما يؤدي إلى مشاكل تكاثر شديدة بسبب معدلات تكاثرها العالية، التي قد تصل إلى \(10^{14}\) بكتيريا لكل جنين.
تسلط الورقة الضوء على المسارات الأيضية التي تمكن بروسلا من الازدهار داخل خلايا المضيف، مع التركيز بشكل خاص على استخدام الإريثريتول، والهيكسوزات، والبينتوزات، بالإضافة إلى الأحماض الأمينية والركائز الجلوكوجينية. من الجدير بالذكر أن الدراسة تحدد مسار جلوكوجيني جديد يتضمن فركتوز-بيسفوسفات ألدو لايز (Fba) وفوسفاتاز واسع الطيف (Bbp) في ب. سويس البيوفار 5، مما يسهل تكوين الجلوكوز من خلال كل من مسار فركتوز 6-فوسفات الكلاسيكي وطريق جديد موصوف يتضمن سيديوهيبتولوز 7-فوسفات. تعزز هذه الاكتشافات فهم القدرات الأيضية لبروسلا وتبرز كفاءة استخدام الإريثريتول في تعزيز تكاثر البكتيريا في أنسجة المضيف، مما يسهم في المرضية الملحوظة في الحمى المالطية.
طرق البحث
تحدد قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، معدات، وعينات بيولوجية، مما يضمن إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية البروتوكولات المتبعة لجمع البيانات، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم إجراؤها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم الظروف التجريبية، مثل درجة الحرارة، والمدة، وأي ضوابط تم تنفيذها للتحقق من النتائج. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتوفير إطار شامل لفهم كيفية إجراء البحث والأساس الذي تم بناء الاستنتاجات عليه.
النتائج
تشير النتائج إلى أن خلل فركتوز-بيسفوسفات ألدو لايز (Fba) في بروسلا سويس 513 يؤثر بشكل كبير على نموها على الركائز ذات 3 كربونات (C) و4 كربونات. تمتلك السلالة إطار قراءة مفتوح واحد (ORF) يشفر Fba، والذي يصنف كألدولايز من الفئة الثانية المعتمدة على المعادن ويظهر 88% من تطابق التسلسل مع Fba من Rhizobium leguminosarum bv. viciae. تضمنت الدراسة إنشاء سلالة طافرة (Bs5Δfba) لتقييم تأثير Fba على التحويل المتبادل بين ثنائي هيدروكسي أسيتون-فوسفات (DHAP) وغليسيرالدهيد-3-فوسفات (GAP) إلى فركتوز-1،6-بيسفوسفات (F1،6bP).
كشفت تجارب النمو أنه بينما لم تتأثر السلالة الطافرة في الوسائط التي تحتوي على جلوكوز أو جلوكوز-بيبتون، إلا أنها فشلت في النمو على الركائز البديلة مثل الجلوتامات-لاكتات-غليسيرول، الجلوتامات، أو اللاكتات. تشير هذه النتيجة إلى أن Fba تلعب دورًا حاسمًا في تكوين الجلوكوز لب. سويس 513. بالإضافة إلى ذلك، فإن الحفاظ العالي على Fba بين أنواع بروسلا الأخرى، مع 99.44% من التطابق مع المتجانسات في ب. أبورتوس وب. ميلتينسيس، يبرز أهميتها المحتملة في المسارات الأيضية لهذه العوامل الممرضة.
المناقشة
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون في دور مختلف الفوسفاتاز في تكوين الجلوكوز في *بروسلا سويس* 513، مع التركيز بشكل خاص على الفوسفاتاز واسع الركيزة (Bbp) الذي تم تحديده حديثًا. أكدوا أن فركتوز-بيسفوسفات ألدو لايز (Fba) ضروري للنمو على الركائز الجلوكوجينية، بينما الفوسفاتاز التقليدية Fbp وGlpX غير ضرورية. من الجدير بالذكر أن الدراسة كشفت أن Bbp يمكن أن تدعم تكوين الجلوكوز بشكل مستقل، كما يتضح من تجارب النمو مع الطفرات المحذوفة. كما قام المؤلفون بتوصيف الأنشطة الإنزيمية لـ Fbp وGlpX وBbp، مما يظهر أن كل من Fbp وBbp تظهر نشاط فركتوز 1،6-بيسفوسفاتاز، مع Bbp التي تظهر نطاق أوسع من الخصائص الركيزة.
تشير النتائج إلى أن Bbp، التي تختلف عن FBPases المعروفة من حيث متطلبات المعادن وخصوصية الركيزة، تلعب دورًا كبيرًا في التكيف الأيضي لـ *بروسلا* لاستخدام الإريثريتول كمصدر للكربون. تفترض الدراسة أن الوظيفة المزدوجة لـ Fbp وBbp في إزالة الفوسفات من كل من فركتوز وسيديوهيبتولوز بيسفوسفات قد تسهل تكوين الجلوكوز وتدعم النمو تحت ظروف معينة. بشكل عام، تعزز هذه الأبحاث فهم المسارات الأيضية في *بروسلا* وتبرز الإمكانية لـ Bbp للمساهمة في قدرة الكائن الحي على التكيف في بيئات مختلفة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fvets.2024.1328293
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38601913
Publication Date: 2024-03-27
Author(s): Leticia Lázaro-Antón et al.
Primary Topic: Brucella: diagnosis, epidemiology, treatment
Overview
Brucellosis, a widespread zoonotic disease caused by Brucella species, particularly B. abortus, B. melitensis, and B. suis, exhibits notable metabolic adaptability, especially in the reproductive tissues of livestock. Research indicates that erythritol, abundant in these tissues, serves as a preferred substrate for Brucella, alongside other sugars. While the catabolic pathways for these substrates are established, the study reveals that B. suis biovar 5 can utilize 3-4 carbon substrates even in mutants lacking fructose 1,6-bisphosphate (F1,6bP) bisphosphatases (Fbp) and GlpX, suggesting alternative metabolic routes.
The findings demonstrate that gluconeogenesis in B. suis biovar 5 necessitates fructose-bisphosphate aldolase (Fba) and introduces a novel bisphosphatase (Bbp) capable of acting on sedoheptulose 1,7-bisphosphate (S1,7bP) and F1,6bP. Notably, Brucella Fbp also exhibits activity on S1,7bP, while GlpX is inactive in this strain. The study elucidates two Fba-dependent reactions that facilitate the generation of fructose 6-phosphate and sedoheptulose 7-phosphate, linking gluconeogenesis to the Pentose Phosphate Shunt (PPS). The research posits that the enhanced channeling of erythritol into the PPS via these pathways contributes to the prolific growth of Brucella in livestock reproductive tissues, leading to significant reproductive failures and the high contagion of brucellosis. These insights may inform the development of safer, attenuated vaccines for pregnant animals.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the genus Brucella, which is responsible for brucellosis, a zoonotic disease that poses significant threats to animal production and human health globally. Phylogenomic analyses reveal that the core group of Brucella species, including B. abortus, B. melitensis, and others, is distinct from early diverging brucellae and environmental Ochrobactrum species. These bacteria are known for their ability to establish persistent infections as facultative intracellular parasites, with a particular affinity for genital and placental tissues in livestock, leading to severe reproductive issues due to their high multiplication rates, potentially reaching up to \(10^{14}\) bacteria per conceptus.
The paper highlights the metabolic pathways that enable Brucella to thrive within host cells, particularly focusing on the utilization of erythritol, hexoses, and pentoses, as well as amino acids and gluconeogenic substrates. Notably, the study identifies a new gluconeogenic pathway involving fructose-bisphosphate aldolase (Fba) and a broad-spectrum phosphatase (Bbp) in B. suis biovar 5, which facilitates gluconeogenesis through both the classical fructose 6-phosphate pathway and a newly described route involving sedoheptulose 7-phosphate. This discovery enhances the understanding of Brucella’s metabolic capabilities and underscores the efficiency of erythritol utilization in promoting bacterial proliferation in host tissues, contributing to the pathogenicity observed in brucellosis.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the protocols followed for data collection, including any statistical analyses performed to interpret the results.
Additionally, the section may describe the experimental conditions, such as temperature, duration, and any controls implemented to validate the findings. Overall, this section serves to provide a comprehensive framework for understanding how the research was conducted and the basis for the conclusions drawn.
Results
The results indicate that the dysfunction of the fructose-bisphosphate aldolase (Fba) in Brucella suis 513 significantly impairs its growth on 3-carbon (C) and 4-C substrates. The strain possesses a single open reading frame (ORF) encoding Fba, which is classified as a metal-dependent Class II aldolase and exhibits 88% sequence identity with the Fba from Rhizobium leguminosarum bv. viciae. The study involved creating a mutant strain (Bs5Δfba) to assess the impact of Fba on the interconversion of dihydroxyacetone-phosphate (DHAP) and glyceraldehyde-3-phosphate (GAP) to fructose-1,6-bisphosphate (F1,6bP).
Growth experiments revealed that while the mutant strain was unaffected in media containing glucose or glucose-peptone, it failed to grow on alternative substrates such as glutamate-lactate-glycerol, glutamate, or lactate. This finding suggests that Fba plays a crucial role in gluconeogenesis for B. suis 513. Additionally, the high conservation of Fba among other Brucella species, with 99.44% identity to homologs in B. abortus and B. melitensis, underscores its potential importance in the metabolic pathways of these pathogens.
Discussion
In this study, the authors investigated the role of various phosphatases in gluconeogenesis in *Brucella suis* 513, particularly focusing on the newly identified broad-substrate phosphatase (Bbp). They confirmed that the fructose-bisphosphate aldolase (Fba) is essential for growth on gluconeogenic substrates, while the canonical phosphatases Fbp and GlpX are dispensable. Notably, the study revealed that Bbp can sustain gluconeogenesis independently, as evidenced by growth experiments with deletion mutants. The authors also characterized the enzymatic activities of Fbp, GlpX, and Bbp, demonstrating that both Fbp and Bbp exhibit fructose 1,6-bisphosphatase activity, with Bbp showing broader substrate specificity.
The findings suggest that Bbp, which is distinct from known FBPases in terms of metal requirements and substrate specificity, plays a significant role in the metabolic adaptation of *Brucella* to utilize erythritol as a carbon source. The study posits that the dual functionality of Fbp and Bbp in dephosphorylating both fructose and sedoheptulose bisphosphates may facilitate gluconeogenesis and support growth under specific conditions. Overall, this research enhances the understanding of the metabolic pathways in *Brucella* and highlights the potential for Bbp to contribute to the organism’s adaptability in various environments.