Russian Journal of Infection and ImmunityRussian Journal of Infection and ImmunityИнфекция и иммунитет2220-76192313-7398SPb RAACI136310.15789/2220-7619-ADF-1363ORIGINAL ARTICLESОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИS. pyogenes M49-16 arginine deiminase inhibits proliferative activity of human peripheral blood lymphocytesАргининдеиминаза S. pyogenes M49-16 подавляет пролиферативную активность лимфоцитов периферической крови человекаStarickovaE. A.СтариковаЭ. А.
Russian Federation

Eleonora A. Starikova - PhD (Biology), Senior Researcher, Department of Immunology, Institute of Experimental Medicine; Associate Professor, Department of Immunology, Pavlov First St. Petersburg State Medical University.

197376, St. Petersburg, Akademika Pavlova str., 12.

Phone: +7 (812) 234-16-69 (office); Fax: +7 (812) 234-94-89

Старикова Элеонора Александровна - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник отдела иммунологии, Институт экспериментальной медицины; доцент кафедры иммунологии; ПСПбГМУ им. акад. И.П. Павлова МЗ РФ.

197376, Санкт-Петербург, ул. Академика Павлова, 12.

Тел.: 8 (812) 234-16-69 (служебн.); Факс: 8 (812) 234-94-89

Starickova@yandex.ruLeveshkoT. A.ЛевешкоТ. А.
Russian Federation

Technician, Department of Immunology, Institute of Experimental Medicine.

St. Petersburg.

Лаборант отдела иммунологии.

Санкт-Петербург.

angryteacher@yandex.ruChurakinaD. V.ЧуракинаД. В.
Russian Federation

Student, Pavlov First St. Petersburg State Medical University.

St. Petersburg.

Студент.

Санкт-Петербург.

churakina.darya@mail.ruKudryavtsevI. V.КудрявцевИ. В.
Russian Federation

PhD (Biology), Senior Researcher, Department of Immunology, Institute of Experimental Medicine.

St. Petersburg.

Кандидат биологических наук, старший научный сотрудник отдела иммунологии.

Санкт-Петербург.

igorek1981@yandex.ruBurovaL. A.БуроваЛ. А.
Russian Federation

PhD, MD (Medicine), Leading Researcher, Department of Molecular Microbiology, Institute of Experimental Medicine.

St. Petersburg.

Доктор медицинских наук, ведущий научный сотрудник отдела молекулярной микробиологии.

Санкт-Петербург.

lburova@yandex.ruFreidlinI. S.ФрейдлинИ. С.
Russian Federation

PhD, MD (Medicine), Professor, RAS Corresponding Member, Head Researcher, Department of Immunology, Institute of Experimental Medicine; Professor of the Department of Immunology, Pavlov First St. Petersburg State Medical University; Professor of the Department of Fundamental Problems of Medicine and Medical Technologies, St. Petersburg State University.

St. Petersburg.

Доктор медицинских наук, профессор, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник отдела иммунологии, Институт экспериментальной медицины; профессор кафедры иммунологии ПСПбГМУ им. акад. И.П. Павлова МЗ РФ; профессор кафедры фундаментальных проблем медицины и медицинских технологий СПбГУ.

Санкт-Петербург.

irinaf-n@yandex.ruInstitute of Experimental MedicineИнститут экспериментальной медициныPavlov First St. Petersburg State Medical UniversityПервый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И.П. ПавловаPavlov First Saint-Petersburg State Medical UniversityПервый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И.П. ПавловаSt. Petersburg State UniversityСанкт-Петербургский государственный университет240320211123493561901202016052020Copyright ©; 2020, Starickova E.A., Leveshko T.A., Churakina D.V., Kudryavtsev I.V., Burova L.A., Freidlin I.S.Copyright ©; 2020, Старикова Э.А., Левешко Т.А., Чуракина Д.В., Кудрявцев И.В., Бурова Л.А., Фрейдлин И.С.2020Starickova E.A., Leveshko T.A., Churakina D.V., Kudryavtsev I.V., Burova L.A., Freidlin I.S.Старикова Э.А., Левешко Т.А., Чуракина Д.В., Кудрявцев И.В., Бурова Л.А., Фрейдлин И.С.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://iimmun.ru/iimm/article/view/1363

Arginine deiminase is one of three enzymes constituting the arginine deiminase system in bacteria. It was demonstrated that arginine deiminase exerts anti-proliferative effects on some primary and immortalized mouse and human cells. It is assumed that the inhibitory effect of arginine deiminase on cell proliferation might be related to its ability to result in the arginine exhaustion. T-lymphocytes depend on arginine for proliferation, T-cell receptor complex expression, and the differentiation of memory cells. The aim of the current study was to investigate an impact streptococcal arginine deiminase on functions of human peripheral blood lymphocytes. For this, we comparatively analyzed effects of Supernatant of Destroyed Streptococcal Cells (SDSCs) derived from parental strain S. pyogenes M49-16 and its isogenic mutant S. pyogenes M49-16delArcA bearing inactivated arginine deiminase gene (ArcA) on immune cell functions. An impact of supernatants on cell viability was estimated by staining with DAPI dye. Cell proliferation was assessed by MTT-test and flow cytometry by using the method based on intracellular protein staining with vital fluorescent CFSE (carboxyfluorescein succinimidyl ester) dye. In addition, the level of lymphocyte tyrosine phosphatase CD45 expression in various culturing conditions was evaluated. It was demonstrated that S. pyogenes M49-16 SDSCs had no impact on cells viability. Parental strain-derived SDSC exerted virtually no effect on intact cells proliferation, but considerably suppressed ConA-induced cell proliferation. At the same time, mutant strain-derived SDSC significantly stimulated spontaneous cell proliferation, but not that one after mitogen exposure. It was observed that increased proliferation was accompanied by upregulated CD45 expression, although it was not significant in all cases. These data allow to conclude that bacterial arginine deiminase could be one of pathogenicity factors able to limit lymphocyte proliferation and immune response and could be a part of pathogen strategy to suppress immune response in order to improve bacterial growth and dissemination.

Аргининдеиминаза является одним из трех ферментов, образующих систему аргининдеиминазы у бактерий. Ранее было установлено, что аргининдеиминаза, обладает антипролиферативным действием в отношении ряда первичных и иммортализованных клеток мыши и человека. Предполагается, что ингибирующее действие фермента может быть связано с его способностью приводить к истощению аргинина в микроокружении клеток. Биодоступность аргинина играет важную роль для пролиферации Т-лимфоцитов, экспрессии белков Т-клеточного рецептора и дифференцировки клеток памяти. Целью настоящего исследования стало изучение влияния аргининдеиминазы пиогенного стрептококка на функциональную активность лимфоцитов периферической крови человека. Для достижения поставленной цели было проведено сравнительное исследование влияния супернатанта разрушенных стрептококковых клеток (СРС) исходного штамма S. pyogenes M49-16 и его изогенного мутанта S. pyogenes M49-16delArcA с инактивированным геном аргининдеиминазы (ArcA) на функции иммунных клеток. Влияние супернатантов на жизнеспособность клеток оценивали методом проточной цитометрии, с использованием ДНК-связывающего красителя DAPI. Пролиферацию клеток оценивали с помощью МТТ-теста и цитофлуориметрически с использованием метода, основанного на окрашивании внутриклеточного белка витальным флуоресцентным красителем CFSE (карбоксифлуоресцеинсукцинимидилэфирным красителем). Кроме того, в работе оценивали уровень экспрессии на лимфоцитах тирозинфосфатазы CD45 в различных условиях культивирования. Было показано, что СРС S. pyogenes M49-16 не оказывал влияния на жизнеспособность клеток. СРС исходного штамма практически не влиял на пролиферацию интактных клеток, но значительно подавлял пролиферацию клеток, индуцированную ConA. В то же время СРС мутантного штамма достоверно повышал спонтанную пролиферацию клеток и не оказывал влияния на пролиферацию, индуцированную митогеном. Было показано, что увеличение пролиферации сопровождалось увеличением уровня экспрессии CD45, однако эти изменения не во всех случаях были достоверны. Полученные данные позволяют заключить, что бактериальная аргининдеиминаза может являться одним из факторов патогенности, способных ограничивать пролиферацию лимфоцитов и развитие иммунного ответа с целью улучшения роста и диссеминации бактерий.

arginine deiminaseStreptococcus pyogeneslymphocytesCFSEproliferationCD45аргининдеиминазаStreptococcus pyogenesлимфоцитыCFSEпролиферацияCD451. Aziz R.K., Kotb M. Rise and persistence of global M1T1 clone of Streptococcus pyogenes. Emerg. Infect. Dis., 2008, vol. 14, no. 10, pp. 1511-1517. doi: 10.3201/eid1410.0716602. Bansal V., Rodriguez P., Wu G., Eichler D.C., Zabaleta J., Taheri F., Ochoa J.B. Citrulline can preserve proliferation and prevent the loss of CD3 zeta chain under conditions of low arginine. J. Parenter. Enter. Nutr., 2004, vol. 28, pp. 423—430. doi: 10.1177/01486071040280064233. Bronte V., Zanovello P. Regulation of immune responses by L-arginine metabolism. Nat. Rev. Immunol., 2005, no. 5, pp. 641—654. doi: 10.1016/j.imbio.2007.09.0084. Casiano-Colon A., Marquis R.E. Role of arginine deiminase system in protecting oral bacteria and an enzymatic basis for acid tolerance. Appl. Environ. Microbiol., 1988, vol. 54, pp. 1318—1324. doi: 10.1007/s00248-014-0535-x5. Chang V.T., Fernandes R.A., Ganzinger K.A., Lee S.F., Siebold C., McColl J., Jonsson P., Palayret M., Harlos K., Coles C.H., Jones E.Y., Lui Y., Huang E., Gilbert R.J.C., Klenerman D., Aricescu A.R., Davis S.J. Initiation of T cell signaling by CD45 segregation at “close contacts”. Nat. Immunol., 2016, vol. 17, no. 5, pp. 574—582. doi: 10.1038/ni.33926. Degnan B.A., Fontaine M.C., Doebereiner A.H., Lee J.J., Mastroeni P., Dougan G., Goodacre J.A., Kehoe M.A. Characterization of an isogenic mutant of Streptococcus pyogenes Manfredo lacking the ability to make streptococcal acid glycoprotein. Infect. Immun., 2000, vol. 68, no. 5, pp. 2441—2448. doi: 10.1128/iai.68.5.2441-2448.20007. Degnan B.A., Kehoe M.A., Goodacre J.A. Analysis of human T cell responses to group A streptococci using fractionated Streptococcus pyogenes proteins. FEMS Immunol. Med. Microbiol., 1997, vol. 17, no. 3, pp. 161—170. doi: 10.1111/j.1574-695X.1997.tb01009.x8. Degnan B.A., Palmer J.M., Robson T., Jones C.E., Fischer M., Glanville M., Mellor G.D., Diamond A.G., Kehoe M.A., Goodacre J.A. Inhibition of human peripheral blood mononuclear cell proliferation by Streptococcus pyogenes cell extract is associated with arginine deiminase activity. Infect. Immun., 1998, vol. 66, no. 7, pp. 3050—3058. doi: 10.1128/IAI.66.7.3050-3058.19989. Fletcher M., Ramirez M.E., Sierra R.A., Raber P., Thevenot P., Al-Khami A.A., Sanchez-Pino D., Hernandez C., Wyczechowska D.D., Ochoa A.C., Rodriguez P.C. L-arginine depletion blunts antitumor T cell responses by inducing myeloid-derived suppressor cells. Cancer Res., 2015, vol. 75, pp. 275—283. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-14-149110. Gabrilovich D.I., Nagaraj S. Myeloid-derived suppressor cells as regulators of the immune system. Nat. Rev. Immunol., 2009, vol. 9, no. 3, pp. 162—174. doi: 10.1038/nri250611. Geiger R., Rieckmann J.C., Wolf T., Basso C., Feng Y., Fuhrer T., Kogadeeva M., Picotti P., Meissner F., Mann M., Zamboni N., Sallusto F. Lanzavecchia L-arginine modulates T cell metabolism and enhances survival and anti-tumor activity. Cell, 2016, vol. 167, no. 3, pp. 829-842. doi: 10.1016/j.cell.2016.09.03112. Hamada S., Kawabata S., Nakagawa I. Molecular and genomic characterization of pathogenic traits of group A Streptococcus pyogenes. Proc. Jpn. Acad. Ser. B. Phys. Biol. Sci., 2015, vol. 91, no. 10, pp. 539-559. doi: 10.2183/pjab.91.53913. Hamada S., Nakagawa I., Kawabata S. Genetic analysis and virulence factors of group A. streptococci that cause severe invasive infectious diseases. Tanpakushitsu Kakusan Koso, 2005, vol. 50, no. 3, pp. 253-261.14. Hermiston M.L., Xu Z., Weiss A. CD45: a critical regulator of signaling thresholds in immune cells. Annu. Rev. Immunol., 2003, vol. 21, pp. 107-137. doi: 10.1146/annurev.immunol.21.120601.14094615. Hyatt S.L., Aulak K.S., Malandro M., Kilberg M.S., Hatzoglou M. Adaptive regulation of the cationic amino acid transporter-1 (Cat-1) in Fao cells. J. Biol. Chem., 1997, vol. 272, pp. 19951-19957. doi: 10.1074/jbc.272.32.1995116. Kanamoto T., Sato S., Nakashima H., Inoue M. Proliferation of mitogen-stimulated human peripheral blood mononuclear cells is inhibited by extracellular arginine deiminase of Granulicatella elegans isolated from the human mouth. J. Infect Chemother., 2007, vol. 13, no. 5, pp. 353-355. doi: 10.1007/s10156-007-0546-317. Kanaoka M., Fukita Y., Taya K., Kawanaka C., Negoro T., Agui H. Antitumor activity of streptococcal acid glycoprotein produced by Streptococcus pyogenes Su. Jpn. J. Cancer Res., 1987, vol. 78, no. 12, pp. 1409-1414. doi: 10.20772/cancersci1985.78.12_140918. Karpinski T.M., Adamczak A. Anticancer activity of bacterial proteins and peptides. Pharmaceutics, 2018, vol. 10, no. 2: 54. doi: 10.3390/pharmaceutics1002005419. Marquis R.E., Bender G.R., Murray D.R., Wong A. Arginine deiminase system and bacterial adaptation to acid environments. Appl. Environ. Microbiol., 1987, vol. 53, no. 1, pp. 198-200. doi: 10.1128/AEM.53.1.198-200.198720. Murray P.J. Amino acid auxotrophy as immunological control nodes. Nat. Immunol., 2016, vol. 17, no. 2, pp. 132-139. doi: 10.1038/ni.332321. Newman J.M.B., DiMaria C.A., Rattigan S., Steen J.T., Miller K.A., Eldershaw T.P.D., Clark M.G. Relationship of MTT reduction to stimulants of muscle metabolism. Chem.-Biol. Interact., 2000, vol. 128, pp. 127-140. doi: 10.1016/S0009-2797(00)00192-722. Nagaraj S., Schrum A.G., Cho H.I., Celis E., Gabrilovich D.I. Mechanism of T-cell tolerance induced by myeloid-derived suppressor cells. J. Immunol., 2010, vol. 184, no. 6, pp. 3106-3116. doi: 10.4049/jimmunol.090266123. Peranzoni E., Marigo I., Dolcetti L., Ugel S., Sonda N., Taschin E., Mantelli B., Bronte V., Zanovello P. Role of arginine metabolism in immunity and immunopathology. Immunobiology, 2007, vol. 212, pp. 795- 812. doi: 10.1016/j.imbio.2007.09.00824. Rodriguez P.C., Ochoa A.C., Al-Khami A.A. Arginine metabolism in myeloid cells shapes innate and adaptive immunity. Front. Immunol., 2017, no. 8: 93. doi: 10.3389/fimmu.2017.0009325. Spaulding A.R., Salgado-Pabon W., Kohler P.L., Horswill A.R., Leung D.Y., Schlievert P.M. Staphylococcal and streptococcal superantigen exotoxins. Clin. Microbiol. Rev., 2013, vol. 26, no. 3, pp. 422- 447. doi: 10.1128/CMR.00104-1226. Starikova E.A., Golovin A.S., Vasilyev K.A., Karaseva A.B., Serebriakova M.K., Sokolov A.V., Kudryavtsev I.V., Burova L.A., Voynova I.V., Suvorov A.N., Vasilyev V.B., Freidlin I.S. Role of arginine deiminase in thymic atrophy during experimental Streptococcus pyogenes infection. Scand. J. Immunol., 2019, vol. 89, no. 2: e12734. doi: 10.1111/sji.1273427. Starikova E.A., Sokolov A.V., Vlasenko A.Y., Burova L.A., Freidlin I.S., Vasilyev V.B. Biochemical and biological activity of arginine deiminase from Streptococcus pyogenes M22. Biochem. Cell Biol. 2016, vol. 94, no. 2, pp. 129-137. doi:10.1139bcb-2015-006928. Tarasenko T.N., Gomez-Rodriguez J., McGuire P.J. Impaired T cell function in argininosuccinate synthetase deficiency. J. Leukoc. Biol., 2015, vol. 97, pp. 273-278. doi: 10.1189/jlb.1AB0714-365R29. Turenne C.Y., Wallace R., Behr M.A. Mycobacterium avium in the postgenomic era. Clin. Microb. Rev., 2007, vol. 20, no. 2, pp. 205-229. doi: 10.1128/CMR.00036-0630. Yoshida J., Ishibashi T., Nishio M. Growth-inhibitory effect of a streptococcal antitumor glycoprotein on human epidermoid carcinoma A431 cells: involvement of dephosphorylation of epidermal growth factor receptor. Cancer Res., 2001, vol. 61, no. 16, pp. 6151-6157.31. Yoshida J., Takamura S., Suzuki S. Cell growth-inhibitory action of SAGP, an antitumor glycoprotein from Streptococcus pyogenes (Su strain). Jpn. J. Pharmacol., 1987, vol. 45, no. 2, pp. 43— 47. doi: 10.1254/jjp.45.14332. Yoshida J., Takamura S., Suzuki S., Nishio M., Yoshida J. Streptococcal glycoprotein-induced tumour cell growth inhibition involves the modulation of a pertussis toxin-sensitive G protein. Br. J. Cancer. 1996, vol. 73, no. 8, pp. 917—923. doi:10.1038/bjc.1996.18233. Yoshida J., Yoshimura M., Takamura S., Kobayashi S. Purification and characterization of an antitumor principle from Streptococcus hemolyticus, Su strain. Jpn. J. Cancer Res., 1985, vol. 76, no. 3, pp. 213—223. doi: 10.20772/CANCERSCI1985.76.3213