Bases moleculares da degradação e do metabolismo de N-glicanos pela bactéria probiótica "Bifidobacterium longum" : Molecular basis of the degradation and metabolism of N-glycans by the probiotic bacterium "Bifidobacterium longum"

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Cordeiro, Rosa Lorizolla, 1989-
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/8208
Resumo: Orientador: Mário Tyago Murakami
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spelling Bases moleculares da degradação e do metabolismo de N-glicanos pela bactéria probiótica "Bifidobacterium longum" : Molecular basis of the degradation and metabolism of N-glycans by the probiotic bacterium "Bifidobacterium longum"Molecular basis of the degradation and metabolism of N-glycans by the probiotic bacterium "Bifidobacterium longum"Glicosídeo hidrolasesGlicosilaçãoBifidobacterium longumGlycoside hydrolasesGlycosylationBifidobacterium longumOrientador: Mário Tyago MurakamiTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de BiologiaResumo: As bifidobactérias compõem a microbiota intestinal humana e conferem diversas vantagens à nossa saúde, como na modulação do sistema imune e na proteção contra patógenos. Para sobreviver em um ambiente altamente competitivo por recursos, as bifidobactérias desenvolveram estratégias para captar, decompor, e utilizar carboidratos indigestíveis pelo hospedeiro. Alguns desses carboidratos são produzidos pelo próprio hospedeiro, como, por exemplo, os N-glicanos presentes em glicoproteínas do lúmen intestinal. Bifidobacterium longum subsp. longum NCC2705 utiliza N-glicanos como fonte de carbono, entretanto as bases moleculares do reconhecimento e desconstrução desses carboidratos eram até então parcialmente compreendidas. Neste trabalho, nós elucidamos grande parte dos mecanismos moleculares da degradação de N-glicanos por B. longum, decifrando o papel bioquímico de 5 hidrolases glicosídicas que atuam em cascata para a liberação de açúcares simples a partir desses carboidratos complexos. Em alguns casos, foi possível desvendar as estruturas tridimensionais das enzimas por cristalografia de raios X ou criomicroscopia eletrônica (Cryo-EM), que revelaram elementos estruturais inéditos para o reconhecimento de N-glicanos. Uma beta-manosidase da família GH5 de hidrolases glicosídicas tinha sua função desconhecida e se mostrou altamente especializada para o reconhecimento do dissacarídeo Man-beta-1,4-GlcNAc, que compõe o núcleo universal de N-glicanos eucariotos. Sua especificidade é ditada por uma arquitetura molecular encontrada apenas na subfamília a qual essa enzima pertence, que compreende um resíduo de triptofano swapping, uma região C-terminal com conformação induzida pela presença do substrato e um subdomínio Rossmann. Três alfa-manosidases da família GH38 são complementares na remoção de resíduos de manose que compõem os braços dos N-glicanos do tipo high manose. Dois loops divergentes entre estas enzimas delimitam seus sítios ativos e parecem determinar a preferência ao substrato para cada uma delas. Além disso, a presença de uma alfa-glicosidase no sistema indica que B. longum também é capaz de utilizar como nutriente N-glicosilações imaturas, encontradas no tecido epitelial do intestino. Por fim, desvendamos uma rota metabólica da manose, o único monossacarídeo que tinha seu metabolismo ainda elusivo nas bifidobactérias. Através da caracterização de uma nova isomerase, mostramos que B. longum metaboliza manose por uma via metabólica rara. Sendo assim, nesta tese, apresentamos as bases moleculares da degradação de N-glicanos por B. longum e um possível destino da manose no metabolismo da bactéria. As estratégias moleculares para o reconhecimento e clivagem de N-glicanos aqui reportadas podem ser utilizadas para o desenvolvimento de métodos para a detecção e tratamento de doenças relacionadas a N-glicosilações, ou mesmo como ferramentas moleculares para se caracterizar a estrutura de N-glicanos ainda desconhecidos. Além disso, este trabalho forneceu informações bioquímicas e mecanísticas da interação bactéria-hospedeiro de um dos gêneros bacterianos mais importantes para a saúde humana e que tem coevoluido com os seres humanos há milhares de anosAbstract: Bifidobacteria colonize the human gut and confer several advantages to our health, including the modulation of immune system and protection against pathogens. To survive in a highly resource-competitive environment, bifidobacteria have developed strategies to uptake and break down non-edible carbohydrates by the host. Some of these carbohydrates are produced by the host itself, such as the N-glycans present in glycoproteins found in the intestinal lumen. Bifidobacterium longum subsp. longum NCC2705 uses N-glycans as a carbon source; however, the molecular basis for the recognition and deconstruction of these carbohydrates were until then partially understood. In this work, we elucidate most of the molecular mechanisms of N-glycan degradation by B. longum deciphering the biochemical role of 5 glycosidic hydrolases that act in cascade for the release of simple sugars from these complex carbohydrates. In some cases, it was possible to unveil their three-dimensional structures by X-ray crystallography or cryo-electron microscopy (Cryo-EM), which revealed new structural elements for the recognition of N-glycans. A beta-mannosidase from the GH5 family of glycosyl hydrolases had an unknown function and showed to be highly specialized for the recognition of the disaccharide Man-beta-1,4-GlcNAc, which composes the universal core of eukaryotic N-glycans. Its specificity is dictated by a molecular architecture found only in this enzyme subfamily, which comprises a swapped tryptophan residue, a C-terminal region with conformation induced by the substrate and a Rossmann subdomain. Three alpha-mannosidases from the GH38 family are complementary in removing mannose residues from the antennas of N-glycans. Two divergent loops between these enzymes delimit their active sites and seem to determine their substrate preference. Furthermore, the presence of an alpha-glucosidase in the system indicates that B. longum is also capable of using immature N-glycosylations as nutrients, found on the intestinal epithelium. Finally, we discovered a metabolic route for mannose, the only monosaccharide whose metabolism was yet elusive in Bifidobacteria. We show that B. longum metabolizes mannose using a rare metabolic pathway involving a novel isomerase. Thus, in this thesis, we present the molecular basis of N-glycans depolymerization in B. longum and a putative metabolic route for mannose. These findings can be used to develop methods for the detection and treatment of diseases related to N-glycosylations, or even as molecular tools to characterize the structure of unknown N-glycans. Besides, this work provides biochemical and mechanistic information about the bacterium-host interaction of one of the most important bacterial genera for human health, which has co-evolved with humans over thousands of yearsDoutoradoBioquímicaDoutora em Biologia Funcional e MolecularFAPESP2016/00740-2CAPES001[s.n.]Murakami, Mário Tyago, 1981-Benedetti, Celso EduardoOliva, GlauciusFarah, Shaker ChuckGuimarães, Beatriz GomesUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Instituto de BiologiaPrograma de Pós-Graduação em Biologia Funcional e MolecularUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASCordeiro, Rosa Lorizolla, 1989-20202020-11-30T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online (231 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/8208CORDEIRO, Rosa Lorizolla. Bases moleculares da degradação e do metabolismo de N-glicanos pela bactéria probiótica "Bifidobacterium longum": Molecular basis of the degradation and metabolism of N-glycans by the probiotic bacterium "Bifidobacterium longum". 2020. 1 recurso online (231 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/8208. Acesso em: 3 set. 2024.https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/1266060porreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instname:Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instacron:UNICAMPinfo:eu-repo/semantics/openAccess2023-04-04T12:35:58Zoai::1266060Biblioteca Digital de Teses e DissertaçõesPUBhttp://repositorio.unicamp.br/oai/tese/oai.aspsbubd@unicamp.bropendoar:2023-04-04T12:35:58Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)false
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