Abstract Legionella pneumophila, the causative agent of a life-threatening pneumonia, intracellularly replicates in a specialized compartment in lung macrophages, the Legionella -containing vacuole (LCV). Secreted proteins of the pathogen govern important steps in the intracellular life cycle including bacterial egress. Among these is the type II secreted PlaA which, together with PlaC and PlaD, belongs to the GDSL phospholipase family found in L. pneumophila . PlaA shows lysophospholipase A (LPLA) activity which increases after secretion and subsequent processing by the zinc metalloproteinase ProA at residue E266/L267 located within a disulfide loop. Activity of PlaA contributes to the destabilization of the LCV in the absence of the type IVB-secreted effector SdhA. We here present the 3D structure of PlaA which shows a typical α/β hydrolase fold and reveals that the uncleaved disulfide loop forms a lid structure covering the catalytic triad S30/D278/H282. This leads to reduction of both substrate access and membrane interaction before activation; however, the catalytic and membrane interaction site gets more accessible when the disulfide loop is processed. After structural modelling, a similar activation process is suggested for the GDSL hydrolase PlaC, but not for PlaD. Furthermore, the size of the PlaA substrate binding site indicated preference towards phospholipids comprising ~16 carbon fatty acid residues which was verified by lipid hydrolysis, suggesting a molecular ruler mechanism. Indeed, mutational analysis changed the substrate profile with respect to fatty acid chain length. In conclusion, our analysis revealed the structural basis for the regulated activation and substrate preference of PlaA.

Shigatoxin-producing E. coli (STEC) are important human pathogens causing disease ranging from diarrhea to severe hemolytic uremic syndrome. As STEC are transmitted via animals, food, and water, and may produce large outbreaks, their timely and qualified detection including isolate recovery is of high importance, but challenging and labor-intense. Thus, the availability of an easy-to-perform rapid test would be a tremendous advance. Since the common feature and major virulence factor of otherwise multifaceted STEC is the Shiga toxin (Stx), we developed a detection method for Stx, specifically for its catalytic RNA-N-glycosidase activity targeting the Sarcin Ricin Loop (SRL) of 28S ribosomal RNA. To this end, synthetic ssDNA substrates mimicking the SRL were designed and linked to a fluorophore and quencher pair, which conferred a fluorescence signal after cleavage by Stx. Optimal results using bacterial culture supernatants or single colonies were achieved for substrate StxSense 4 following 30 to 60 minutes incubation. Importantly, different Stx1 and Stx2 subtypes, diverse STEC serotypes, and Shigella were detected. In conclusion, the assay offers rapid and facile detection of STEC based on a real-time readout for Stx activity. Therefore, it may improve STEC risk evaluation, therapy decisions, outbreak and source detection, and simplify research for antimicrobials.

Abstract Shiga toxin-producing E. coli (STEC) can give rise to a range of clinical outcomes from diarrhea to the life-threatening systemic condition, hemolytic uremic syndrome (HUS). Although STEC O157:H7 is the serotype most frequently associated with HUS, a major outbreak of HUS occurred in 2011 in Germany, and was caused by a rare serotype, STEC O104:H4. Prior to 2011 and since the outbreak, STEC O104:H4 strains have only rarely been associated with human infections. From 2012 to 2020 intensified STEC surveillance was performed in Germany where subtyping of ∼8,000 clinical isolates by molecular methods including whole genome sequencing was carried out. A rare STEC serotype O181:H4 associated with HUS was identified and, like the STEC O104:H4 outbreak strain, this strain belongs to sequence type (ST) 678. Genomic and virulence comparisons revealed that the two strains are phylogenetically related and differ principally in the gene cluster encoding their respective lipopolysaccharide O-antigens but exhibit similar virulence phenotypes. In addition, five other serotypes belonging to ST678 from human clinical infection, such as OX13:H4, O127:H4, OgN-RKI9:H4, O131:H4, and O69:H4, were identified from diverse locations worldwide. Importance Our data suggest the high virulence ensemble of the STEC O104:H4 outbreak strain remains a global threat because genomically similar strains cause disease worldwide, but that horizontal acquisition of O-antigen gene clusters has diversified the O-antigens of strains belonging to ST678. Thus, identification of these highly pathogenic strains is masked by diverse and rare O-antigens, thereby confounding the interpretation of their potential risk.

Abstract The virulence factor and phospholipase PlaB promotes lung colonization, tissue destruction, and intracellular replication of Legionella pneumophila , the causative agent of Legionnaires’ disease. It is exposed at the bacterial surface and shows an extraordinary activation mechanism by tetramer deoligomerization. To unravel the molecular basis for enzyme activation and localization, we determined the crystal structure of PlaB in its tetrameric form. We found that the tetramer is a dimer of identical dimers, and a monomer consists of an N-terminal phospholipase α/β-hydrolase domain augmented by two non-canonical two-stranded β-sheets, β6/β7 and β9/β10. The C- terminal domain reveals a novel fold displaying a bilobed β-sandwich with a hook structure that is required for dimer formation and complementation of the phospholipase domain in the neighboring monomer. Unexpectedly, we observed eight NAD(H) molecules at the dimer/dimer interface, suggesting that these molecules stabilize the tetramer and hence lead to enzyme inactivation. Indeed, addition of NAD(H) increased the fraction of the tetrameric form and concomitantly reduced activity. β9/β10 mutants revealed a decrease in the tetrameric fraction, altered activity profiles, and mislocalization. Protein variants lacking the hook or strands β6/β7 were unaffected in terms of localization but lost their activity, and lid mutants changed substrate specificity. Together, these data reveal structural elements and an unprecedented NAD(H)- mediated tetramerization mechanism required for spatial and enzymatic control of a phospholipase virulence factor. The regulatory process identified is ideally suited to fine tune PlaB in a way that protects L. pneumophila from self-inflicted lysis while ensuring its activity at the pathogen–host interface.

Phytochromes perceive subtle changes in the light environment and convert them into biological signals by photoconversion between the red‐light absorbing (Pr) and the far‐red‐absorbing (Pfr) states. In the primitive bacteriophytochromes this includes refolding of a tongue‐like hairpin loop close to the chromophore, one strand of an antiparallel b‐sheet being replaced by α‐helix. However, the strand sequence in the cyanobacterial phytochrome Cph1 is different from that of previously investigated bacteriophytochromes and has a higher b‐sheet propensity. We confirm here the transition experimentally and estimate minimum helix length using dynamic nuclear polarisation (DNP) magic angle spinning NMR. Sample conditions were optimized for protein DNP NMR studies at high field, yielding Boltzmann enhancements eB of 19 at an NMR field of 18.801 T. Selective labelling of Trp, Ile, Arg, and Val residues with 13C and 15N enabled filtering for pairs of labelled amino acids by the 3D CANCOCA technique to identify signals of the motif 483Ile‐Val‐Arg485 (IVR) present in both sheet and helix. Those signals were assigned for the Pfr state of the protein. Based on the chemical shift pattern, we confirm for Cph1 the formation of a helix covering the IVR motif.

Shiga-toxin-producing Escherichia coli (STEC) are important human pathogens causing diarrhea, hemorrhagic colitis, and severe hemolytic uremic syndrome. Timely detection of the multifaceted STEC is of high importance but is challenging and labor-intensive. An easy-to-perform rapid test would be a tremendous advance. Here, the major STEC virulence factor Shiga toxins (Stx), RNA-N-glycosidases targeting the sarcin ricin loop (SRL) of 28S rRNA, was used for detection. We designed synthetic FRET-based ssDNA SRL substrates, which conferred a fluorescence signal after cleavage by Stx. Optimal results using bacterial culture supernatants or single colonies were achieved for substrate StxSense 4 following 30 to 60 min incubation. Stx1 and Stx2 subtypes, diverse STEC serotypes, and Shigella were detected. Within a proof-of-principle study, a total of 94 clinical strains were tested, comprising 65 STEC, 11 Shigella strains, and 18 strains of other enteropathogenic bacteria without Stx. In conclusion, the assay offers rapid and facile STEC detection based on a real-time readout for Stx activity. Therefore, it may improve STEC risk evaluation, therapy decisions, outbreak, and source detection and simplify research for antimicrobials.