Le sialidasi sono enzimi che catalizzano la scissione degli acidi sialici terminali da glicoproteine e glicolipidi. Questa attività è fondamentale per alcuni microrganismi poiché consente loro l’utilizzo della mucina microbica e l’acquisizione di nutrienti, e modella le interazioni ospite-patogeno. Oltre al loro ruolo metabolico, le sialidasi mediano l’adesione microbica alle superfici dell’ospite, modulano le risposte immunitarie e influenzano l’aggregazione proteica. Una disregolazione dell’attività di questi enzimi sembra essere implicata in diverse malattie umane attraverso il coinvolgimento del microbiota intestinale e del sistema immunitario, ed esacerbando i processi infiammatori. Per tale motivo i ricercatori hanno condotto uno studio, i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista Molecular Biomedicine, al fine di esplorare il ruolo delle sialidasi nelle interazioni ospite-microbo e nelle malattie, attraverso le conoscenze meccanicistiche sulle sialidasi GH181.
Disregolazione delle sialidasi e implicazioni per la salute umana
La disregolazione dell’attività sialidasica contribuisce a molteplici malattie umane. Ad esempio, nella malattia infiammatoria intestinale, l’alterazione di tali enzimi interrompe il dialogo tra microbiota intestinale e sistema immunitario, esacerbando l’infiammazione. Nel cancro, il rimodellamento dei glicani della superficie cellulare guidato dalla sialidasi promuove l’evasione immunitaria del tumore e le metastasi. Allo stesso modo, nel morbo di Alzheimer, un’aberrante attività sialidasica sui neuroni può accelerare l’aggregazione proteica tossica, e questo collega l’attività della sialidasi alla neurodegenerazione.
Le sialidasi in Akkermansia muciniphila
Le sialidasi in A. muciniphila sono importanti per il metabolismo energetico e la sopravvivenza del batterio, ma influenzano anche la salute dell’ospite, essendo strettamente correlate a numerose malattie umane, tra cui obesità, diabete e malattie cardiovascolari. Queste sialidasi scindono i cappucci glicoprotettivi contenenti acido sialico dai coniugati di mucina, un processo essenziale per accedere agli zuccheri sottostanti e alle strutture peptidiche delle mucine per un’ulteriore degradazione.
I prodotti di questa degradazione non solo forniscono energia ad A. muciniphila, ma consentono anche ai batteri simbionti intestinali di metabolizzare queste glicoproteine, promuovendo così l’omeostasi del microbiota intestinale e migliorando le sue capacità metaboliche. A. muciniphila codifica quattro sialidasi che presentano una bassa omologia di sequenza, suggerendo adattamenti strutturali e funzionali divergenti. Tra queste, Amuc_1547 si distingue come un enzima meccanicisticamente unico. Tuttavia, i meccanismi precisi del legame del substrato e della catalisi da parte di Amuc_1547 rimangono poco chiari.
Struttura di Amuc_1547 e legame con ioni metallici
La struttura cristallina di Amuc_1547 evidenzia il legame di uno ione magnesio e tasche di legame di coordinazione degli ioni metallici uniche e conservate. Gli ioni metallici sono cruciali per il mantenimento dell’integrità strutturale di Amuc_1547 e per la stabilizzazione dello stato di transizione durante la catalisi. Il coordinamento degli ioni metallici con i residui chiave nel dominio catalitico garantisce il mantenimento della conformazione e della funzionalità attive dell’enzima. Vari ioni metallici, tra cui sodio, magnesio, calcio, ferro e cobalto, potenziano l’attività di Amuc_1547, suggerendo la capacità dell’enzima di adattarsi a diverse condizioni fisiologiche in cui questi ioni possono essere abbondanti.
Struttura di Amuc_1547 e legame con carboidrati
I moduli di legame dei carboidrati (CBM, carbohydrate-binding module) hanno la funzione primaria di migliorare l’affinità enzima-substrato e l’efficienza catalitica riconoscendo e legandosi specificamente ai substrati polisaccaridici, come cellulosa, chitina e mucine. In Amuc_1547 è stato osservato un dominio simile a CBM, che presenta un distinto modello di ripiegamento a sandwich β. L’analisi di omologia ha rivelato che questo dominio condivide un’elevata omologia strutturale e di sequenza con la Galectina-8 umana. Un’ulteriore caratterizzazione strutturale ha identificato una tasca di legame dei carboidrati conservata all’interno di questo dominio, composta da residui di arginina. Inoltre, test enzimatici hanno dimostrato che NAD⁺ e specifici oligosaccaridi migliorano significativamente l’attività di Amuc_1547. Questo implica che il dominio CBM-like svolge un ruolo chiave nel potenziare l’attività sialidasica contribuendo così alla sopravvivenza e all’adattabilità di A. muciniphila nel microbiota intestinale.
Residui chiave nell’attività catalitica di Amuc_1547
Due substrati chiave delle sialidasi sono rappresentati da acido sialico libero (SIA) e 6′-sialillattosio (6’SL). I risultati del docking molecolare del legame del dominio catalitico N-terminale ai substrati SIA e 6’SL in Amuc_1547, rivelano distinti residui amminoacidici chiave coinvolti nel legame del substrato, in particolare nel sito attivo catalitico. Ad esempio, Gln367 risulta coinvolto nel legame e nella stabilizzazione del substrato e nel fornire l’orientamento spaziale necessario per la reazione catalitica, Gln350 esegue l’attacco nucleofilo tramite il suo gruppo amminico in catena laterale, mentre His349 potrebbe svolgere un duplice ruolo: stabilizzare il residuo catalitico Gln350 e assistere nella protonazione dello stato di transizione. Questi risultati mettono in evidenza la capacità di adattamento di A. muciniphila alla degradazione della mucina intestinale, che posiziona Amuc_1547 come mediatore chiave della simbiosi ospite-microbiota.
Conclusioni
Lo studio della struttura cristallina legata al magnesio della sialidasi di A. muciniphila Amuc_1547 rivela un dominio catalitico conservato e una tasca unica di legame per i metalli, insieme a un dominio CBM-simile contenente un presunto sito di legame per i carboidrati. I test funzionali dimostrano che gli ioni magnesio e i glicani potenziano l’attività enzimatica, mentre le analisi strutturali e meccanicistiche stabiliscono che Amuc_1547 impiega una triade catalitica non classica (Gln367, Gln350, His349). Questi risultati forniscono informazioni strutturali e funzionali su come le sialidasi di A. muciniphila guidano la degradazione della mucina per regolare l’ecologia microbica intestinale e le interazioni con l’ospite.
