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Apr 30, 2023

Struttura e meccanismo del trasportatore di ossalato OxlT in un ossalato

Nature Communications volume

Nature Communications volume 14, numero articolo: 1730 (2023) Citare questo articolo

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Un batterio che degrada l’ossalato nel microbiota intestinale assorbe l’ossalato derivato dal cibo per utilizzarlo come fonte di carbonio ed energia, riducendo così il rischio di formazione di calcoli renali negli animali ospiti. Il trasportatore batterico dell'ossalato OxlT assorbe selettivamente l'ossalato dall'intestino alle cellule batteriche con una rigida discriminazione rispetto agli altri carbossilati nutrienti. Qui presentiamo strutture cristalline di OxlT legato a ossalato e privo di ligando in due distinte conformazioni, stati occlusi e rivolti verso l'esterno. La tasca legante il ligando contiene residui basici che formano ponti salini con l'ossalato impedendo al contempo il passaggio conformazionale allo stato occluso senza un substrato acido. La tasca occlusa può ospitare ossalato ma non dicarbossilati più grandi, come gli intermedi metabolici. I percorsi di permeazione dalla tasca sono completamente bloccati da estese interazioni interdominio, che possono essere aperte esclusivamente mediante l'inversione di una singola catena laterale vicina al substrato. Questo studio mostra le basi strutturali alla base delle interazioni metaboliche che consentono una simbiosi favorevole.

L'ossalato è il più piccolo dicarbossilato (C2O42–) ingerito attraverso la nostra dieta quotidiana da alimenti contenenti ossalato1, come verdure, fagioli e noci2. Anche l'ossalato è un prodotto finale del metabolismo del nostro corpo e viene in parte secreto nell'intestino attraverso la circolazione sistemica1. Successivamente viene assorbito dal tratto intestinale ed escreto attraverso i reni3. Tuttavia, l’ossalato in eccesso forma un sale insolubile con il calcio nel sangue e causa la malattia dei calcoli renali (Fig. 1a). L'Oxalobacter formigenes è un batterio che degrada l'ossalato nell'intestino4 che può decomporre metabolicamente l'ossalato intestinale e contribuisce quindi in modo significativo all'omeostasi dell'ossalato negli animali ospiti, compreso l'uomo3,5,6. Infatti, è noto che i pazienti affetti da fibrosi cistica7 o malattia infiammatoria intestinale8 o quelli sottoposti a intervento di bypass digiunoileale9 presentano bassi tassi di colonizzazione di O. formigenes e un aumentato rischio di iperossaluria e formazione di calcoli renali.

un disegno schematico della funzione OxlT nel batterio che degrada gli ossalati, O. formigenes, nell'intestino. b, c Strutture cristalline di OxlT legato a ossalato (PDB ID 8HPK; b) e privo di ligando (PDB ID 8HPJ; c). d Sovrapposizione di OxlT legato a ossalato e privo di ligando. Vengono mostrate una vista dal periplasma (in alto) e due viste nel piano transmembrana (in basso). e, f Mappa del potenziale elettrostatico superficiale di OxlT legato a ossalato (e) e privo di ligando (f). Sulle superfici sono stati mappati potenziali elettrostatici a ±5 kTe−1.

Il trasportatore di ossalato (OxlT), un antiportatore di ossalato:formiato (OFA)10 in O. formigenes, è una molecola chiave per il metabolismo dell'ossalato in questo batterio. OxlT catalizza l'antiporto dei carbossilati attraverso la membrana cellulare secondo i loro gradienti elettrochimici con una specificità di substrato ottimizzata per il dicarbossilato C2, ossalato. Infatti, il trasportatore mostra un elevato tasso di turnover (>1000/s) per l'autoscambio di ossalato11,12. In condizioni fisiologiche nell'ossalato autotrofo O. formigenes, la funzione di scambio di carbossilato di OxlT consente l'assorbimento di ossalato dall'intestino ospite come unica fonte di carbonio per il batterio e il rilascio di formiato (HCO2–), il prodotto finale della degradazione dell'ossalato che è tossico se accumulato nella cellula batterica11,12,13 (Fig. 1a). Il turnover catalitico di OxIT dello scambio ossalato:formiato è accompagnato dalla degradazione metabolica dell'ossalato in formiato tramite una decarbossilasi che consuma un protone nel citosol, producendo di conseguenza un gradiente elettrochimico protonico attraverso la membrana cellulare batterica11. Pertanto, OxlT funge da "pompa protonica virtuale" che crea una forza motrice protonica per la sintesi batterica di ATP11. Pertanto, le caratteristiche funzionali di OxlT come antiportatore tra ossalato e formiato, piuttosto che come uniportatore di ciascuna sostanza chimica, sono essenziali per accoppiare il metabolismo del carbonio e la formazione di energia. In particolare, OxlT non accetta ossalacetato (C4H2O52-) o succinato (C4H4O42-), che sono intermedi dicarbossilati del ciclo di Krebs, come substrati13. Questi dicarbossilati con quattro atomi di carbonio (dicarbossilati C4) sono importanti intermedi metabolici sul lato citosolico batterico mentre vengono anche assorbiti come fonti di energia e precursori biosintetici attraverso un trasportatore intestinale sul lato del lume dell'ospite14. Pertanto, la capacità di OxlT di discriminare tra dicarbossilati C2 e C4 è fondamentale per la simbiosi favorevole tra gli animali ospiti e il batterio intestinale.