Chuan Qin

• Klebsiella pneumoniae, a Gram-negative, non-motile, encapsulated, rod-shaped enterobacteria is a formidable opportunistic pathogen causing most hospital-acquired nosocomial infections such as pneumonia, urinary tract infections, and bloodstream infections. In recent years, the emergence of multi-resistant hypervirulent strains has posed a severe challenge to healthcare systems worldwide. To address this crisis, further researches on K. pneumoniae and exploration of potential antimicrobial approaches are called. In this study, biochemical, structural, and physiological characterizations of a putative classical deacetylase homolog, HdaH, annotated in K. pneumoniae was performed. It was confirmed as an active Nε-acetyl-lysine deacetylase of peptide substrates, and its activity can be efficiently inhibited by the mammalian HDAC inhibitors SAHA and trichostatin A. Substrate preference assays detected its high specificity towards acetylated lysine residues adjacent to a positively charged residue. The protein forms a tetramer in solution. Crystal structures reveal that the L1 loop of the protein plays a central role in tetramerization. Deletion of the L1 loop leads to a dimeric complex and reduced lysine deacetylase activity, suggesting a potential cooperative catalysis of the tetrameric complex. The 'head-to-head' interaction of KpHdaH complex subunits is relatively independent of the L1 loop and restricts the entrance of the substrate-binding pocket. The substrate-binding pocket is deep and branched, consisting of a central tunnel and two side pockets. Its complicated structure probably contributing to the substrate specificity of the deacetylase. Physiological investigations indicated that deletion of hdah gene leads to marginal increase of biofilm mass, and mild but significant growth acceleration in minimal medium supplemented with glucose and acetate. Through genomic context and interactor assays, groups of proteins possibly related to KpHdaH’s function were addressed. This study provides structure-function insight of HdaH protein in K. pneunomiae and a suggestion of developing specific inhibitor. Althrough a definitive conclusion regarding the native substrate and physiological role of deacetylase have not been reached, this study has provided suggestions and laid a robust foundation for future investigations.
• Klebsiella pneumoniae, ein gramnegatives, nicht-motiles, bekapseltes, stäbchenförmiges Enterobakterium, ist ein gefürchteter opportunistischer Erreger, der die meisten nosokomialen Krankenhausinfektionen wie Pneumonie, Harnwegsinfektionen und Blutstrominfektionen verursacht. In den letzten Jahren hat das Auftreten multiresistenter hypervirulenter Stämme eine ernsthafte Herausforderung für Gesundheitssysteme weltweit dargestellt. Um dieser Krise zu begegnen, sind weitere Forschungen zu K. pneumoniae sowie die Erforschung potenzieller antimikrobieller Ansätze erforderlich. In dieser Studie wurden biochemische, strukturelle und physiologische Charakterisierungen eines mutmaßlichen klassischen Deacetylase-Homologs, HdaH, das in K. pneumoniae annotiert ist, durchgeführt. Es wurde als eine aktive Nε-Acetyl-Lysin-Deacetylase für Peptidsubstrate bestätigt, deren Aktivität effizient durch die HDAC-Inhibitoren SAHA und Trichostatin A aus Säugetieren gehemmt werden kann. Substratpräferenz-Assays zeigten eine hohe Spezifität für acetylierte Lysinreste, die an eine positiv geladene Aminosäure angrenzen. Das Protein bildet in Lösung ein Tetramer. Kristallstrukturen zeigen, dass die L1-Schleife des Proteins eine zentrale Rolle bei der Tetramerisierung spielt. Die Deletion der L1-Schleife führt zu einem dimeren Komplex und einer verringerten Lysin-Deacetylase-Aktivität, was auf eine potenziell kooperative Katalyse des tetrameren Komplexes hinweist. Die „Head-to-Head“-Interaktion der KpHdaH-Komplex-Untereinheiten ist relativ unabhängig von der L1-Schleife und schränkt den Zugang zur Substratbindetasche ein. Die Substratbindetasche ist tief und verzweigt und besteht aus einem zentralen Tunnel und zwei Seitentaschen. Ihre komplexe Struktur trägt wahrscheinlich zur Substratspezifität der Deacetylase bei. Physiologische Untersuchungen ergaben, dass die Deletion des hdaH-Gens zu einer geringen Zunahme der Biofilmbildung sowie zu einer leichten, aber signifikanten Wachstumsbeschleunigung in Minimalmedium mit Glukose und Acetat führt. Durch genomische Kontextanalysen und Interaktionsstudien wurden Gruppen von Proteinen identifiziert, die möglicherweise mit der Funktion von KpHdaH in Verbindung stehen. Diese Studie liefert strukturell-funktionelle Einblicke in das HdaH-Protein in K. pneumoniae und schlägt die Entwicklung spezifischer Inhibitoren vor. Obwohl eine endgültige Schlussfolgerung hinsichtlich des natürlichen Substrats und der physiologischen Rolle der Deacetylase noch nicht gezogen werden konnte, hat diese Studie wertvolle Hinweise geliefert und eine solide Grundlage für zukünftige Untersuchungen geschaffen.