Eukaryotic 2-Cys peroxiredoxins (2-Cys Prxs) not only act as antioxidants, but also appear to regulate hydrogen peroxide–mediated signal transduction. We showthat bacterial 2-Cys Prxs are much less sensitive to oxidative inactivation than are eukaryotic 2-Cys Prxs. By identifying two sequence motifs unique to the sensitive 2-Cys Prxs and comparing the crystal structure of a bacterial 2-Cys Prx at 2.2 angstrom resolution with other Prx structures, we define the structural origins of sensitivity. We suggest this adaptation allows 2-Cys Prxs to act as floodgates, keeping resting levels of hydrogen peroxide low, while permitting higher levels during signal transduction.

A cDNA corresponding to a thiol-specific antioxidant enzyme (TSA) was isolated from a rat brain cDNA library with the use of antibodies to bovine TSA. The cDNA clone encoded an open reading frame capable of encoding a 198-residue polypeptide. The rat and yeast TSA proteins show significant sequence homology to the 21-kDa component (AhpC) of Salmonella typhimurium alkyl hydroperoxide reductase, and we have found that AhpC exhibits TSA activity. AhpC and TSA define a family of > 25 different proteins present in organisms from all kingdoms. The similarity among the family members extends over the entire sequence and ranges between 23% and 98% identity. A majority of the members of the AhpC/TSA family contain two conserved cysteines. At least eight of the genes encoding AhpC/TSA-like polypeptides are found in proximity to genes encoding other oxidoreductase activities, and the expression of several of the homologs has been correlated with pathogenicity. We suggest that the AhpC/TSA family represents a widely distributed class of antioxidant enzymes. We also report that a second family of proteins, defined by the 57-kDa component (AhpF) of alkyl hydroperoxide reductase and by thioredoxin reductase, has expanded to include six additional members.

Lipopolysaccharide (LPS) is a known inducer of inflammatory signaling which triggers generation of reactive oxygen species (ROS) and cell death in responsive cells like THP-1 promonocytes and freshly isolated human monocytes. A key LPS-responsive metabolic pivot point is the 9 megadalton mitochondrial pyruvate dehydrogenase complex (PDC), which provides pyruvate dehydrogenase (E1), lipoamide-linked transacetylase (E2) and lipoamide dehydrogenase (E3) activities to produce acetyl-CoA from pyruvate. While phosphorylation-dependent decreases in PDC activity following LPS treatment or sepsis have been deeply investigated, redox-linked processes have received less attention. Data presented here demonstrate that LPS-induced reversible oxidation within PDC occurs in PDCE2 in both THP-1 cells and primary human monocytes. Knockout of PDCE2 by CRISPR and expression of FLAG-tagged PDCE2 in THP-1 cells demonstrated that LPS-induced glutathionylation is associated with wild type PDCE2 but not mutant protein lacking the lipoamide-linking lysine residues. Moreover, the mitochondrially-targeted electrophile MitoCDNB, which impairs both glutathione- and thioredoxin-based reductase systems, elevates ROS similar to LPS but does not cause PDCE2 glutathionylation. However, LPS and MitoCDNB together are highly synergistic for PDCE2 glutathionylation, ROS production, and cell death. Surprisingly, the two treatments together had differential effects on cytokine production; pro-inflammatory IL-1β production was enhanced by the co-treatment, while IL-10, an important anti-inflammatory cytokine, dropped precipitously compared to LPS treatment alone. This new information may expand opportunities to understand and modulate PDC redox status and activity and improve the outcomes of pathological inflammation.

Abstract Redox metabolism plays essential functions in the pathology of cancer. As tumor redox profiles uniquely reflect cancer stage and in select cases, therapeutic sensitivity, the capability to image redox molecular features is essential to improve diagnosis, treatment, and overall quality-of-life (QOL) of cancer patients. While a number of radiotracers for imaging redox metabolism have been developed, there are no reports of radiotracers for in vivo imaging of protein oxidation. Here we take the first step towards this goal and describe the synthesis and kinetic properties of a new positron emission tomography (PET) [ 18 F]DCP radiotracer for in vivo imaging of protein sulfenylation. Time course biodistribution and PET/CT studies using xenograft animal models of Head and Neck Squamous Cell Cancer (HNSCC) demonstrate feasibility of diagnosing radiation resistant tumors, which display lower [ 18 F]DCP signal. These findings are consistent with our previous reports of decreased protein sulfenylation in clinical specimens of radiation resistant HNSCC. We anticipate further development and implementation of this concept in clinical practice to improve the diagnosis of patients with radiation resistant tumors and the accuracy of prognosis for patients undergoing radiation treatment. Single Sentence Summary The study introduces a new PET radiotracer for profiling tumor protein oxidation as a prognostic indicator of resistance to radiation therapy.

ABSTRACT The development of mutant-selective inhibitors for the KRAS G12C allele has generated considerable excitement. These KRAS G12C inhibitors covalently engage the mutant C12 thiol located within the phosphoryl binding loop of RAS, locking the KRAS G12C protein in an inactive state. While clinical trials of these inhibitors have been promising, mechanistic questions regarding the reactivity of this thiol remain, motivating the present studies. Measurement of the C12 thiol pK a by NMR and an independent biochemical assay found a depressed pK a (relative to free cysteine) of 7.6 consistent with its susceptibility to chemical ligation. Using a novel and validated fluorescent KRAS Y137W variant amenable to stopped-flow spectroscopy, we characterized the kinetics of KRAS G12C fluorescence changes upon addition of ARS-853 or AMG 510, noting that ARS-853 addition at 5°C elicited both a rapid first phase (attributed to binding, yielding a K d of 36.0 ± 0.7 μM), and a second, slower pH-dependent phase taken to represent covalent ligation. Consistent with the lower pK a of the C12 thiol, we found that reversible and irreversible oxidation of KRAS G12C occurred readily both in vitro and in the cellular environment, preventing the covalent binding of ARS-853. Moreover, we found that oxidation of the KRAS G12C thiol to sulfinic acid alters RAS conformation and dynamics to be more similar to KRAS G12D in comparison to the unmodified protein, as assessed by molecular dynamics simulations. Taken together, these findings provide insight for future KRAS G12C drug discovery efforts as well as identifying the occurrence of G12C oxidation with currently unknown biological ramifications.

Background Dietary omega-3 (n-3), long chain (LC-, ≥ 20 carbons), polyunsaturated fatty acids (PUFAs) derived largely from marine animal sources protect against inflammatory processes and enhance brain development and function. With the depletion of natural stocks of marine animal sources and an increasing demand for n-3 LC-PUFAs, alternative, sustainable supplies are urgently needed. As a result, n-3 18 carbon and LC-PUFAs are being generated from plant or algal sources, either by engineering new biosynthetic pathways or by augmenting existing systems. Results We utilized an engineered plasmid encoding two cyanobacterial acyl-lipid desaturases (DesB and DesD, encoding Δ15 and Δ6 desaturases, respectively) and “vesicle-inducing protein in plastids” (Vipp1) to induce production of stearidonic acid (SDA,18:4 n-3) at high levels in three strains of cyanobacteria (10, 17 and 27% of total lipids in Anabaena sp. PCC7120, Synechococcus sp. PCC7002, and Leptolyngbya sp. strain BL0902, respectively). Lipidomic analysis revealed that in addition to SDA, the rare anti-inflammatory n-3 LC-PUFA eicosatetraenoic acid (ETA, 20:4 n-3) was synthesized in these engineered strains, and ∼99% of SDA and ETA was complexed to bioavailable monogalactosyldiacylglycerol (MGDG) and digalactosyldiacylglycerol (DGDG) species. Importantly, novel molecular species containing alpha-linolenic acid (ALA), SDA and/or ETA in both acyl positions of MGDG and DGDG were observed in the engineered Leptolyngbya and Synechococcus strains, suggesting that these could provide a rich source of anti-inflammatory molecules. Conclusions Overall, this technology utilizes solar energy, consumes carbon dioxide, and produces large amounts of nutritionally-important n-3 PUFAs and LC-PUFAs. Importantly, it can generate previously-undescribed, highly bioavailable, anti-inflammatory galactosyl lipids. This technology could therefore be transformative in protecting ocean fisheries and augmenting the nutritional quality of human and animal food products. Broader Context Dietary omega-3 (n-3), long chain polyunsaturated fatty acids (LC-PUFAs) typically found in marine products such as fish and krill oil are beneficial to human health. In addition to human consumption, most of the global supply of n-3 LC-PUFAs is used as dietary components for aquaculture. Marked increases in usage have created an intense demand for more sustainable, stable and bioavailable forms of n-3 PUFAs and LC-PUFAs. We utilized an engineered plasmid to dramatically enhance the production of 18-carbon and n-3 LC-PUFAs in three strains of autotrophic cyanobacteria. While the sustainable generation of highly valued and bioavailable nutritional lipid products is the primary goal, additional benefits include the generation of oxygen as a co-product with the consumption of only carbon dioxide as the carbon source and solar radiation as the energy source. This technology could be transformative in protecting ocean fisheries and augmenting the nutritional quality of human and animal food products. Additionally, these engineered cyanobacteria can generate previously undescribed, highly bioavailable, anti-inflammatory galactosyl lipids.