Cell wall biosynthesis in the pathogenic oomycete Saprolegnia parasitica

• The oomycete Saprolegnia parasitica is a fungus-like microorganism responsible for the fish disease saprolegniosis, which leads to important economic losses in aquaculture. Currently, there is no efficient method to control the infection and therefore methods for disease management are urgently needed. One of the promising approaches to tackle the pathogen is the inhibition of cell wall biosynthesis, specifically the enzymes involved in carbohydrate biosynthesis. The cell wall of S. parasitica consists mainly of cellulose, β-1,3 and β-1,6-glucans, whereas chitin is present in minute amounts only. The available genome sequence allowed the identification of six putative chitin (Chs) and cellulose (CesA) synthase genes. The main objective of this work was to characterize CHSs and CesAs from S. parasitica and test the effect of cell wall related inhibitors on pathogen growth. The tested inhibitors included nikkomycin Z, a competitive inhibitor of CHS as well as inhibitors of cellulose biosynthesis, namely flupoxam, CGA325'615 and compound I (CI). All drugs strongly reduced the growth of S. parasitica and inhibited the in vitro formation of chitin or cellulose, demonstrated by the use of a radiometric assay. The chemicals also affected the expression of some of the corresponding Chs and CesA genes.One of the CHSs, namely SpCHS5, was successfully expressed in yeast and purified to homogeneity as a full length protein. The recombinant enzyme was biochemically characterized and demonstrated to form chitin crystallites in vitro. Moreover, our data indicate that SpCHS5 most likely occurs as a homodimer which can further assemble into larger multi-subunit complexes. Point mutations of conserved amino acids allowed us to identify the essential residues for activity and processivity of the enzyme.In addition to the cell wall related inhibitors, a biosurfactant naturally produced by Pseudomonas species, massetolide A, was tested, showing strong inhibition of S. parasitica growth.Altogether, our data provide key information on the fundamental mechanisms of chitin and cellulose biosynthesis in oomycetes and the biochemical properties of the enzymes involved. They also demonstrate that the enzymes involved in cell wall biosynthesis represent promising targets for anti-oomycete drugs, even when the corresponding polysaccharides, such as chitin, occur in small amounts in the cell wall.

• Oomyceten Saprolegnia parasitica är en svampliknande mikroorganism som orsakar fisksjukdomen saprolegniosis, vilken leder till stora ekonomiska förluster inom vattenbruk. För närvarande finns det ingen effektiv metod för att kontrollera infektionen och därför är behovet av metoder för att begränsa sjukdom stort. Ett lovande tillvägagångssätt för att angripa patogenen är genom att hämma biosyntes av cellväggen, särskilt de enzymer som är involverade i kolhydratbiosyntes. Cellväggen hos S. parasitica består huvudsakligen av cellulosa, ß-1,3 och ß-1,6- glukaner, samt små mängder kitin. Den tillgängliga genomsekvensen möjliggjorde identifiering av sex förmodade kitin (Chs) och cellulosa (CesA) -syntasgener. Huvudsyftet med denna avhandling var att karakterisera CHS och CesA från S. parasitica och testa effekten av cellväggsrelaterade inhibitorer på patogenens tillväxt. De testade inhibitorerna inkluderade nikcomycin Z, en kompetitiv inhibitor av CHS, samt flera inhibitorer av cellulosabiosyntes, nämligen flupoxam, CGA325'615 och compund I (Cl). Alla inhibitorer reducerade kraftigt tillväxten av S. parasitica och genom användning av en radiometrisk analysmetod visades att in vitro-bildningen av kitin och cellulosa inhiberades. Kemikalierna påverkade också uttrycket av några av Chsoch CesA-generna. En av CHS, nämligen SpCHS5, uttrycktes framgångsrikt i jäst och renades till homogenitet som ett fullängdsprotein. Det rekombinanta enzymet karakteriserades biokemiskt och visade sig bilda kitinkristalliter in vitro. Dessutom indikerar våra data att SpCHS5 troligen är en homodimer som kan bilda större komplex bestående av flera subenheter. Punktmutationer av konserverade aminosyror tillät oss att identifiera de aminosyror som är väsentliga för enzymets aktivitet och processivitet. Förutom de cellväggsrelaterade inhibitorerna testades även biosurfaktanten massetolid A som produceras naturligt av Pseudomonasarter. Denna visade sig ha en starkt inhiberande verkan på S. parasiticatillväxt. Sammantaget bidrar våra data med viktig information rörande de grundläggande mekanismerna för biosyntes av kitin och cellulosa i oomyceter och de biokemiska egenskaperna av de involverade enzymerna. Resultaten visar också att enzymerna som är involverade i biosyntes av cellväggen är lovande mål för bekämpningsmedel mot oomyceter även då motsvarande polysackarider, såsom kitin, förekommer i små mängder i cellväggen.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Biologi -- Biokemi och molekylärbiologi (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Biological Sciences -- Biochemistry and Molecular Biology (hsv//eng)

Nyckelord

Cellulose biosynthesis; chitin biosynthesis; cellulose synthase genes; chitin synthase genes; oomycetes; Saprolegnia parasitica

Biotechnology

Bioteknologi

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)