Определение структуры полисахарида штамма K15g Klebsiella grimontii и продуктов его расщепления деполимеразой фага Silvester

Аннотация

Klebsiella grimontii – недавно описанный патоген, ранее относимый к филогруппе K06 Klebsiella oxytoca, ныне повышенный до уровня нового вида. Капсульный полисахарид (КПС) является важным фактором вирулентности K. grimontii, существенно повышающим инфекционность бактерии. В данном исследовании определён новый тип структуры КПС штамма K. grimontii K15g, состоящий из разветвлённых гексасахаридных K‑звеньев, которые включают четыре моносахарида в основной цепи и дисахаридную боковую цепь, содержащую 4,6‑ацеталь пировиноградной кислоты. Поскольку расщепление КПС инициирует процесс инфицирования бактерии фагом на молекулярном уровне, мы изучили деполимеразную активность структурного белка фаговой частицы и показали, что рекомбинантная деполимераза фага Silvester расщепляет КПС по связи β‑D‑GlcpA‑(1→2)‑α‑L‑Rhap между звеньями полисахарида. Также была выдвинута гипотеза о пути биосинтеза этого типа КПС.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Вклад авторов

М.М. Шнейдер – концепция; А.А. Лукьянова, А.Д. Токмакова, М.М. Шнейдер, А.А. Касимова, А.С. Шеленков, Ю.В. Михайлова, И.А. Путилов – проведение экспериментов; М.М. Шнейдер, А.А. Лукьянова – обработка данных; А.А. Лукьянова, А.А. Касимова – написание текста; М.М. Шнейдер, Ю.А. Книрель, К.А. Мирошников – обсуждение результатов и редактирование текста; М.М. Шнейдер, Ю.А. Книрель, К.А. Мирошников – руководство проектом; А.А. Лукьянова – обеспечение финансирования.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (проект 075-15-2021-1085, номер темы: FMFU-2022-0002).

Благодарности

Выполнение масс-спектрометрии иЯМР-спектроскопии проведено на оборудовании Отдела структурных исследований ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН.

Конфликт интересов

Авторы заявляют отсутствие конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

Дополнительная информация

Данные исследования. Аннотированная последовательность генома штамма K15g Klebsiella grimontii депонирована в GenBank под кодом доступа NZ_JBAMIA000000000.1. Локус синтеза КПС K15g – код доступа PV491420.1. Аннотированный геном бактериофага Silvester – код доступа PV506378.

Список литературы

1. Passet, V., and Brisse, S. (2018) Description of Klebsiella grimontii sp. nov., Int. J. Syst. Evol. Microbiol., 68, 377-381, https://doi.org/10.1099/ijsem.0.002517.

2. Liu, L., Feng, Y., Hu, Y., Kang, M., Xie, Y., and Zong, Z. (2018) Klebsiella grimontii, a new species acquired carbapenem resistance, Front. Microbiol., 9, 2170, https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.02170.

3. Campos-Madueno, E. I., Moser, A. I., Risch, M., Bodmer, T., and Endimiani, A. (2021) Exploring the global spread of Klebsiella grimontii isolates possessing bla_VIM-1 and mcr-9, Antimicrob. Agents Chemother., 65, 00724, https://doi.org/10.1128/aac.00724-21.

4. Campos-Madueno, E. I., Mauri, C., Meroni, E., Paseiro, P. P., Consonni, A., Luzzaro, F., and Endimiani, A. (2022) Simultaneous gut colonization by Klebsiella grimontii and Escherichia coli co-possessing the blaKPC-3-carrying pQil plasmid, Eur. J. Clin. Microbiol. Infect. Dis., 41, 1087-1091, https://doi.org/10.1007/s10096-022-04462-z.

5. Hubbard, A. T., Newire, E., Botelho, J., Reiné, J., Wright, E., Murphy, E. A., Hutton, M., and Roberts, A. P. (2020) Isolation of an antimicrobial‐resistant, biofilm‐forming, Klebsiella grimontii isolate from a reusable water bottle, Microbiol. Open, 9, 1128-1134, https://doi.org/10.1002/mbo3.1023.

6. Follador, R., Heinz, E., Wyres, K. L., Ellington, M. J., Kowarik, M., Holt, K. E., and Thomson, N. R. (2016) The diversity of Klebsiella pneumoniae surface polysaccharides, Microb. Genomics, 2, e000073, https://doi.org/10.1099/mgen.0.000073.

7. Xu, L., Li, J., Wu, W., Wu, X., and Ren, J. (2024) Klebsiella pneumoniae capsular polysaccharide: Mechanism in regulation of synthesis, virulence, and pathogenicity, Virulence, 15, 2439509, https://doi.org/10.1080/21505594.2024.2439509.

8. Zierke, L., Mourad, R., Kohler, T. P., Müsken, M., and Hammerschmidt, S. (2025) Influence of the polysaccharide capsule on virulence and fitness of Klebsiella pneumoniae, Front. Microbiol., 16, 1450984, https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1450984.

9. Maghembe, R. S., Magulye, M. A., Makaranga, A., Moto, E., Sekyanzi, S., Mwesigwa, S., and Katagirya, E. (2024) Comprehensive genomics reveals novel sequence types of multidrug resistant Klebsiella oxytoca with uncharacterized capsular polysaccharide K- and lipopolysaccharide O-antigen loci from the National Hospital of Uganda, Infect. Genet. Evol., 123, 105640, https://doi.org/10.1016/j.meegid.2024.105640.

10. Bankevich, A., Nurk, S., Antipov, D., Gurevich, A. A., Dvorkin, M., Kulikov, A. S., Lesin, V. M., Nikolenko, S. I., Pham, S., Prjibelski, A. D., Pyshkin, A. V., Sirotkin, A. V., Vyahhi, N., Tesler, G., Alekseyev, M. A., and Pevzner, P. A. (2012) SPAdes: a new genome assembly algorithm and its applications to single-cell sequencing, J. Computat. Biol., 19, 455-477, https://doi.org/10.1089/cmb.2012.0021.

11. Camacho, C., Coulouris, G., Avagyan, V., Ma, N., Papadopoulos, J., Bealer, K., and Madden, T. L. (2009) BLAST+: architecture and applications, BMC Bioinformatics, 10, 421, https://doi.org/10.1186/1471-2105-10-421.

12. Söding, J., Biegert, A., and Lupas, A. N. (2005) The HHpred interactive server for protein homology detection and structure prediction, Nucleic Acids Res., 33, W244–W248, https://doi.org/10.1093/nar/gki408.

13. Shneider, M. M., Buth, S. A., Ho, B. T., Basler, M., Mekalanos, J. J., and Leiman, P. G. (2013) PAAR-repeat proteins sharpen and diversify the type VI secretion system spike, Nature, 500, 350–353, https://doi.org/10.1038/nature12453.

14. Westphal, O., and Jann, K. (1965) Bacterial lipopolysaccharides: extraction with phenol-water and further applications of the procedure, Methods Carbohydr. Chem., 5, 83-87.

15. Shashkov, A. S., Lipkind, G. M., Knirel, Y. A., and Kochetkov, N. K. (1988) Stereochemical factors determining the effects of glycosylation on the 13C chemical shifts in carbohydrates, Magn. Reson. Chem., 26, 735-747, https://doi.org/10.1002/mrc.1260260904.

16. Leonteln, K., and Lönngren, J. (1993) Determination of the absolute configuration of sugars by gas liquid chromatography of their acetylated 2-octyl glycosides, Methods Carbohydr. Chem., 9, 87-89.

17. Garegg, P. J., Lindberg, B., and Kvarnström, I. (1979) Preparation and N.M.R. studies of pyruvic acid and related acetals of pyranosides: configuration at the acetal carbon atoms, Carbohydr. Res., 77, 71-78, https://doi.org/10.1016/S0008-6215(00)83794-5.

18. Lipkind, G. M., Shashkov, A. S., Knirel, Y. A., Vinogradov, E. V., and Kochetkov, N. K. (1988) A computer-assisted structural analysis of regular polysaccharides on the basis of 13C-n.m.r. data, Carbohydr. Res., 175, 59-75, https://doi.org/10.1016/0008-6215(88)80156-3.

19. Jansson, P. E., Kenne, L., and Widmalm, G. (1989) Computer-assisted structural analysis of polysaccharides with an extended version of CASPER using 1H- and 13C-n.m.r. data, Carbohydr. Res., 188, 169-191, https://doi.org/10.1016/0008-6215(89)84069-8.

20. Wick, R. R., Heinz, E., Holt, K. E., and Wyres, K. L. (2018) Kaptive Web: user-friendly capsule and lipopolysaccharide serotype prediction for Klebsiella genomes, J. Clin. Microbiol., 56, 10-1128, https://doi.org/10.1128/jcm.00197-18.

21. Shu, H. Y., Fung, C. P., Liu, Y. M., Wu, K. M., Chen, Y. T., Li, L. H., Liu, T. T., Kirby, R., and Tsai, S. F. (2009) Genetic diversity of capsular polysaccharide biosynthesis in Klebsiella pneumoniae clinical isolates, Microbiology, 155, 4170-4183, https://doi.org/10.1099/mic.0.029017-0.

22. Pan, Y. J., Lin, T. L., Chen, C. T., Chen, Y. Y., Hsieh, P. F., Hsu, C. R., Wu, M. C., and Wang, J. T. (2015) Genetic analysis of capsular polysaccharide synthesis gene clusters in 79 capsular types of Klebsiella spp., Sci. Rep., 5, 15573, https://doi.org/10.1038/srep15573.

23. Björndal, H., Linberg, B., Lönngren, J., and Sutherland, I. W. (1973) Structural studies of the Klebsiella type 47 capsular polysaccharide, Carbohydr. Res., 27, 373-378, https://doi.org/10.1016/S0008-6215(00)81319-1.

24. Stenutz, R., Erbing, B., Widmalm, G., Jansson, P. E., and Nimmich, W. (1997) The structure of the capsular polysaccharide from Klebsiella type 52, using the computerised approach CASPER and NMR spectroscopy, Carbohydr. Res., 302, 79-84, https://doi.org/10.1016/S0008-6215(97)00106-7.

25. Curvall, M., Lindberg, B., Lönngren, J., and Nimmich, W. (1975) Structural studies of the capsular polysaccharide of Klebsiella type 81, Carbohydr Res, 42, 73-82, https://doi.org/10.1016/S0008-6215(00)84101-4.

26. Ravenscroft, N., Jackson, G. E., Joao, H., and Stephen, A. M. (1988) Spectroscopic analysis of the oligosaccharides produced by bacteriophage-borne enzyme action on Klebsiella K36 polysaccharide, South African J. Chem., 41, 42-47.

27. Cescutti, P., Toffanin, R., Kvam, B. J., Paoletti, S., and Dutton, G. G (1993) Structural determination of the capsular polysaccharide produced by Klebsiella pneumoniae serotype K40. NMR studies of the oligosaccharide obtained upon depolymerisation of the polysaccharide with a bacteriophage-associated endoglycanase, Eur. J. Biochem., 213, 445-453, https://doi.org/10.1111/j.1432-1033.1993.tb17780.x.

28. Bellich, B., Lagatolla, C., Rizzo, R., D’Andrea, M. M., Rossolini, G. M., and Cescutti, P. (2020) Determination of the capsular polysaccharide structure of the Klebsiella pneumoniae ST512 representative strain KPB-1 and assignments of the glycosyltransferases functions, Int. J. Biol. Macromol., 155, 315-323, https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.03.196.

29. Pettersen, E. F., Goddard, T. D., Huang, C. C., Couch, G. S., Greenblatt, D. M., Meng, E. C., and Ferrin, T. E. (2004) UCSF Chimera – a visualization system for exploratory research and analysis, J. Comput. Chem., 25, 1605-1612, https://doi.org/10.1002/jcc.20084.