mimmunМедицинская иммунологияMedical Immunology (Russia)1563-06252313-741XSPb RAACI10.15789/1563-0625-2016-6-555-562mimmun-1136Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESРОЛЬ АРГИНИНДЕИМИНАЗЫ STREPTOCOCCUS PYOGENES M49-16 В ИНГИБИЦИИ ПРОЛИФЕРАЦИИ ЭНДОТЕЛИАЛЬНЫХ КЛЕТОК ЧЕЛОВЕКА ЛИНИИ EA.hy926A ROLE OF ARGININE DEIMINASE FROM STREPTOCOCCUS PYOGENES M49-16 IN PROMOTING INFECTION AND INHIBITION OF ENDOTHELIAL CELL PROLIFERATIONСтариковаЭ. А.StarikovaE. A.

к.б.н., старший научный сотрудник отдела иммунологии

PhD (Biology), Senior Research Associate, Department of Immunology,

Starickova@yandex.ruКарасеваА. Б.KarasevaA. B.

научный сотрудник отдела молекулярной микробиологии

Research Associate, Department of Molecular Microbiology

Starickova@yandex.ruБуроваЛ. А.BurovaL. A.

д.м.н., ведущий научный сотрудник отдела молекулярной микробиологии

PhD, MD (Medicine), Leading Research Associate, Department of Molecular Microbiology

Starickova@yandex.ruСуворовА. Н.SuvorovA. N.

д.м.н., заведующий отделом молекулярной микробиологии

PhD, MD (Medicine), Head, Department of Molecular Microbiology

Starickova@yandex.ruСоколовА. В.SokolovA. V.

д.б.н., заведующий лабораторией, отдел молекулярной генетики

PhD, MD (Biology), Head of Laboratory, Department of Molecular Genetics

Starickova@yandex.ruВасильевВ. Б.VasilyevV. B.

д.м.н., заведующий отделом молекулярной генетики

PhD, MD (Medicine), Chief, Department of Molecular Genetics

Starickova@yandex.ruФрейдлинИ. С.FreidlinI. S.

д.м.н., член-корр. РАН, главный научный сотрудник отдела иммунологии

hD, MD (Medicine), Corresponding Member, Russian Academy of Sciences, Main Research Associate, Department of Immunology

Starickova@yandex.ruФГБНУ «Институт экспериментальной медицины», Санкт-Петербург, РоссияРоссияInstitute of Experimental Medicine, St. Petersburg, Russian FederationRussian FederationФГБНУ «Институт экспериментальной медицины», Санкт-Петербург, Россия ГБОУ ВПО «Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет имени академика И.П. Павлова» Министерства здравоохранения РФ, Санкт-Петербург, РоссияРоссияInstitute of Experimental Medicine, St. Petersburg, Russian Federation The First St. Petersburg I. Pavlov State Medical University, St. Petersburg, Russian FederationRussian Federation201608122016186555562Copyright © Старикова Э.А., Карасева А.Б., Бурова Л.А., Суворов А.Н., Соколов А.В., Васильев В.Б., Фрейдлин И.С., 20162016Старикова Э.А., Карасева А.Б., Бурова Л.А., Суворов А.Н., Соколов А.В., Васильев В.Б., Фрейдлин И.С.Starikova E.A., Karaseva A.B., Burova L.A., Suvorov A.N., Sokolov A.V., Vasilyev V.B., Freidlin I.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.mimmun.ru/mimmun/article/view/1136

Аргининдеиминаза (АД) – бактериальный фермент, который осуществляет гидролиз аргинина с образованием цитруллина и аммиака. В последние годы в литературе накапливается все больше данных об антиангиогенном действии АД Mycoplasma spp. в экспериментах in vitro и in vivo. Наши исследования показали, что АД Streptococcus pyogenes тип М22 обладает аналогичным эффектом, а именно – подавляет пролиферацию и другие функции эндотелиальных клеток, связанные с процессом ангиогенеза. Для подтверждения ведущей роли АД как фактора, ответственного за анти-пролиферативное действие, был сконструирован изогенный мутант S. pyogenes тип M49-16, не способный экспрессировать АД. Был проведен сравнительный анализ антипролиферативной активности S. pyogenes M49-16 и его изогенного мутанта с делецией гена АД (M49-16delAD) в отношении эндотелиальных клеток линии EA.hy926. В работе использовали супернатанты разрушенных ультразвуком S. pyogenes M49-16 и M49-16delAD. В ходе исследований проводили сравнение способности супернатантов разрушенных S. pyogenes M49-16 и M49-16delAD гидролизовать аргинин. Кроме того, изучали влияние супернатантов разрушенных стрептококков на пролиферативную активность эндотелиальных клеток и их распределение по фазам клеточного цикла. Исследования показали, что супернатант исходного штамма S. pyogenes 49-16 достоверно подавлял пролиферацию эндотелиальных клеток (на 50% от контроля). Этот эффект был обусловлен его аргинигидролизующей активностью, т.к. добавление в среду экзогенного аргинина приводило к восстановлению пролиферации клеток до уровня пролиферации в контроле. Супернатант S. pyogenes М49-16delAD обладал достоверно сниженной по сравнению с супернатантом исходного штамма способностью гидролизовать аргинин. Культивирование эндотелиальных клеток в присутствии супернатанта S. pyogenes М49-16delAD приводило к снижению их пролиферативной активности только на 10% от контроля. Анализ распределения клеток по фазам клеточного цикла подтвердил эти результаты. Супернатант S. pyogenes M49-16 снижал долю клеток в фазах синтеза на 20% по сравнению с контролем. В присутствии супернатанта S. pyogenes М49-16delAD уменьшение доли клеток в фазах синтеза было выражено достоверно слабее и составило всего 5% от контроля. Полученные результаты раскрывают новые патогенетические механизмы эндотелиальной дисфункции при стрептококковой инфекции и доказывают антиангиогенный потенциал стрептококковой аргининдеиминазы.

Arginine deiminase is a bacterial enzyme that hydrolyses arginine with citrulline and ammonia formation. In recent years, increasing evidence is reported about in vitro and in vivo anti-angiogenic action of arginine deiminase from Mycoplasma spp. Our studies have shown that arginine deiminase from Streptococcus pyogenes M22 exerts similar effects, i.e., inhibits proliferation and other endothelial cell functions related to angiogenesis. To confirm a leading role of arginine deiminase, as a factor responsible for the anti-proliferative effect, we have constructed an isogenic S. pyogenes M49-16 mutant unable to express arginine deiminase. A comparative analysis of anti-proliferative activity of original S. pyogenes M49-16 strain and its isogenic mutant with arginine deiminase gene deletion (M49-16delAD) was performed, using an endothelial EA.hy926 cell line. The bacterial supernatantes obtained by sonication of S. pyogenes M49-16 and M49-16delAD were tested. The ability of S. pyogenes M49-16 and M49-16delAD supernatantes to hydrolyze arginine was assessed. Moreover, we compared effects of the Streptococcus supernatantes upon proliferative activity of endothelial cells and their distribution through the cell cycle phases.

Supernatantes from original S. pyogenes 49-16 strain were shown to inhibit endothelial cell proliferation to a significant degree (down to 50% of controls). This effect was due to its arginine hydrolyzing activity, i. e. addition of exogenous arginine to the medium resulted into recovery of the cell proliferation levels. The supernatante from S. pyogenes M49-16delAD showed a lower ability to hydrolyze arginine as compared to the supernatante of original strain. Culturing of endothelial cells supplied with S. pyogenes M49-16delAD supernatantes resulted into reduction of their proliferative activity by 10% of control values. Analysis of the cell cycle distribution was concordant with these results. S. pyogenes M49-16 supernatante caused a decrease in S-phase cell fraction by 20% against controls. With a supernatants from S. pyogenes M49-16delAD, such drop in DNA-synthesizing cell ratio was significantly weaker (by only 5% of the control). These results reveal new pathogenetic mechanisms of endothelial dysfunction during streptococcal infection and suggest anti-angiogenic potential of streptococcal arginine deiminase.

S. Pyogenesаргининдеиминазаэндотелиальные клеткиаргининпролиферацияS. pyogenesarginine deiminaseendothelial cellsarginineproliferationReferencesКиселев П.Н. Токсикология инфекционных процессов. Л.: Медицина, 1971. 359 с. [Kiselev P.N. Infectious processes toxicology]. Leningrad: Medicine, 1971. 359 p.Киселев П.Н. Токсикология инфекционных процессов. Л.: Медицина, 1971. 359 с. [Kiselev P.N. Infectious processes toxicology]. Leningrad: Medicine, 1971. 359 p.Старикова Э.А., Лебедева А.М., Бурова Л.А. Фрейдлин И.С. Изменения функциональной активности эндотелиальных клеток под влиянием лизата Streptococcus pyogenes // Цитология, 2012. Т. 54, № 1. С. 49-Старикова Э.А., Лебедева А.М., Бурова Л.А. Фрейдлин И.С. Изменения функциональной активности эндотелиальных клеток под влиянием лизата Streptococcus pyogenes // Цитология, 2012. Т. 54, № 1. С. 49-[Starikova E.A., Lebedeva A.M., Burova L.A., Freidlin I.S. Regulation of endothelial cells functions by ultrasonic supernatant of Streptococcus pyogenes. Tsitologiya = Citology, 2012, Vol. 54, no. 1, pp. 49-57. (In Russ.)][Starikova E.A., Lebedeva A.M., Burova L.A., Freidlin I.S. Regulation of endothelial cells functions by ultrasonic supernatant of Streptococcus pyogenes. Tsitologiya = Citology, 2012, Vol. 54, no. 1, pp. 49-57. (In Russ.)]Beloussow K., Wang L., Wu J., Ann D., Shen W.C. Recombinant arginine deiminase as a potential antiangiogenic agent. Cancer. Lett., 2002, Vol. 183, no. 2, pp. 155-162.Beloussow K., Wang L., Wu J., Ann D., Shen W.C. Recombinant arginine deiminase as a potential antiangiogenic agent. Cancer. Lett., 2002, Vol. 183, no. 2, pp. 155-162.Burns E., Marsiel A., Musser J. Activation of a 66-Kilodalton human endothelial cell matrix metalloprotease by Streptococcus pyogenes extracellular cysteine protease. Infection and Immunity, 1996, Vol. 64, pp. 4744-4750.Burns E., Marsiel A., Musser J. Activation of a 66-Kilodalton human endothelial cell matrix metalloprotease by Streptococcus pyogenes extracellular cysteine protease. Infection and Immunity, 1996, Vol. 64, pp. 4744-4750.Bryant A.E. Biology and pathogenesis of thrombosis and procoagulant activity in invasive infections caused by group A streptococci and Clostridium perfringens. Clin. Microbiol. Rev., 2003, Vol. 16, no. 3, pp. 451-462.Bryant A.E. Biology and pathogenesis of thrombosis and procoagulant activity in invasive infections caused by group A streptococci and Clostridium perfringens. Clin. Microbiol. Rev., 2003, Vol. 16, no. 3, pp. 451-462.Casiano-Colon A., Marquis R.E. Role of the arginine deiminase system in protecting oral bacteria and an enzymatic basis for acid tolerance. Appl. Environ. Microbiol., 1988, Vol. 54, no. 6, pp. 1318-1324.Casiano-Colon A., Marquis R.E. Role of the arginine deiminase system in protecting oral bacteria and an enzymatic basis for acid tolerance. Appl. Environ. Microbiol., 1988, Vol. 54, no. 6, pp. 1318-1324.Chen F., Lucas R., Fulton D. The subcellular compartmentalization of arginine metabolizing enzymes and their role in endothelial dysfunction. Front. Immunol., 2013, Vol. 4, p. 184.Chen F., Lucas R., Fulton D. The subcellular compartmentalization of arginine metabolizing enzymes and their role in endothelial dysfunction. Front. Immunol., 2013, Vol. 4, p. 184.Das P., Lahiri A., Lahiri A., Chakravortty D. Modulation of the Arginase Pathway in the Context of Microbial Pathogenesis: A Metabolic Enzyme Moonlighting as an Immune Modulator. PLoS Pathog., 2010, Vol. 6, no. 6, e1000899.Das P., Lahiri A., Lahiri A., Chakravortty D. Modulation of the Arginase Pathway in the Context of Microbial Pathogenesis: A Metabolic Enzyme Moonlighting as an Immune Modulator. PLoS Pathog., 2010, Vol. 6, no. 6, e1000899.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.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.Durante W. Role of arginase in vessel wall remodeling. Front. Immunol., 2013, Vol. 4, p. 111.Durante W. Role of arginase in vessel wall remodeling. Front. Immunol., 2013, Vol. 4, p. 111.Edgell C.-J.S., McDonald C.C., Graham J.B. Permanent cell line expressing human factor VIII-related antigen established by hybridization. Nati. Acad. Sci. USA, 1983, Vol. 80, no. 12, pp. 3734-3737.Edgell C.-J.S., McDonald C.C., Graham J.B. Permanent cell line expressing human factor VIII-related antigen established by hybridization. Nati. Acad. Sci. USA, 1983, Vol. 80, no. 12, pp. 3734-3737.Feun L.G., Kuo M.T., Savaraj N. Arginine deprivation in cancer therapy. Curr. Opin. Clin. Nutr. Metab. Care, 2015, Vol. 18, no. 1, pp. 78-82.Feun L.G., Kuo M.T., Savaraj N. Arginine deprivation in cancer therapy. Curr. Opin. Clin. Nutr. Metab. Care, 2015, Vol. 18, no. 1, pp. 78-82.Fiedler T., Strauss M., Hering S., Redanz U., William D., Rosche Y., Classen C.F., Kreikemeyer B., Linnebacher M., Maletzki C. Arginine deprivation by arginine deiminase of Streptococcus pyogenes controls primary glioblastoma growth in vitro and in vivo. Cancer Biol. Ther., 2015, Vol. 16, no. 7, pp. 1047-1055.Fiedler T., Strauss M., Hering S., Redanz U., William D., Rosche Y., Classen C.F., Kreikemeyer B., Linnebacher M., Maletzki C. Arginine deprivation by arginine deiminase of Streptococcus pyogenes controls primary glioblastoma growth in vitro and in vivo. Cancer Biol. Ther., 2015, Vol. 16, no. 7, pp. 1047-1055.Kim R.H., Bold R.J., Kung H.J.. ADI, autophagy and apoptosis: metabolic stress as a therapeutic option for prostate cancer. Autophagy, 2009, Vol. 5, no. 4, pp. 567-568.Kim R.H., Bold R.J., Kung H.J.. ADI, autophagy and apoptosis: metabolic stress as a therapeutic option for prostate cancer. Autophagy, 2009, Vol. 5, no. 4, pp. 567-568.Kuo M.T., Savaraj N., Feun L.G. Targeted cellular metabolism for cancer chemotherapy with recombinant arginine-degrading enzymes. LG.Oncotarget., 2010, Vol. 1, no. 4, pp. 246-251.Kuo M.T., Savaraj N., Feun L.G. Targeted cellular metabolism for cancer chemotherapy with recombinant arginine-degrading enzymes. LG.Oncotarget., 2010, Vol. 1, no. 4, pp. 246-251.Park I.-S., Kang S.-W., Shin Y.-J., Chae K.-Y., Park M.-O., Kim M.-Y., Wheatley D.N., Min B.-H. Arginine deiminase: a potential inhibitor of angiogenesis and tumour growth. British Journal of Cancer., 2003, Vol. 89, pp. 907-914.Park I.-S., Kang S.-W., Shin Y.-J., Chae K.-Y., Park M.-O., Kim M.-Y., Wheatley D.N., Min B.-H. Arginine deiminase: a potential inhibitor of angiogenesis and tumour growth. British Journal of Cancer., 2003, Vol. 89, pp. 907-914.Shen L.J., Lin W.C., Beloussow K., Hosoya K., Terasaki T., Ann D.K., Shen W.C.. Recombinant arginine deiminase as a differential modulator of inducible (iNOS) and endothelial (eNOS) nitric oxide synthetase activity in cultured endothelial cells. Biochem. Pharmacol., 2003, Vol. 66, no. 10, pp. 1945-1952.Shen L.J., Lin W.C., Beloussow K., Hosoya K., Terasaki T., Ann D.K., Shen W.C.. Recombinant arginine deiminase as a differential modulator of inducible (iNOS) and endothelial (eNOS) nitric oxide synthetase activity in cultured endothelial cells. Biochem. Pharmacol., 2003, Vol. 66, no. 10, pp. 1945-1952.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.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.Stockbauer K.E., Magoun L., Liu M., Burns E.H., Gubba S., Renish S., Pan X., Bodaryi S.C.,Baker E., Coburn J., Leong J.M., Musser J.M. A natural variant of the cysteine protease virulence factor of group A Streptococcus with an arginine-glycine-aspartic acid (RGD) motif preferentially binds human integrins avb3 and aIIbb3. Proc. Natl. Acad. Sci., 1999, Vol. 96, pp. 242-247.Stockbauer K.E., Magoun L., Liu M., Burns E.H., Gubba S., Renish S., Pan X., Bodaryi S.C.,Baker E., Coburn J., Leong J.M., Musser J.M. A natural variant of the cysteine protease virulence factor of group A Streptococcus with an arginine-glycine-aspartic acid (RGD) motif preferentially binds human integrins avb3 and aIIbb3. Proc. Natl. Acad. Sci., 1999, Vol. 96, pp. 242-247.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.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.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.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.Zhuo W., Song X., Zhou H., Luo Y. Arginine deiminase modulates endothelial tip cells via excessive synthesis of reactive oxygen species. Biochem. Soc. Trans., 2011, Vol. 5, pp. 1376-1381.Zhuo W., Song X., Zhou H., Luo Y. Arginine deiminase modulates endothelial tip cells via excessive synthesis of reactive oxygen species. Biochem. Soc. Trans., 2011, Vol. 5, pp. 1376-1381.Zuniga M., Perez G., Gonzalez-Candelas F.. Evolution of arginine deiminase (ADI) pathway genes. Mol. Phylogenet. Evol., 2002, Vol. 2, no. 3, pp. 429-444.Zuniga M., Perez G., Gonzalez-Candelas F.. Evolution of arginine deiminase (ADI) pathway genes. Mol. Phylogenet. Evol., 2002, Vol. 2, no. 3, pp. 429-444.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.