Antioxidant defense in Trypanosoma brucei brucei

Budde, Heike

Die zwei Arten, Trypanosoma und Leishmania, gehören zur Ordnung der Kinetoplastiden. Sie sind weitverbreitet und die Ursache vieler humanpathogener Krankheiten in Entwicklungsländern. Ihre erfolgreiche Infektivität beruht hauptsächlich darauf, dass sie in Wirtszellen eindringen und sich darin vermehren. Als intrazelluläre Organismen benötigen sie eine Strategie, um der Immunantwort des Wirtes, wie z. B. die Produktion von reaktiven Sauerstoff Intermediaten (ROI), zu entgehen. Diese Protozoen haben daher ein Hydroperoxid-Entgiftungssystem entwickelt, bestehend aus der Trypanothion Reduktase, dem Trypanothion, dem Tryparedoxin (TXN) und der Tryparedoxin Peroxidase (TXNPx). Es unterscheidet sich von dem Hydroperoxid-Abbau-System der Säugetiere durch das Fehlen von Katalase oder den Selen- haltigen Glutathion-Peroxidasen. In dieser Arbeit wurde das Trypanothion-abhängige Hydroperoxid System von Trypanosoma brucei brucei charakterisiert. TbTXNPx reduziert äußerst effektiv H2O2 und organische Hydroperoxide, wie Phosphatidylcholin-Hydroperoxid, und wird selber durch TbTXN reduziert. Verglichen mit den Analysen von anderen Peroxidasen konnten Abweichungen in den Kinetik-Analysen für die TbTXNPx gefunden werden. Im doppelt-reziproken primär Dalziel-Blot sind die errechneten Geraden weder linear noch parallel. Diese Abweichungen weisen auf eine Kooperativität der einzelnen Reaktionszentren hin, was nicht ungewöhnlich für oligomere Proteine ist. Gelchromatographische Analysen sowie elektronenmikroskopische Aufnahmen der nativen TbTXNPx ergaben, dass diese bevorzugt in einer decameren Ring-artigen Struktur vorliegt. Ein Model der Struktur der decameren Peroxidase zeigte, dass alle 10 möglichen Reaktionszentren gleichzeitig aktiv sein könnten. Die vorhergesagte Stöchiometrie konnte durch reduktive Spaltung bestätigt werden. Mehr Informationen über das Aussehen und der Größe der nativen TXNPx, dem Reaktionsmechanismus der TXNPx, den Wecheslwirkungen der TXNPx mit dem TXN und auch den Interaktionen des Tryparedoxins mit dem Trypanothion konnten in dieser Arbeit erläutert werden. Der Hydroperoxid-Detoxifizierungs-Mechanismus in Trypanosomatiden ist essentiell für die Parasiten. Somit sind alle Komponenten dieses Systems attraktive Ziele um neue Medikamente zu entwickeln, die dringend benötigt werden.

Two genera of protozoa belonging to the order Kinetoplastida, Trypanosoma and Leishmania, are pathogenic for mammals and cause widespread diseases of man and his livestock in developing countries. Their successful survival depends mainly on evading the hostsï immune system by penetrating and multiplying within the cells. As intracellular pathogens they need a strategy to evade the immune response of the host, like the production of reactive oxygen intermediates (ROI). These protozoa have evolved a hydroperoxide detoxification system, comprising of trypanothione reductase, trypanothione, tryparedoxin (TXN) and tryparedoxin peroxidase (TXNPx), which differ markedly from that of the mammalian host, since they lack catalase and selenium-containing glutathione peroxidases. During this work the trypanothione-dependent hydroperoxide system of T. brucei brucei was characterized. TXNPx of T. brucei efficiently reduces H2O2 and organic hydroperoxides including phosphatidylcholin hydroperoxide and is specifically reduced by TbTXN. The kinetic behavior of TbTXNPx deviates from the pattern observed for other peroxidases, as the slopes in the double-reciprocal primary Dalziel plot are not linear and clearly biphasic. This rather suggests cooperativity of the reaction centers, as is not uncommon for oligomeric proteins. Gelchormatographic analysis and electron microscopy showed that native TXNPx of T. brucei prefer a decameric ring-like structure. A model of the decameric TXNPx structure showed that all ten possible reaction centers might be active. Reductively cleavage could confirm the predicted stoichiometry, ten tryparedoxin molecules are binding to the decameric tryparedoxin peroxidase. In this study more information about the size and shape of the native TXNPx, the reaction mechanism of the reduced TXNPx with oxidized TXN, the shape of the catalytic intermediate TXN/TXNPx, and the interaction of TXN with trypanothione were given. As the hydroperoxide detoxification mechanism in trypanosomatids proved to be significant for the parasites, all components of the systems appear as attractive targets to evolve new drugs, as urgently needed.

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Budde, Heike: Antioxidant defense in Trypanosoma brucei brucei. 2003.

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