Inhibition and attenuation of pathogenicity of Porphyromonas gingivalis by leupeptin: A review

Abstract

BACKGROUND: Porphyromonas gingivalis is a periodontal pathogen, which is considered to be a keystone pathogen for periodontitis. A diverse conglomerate of P. gingivalis virulence factors including lipopolysaccharide, fimbriae, capsular polysaccharide, haemagglutinin and cysteine proteases (Arg-gingipains and Lys-gingipain) are considered to be involved in the pathogenesis of periodontitis. Leupeptin is a cysteine protease inhibitor which is specific for Arg gingipains. The present review focuses on action of leupeptin on Arg gingipains.

METHOD: A search was carried out systematically from the start till September, 2016. The search was made in Medline database via PubMed. The keywords enlisted were “leupeptin”; “gingipains”; “periodontitis” using Boolean operator “and.”

RESULTS: The result was selection of 58 articles which linked leupeptin to periodontitis and gingipains; pathogenesis of periodontitis, pathogenicity of gingipains and role of leupeptin.

CONCLUSION: It was concluded that leupeptin inhibits and attenuates a number of destructive activities of Arg gingipains including inhibition of platelet aggregation; inhibit degradation of LL-37, which is an antimicrobial peptide; blocking inhibition of monocyte chemoattractant protein; restoring level of interleukin-2; inhibiting degradation of collagen type I and IV to name a few.

Keywords

Porphyromonas gingivalis / gingipains / leupeptin / cysteine protease inhibitor / periodontitis

References

[1] Alugupalli K R ,  Kalfas S  (1996). Degradation of lactoferrin by periodontitis-associated bacteria. FEMS Microbiol Lett, 145(2): 209–214

[2] Andrian E, Grenier  D, Rouabhia M  (2004). In vitro models of tissue penetration and destruction by Porphyromonas gingivalis. Infect Immun, 72(8): 4689–4698

[3] Aoyagi T, Miyata  S, Nanbo M ,  Kojima F ,  Matsuzaki M ,  Ishizuka M ,  Takeuchi T ,  Umezawa H  (1969a). Biological activities of leupeptins. J Antibiot (Tokyo), 22(11): 558–568

[4] Aoyagi T, Takeuchi  T, Matsuzaki A ,  Kawamura K ,  Kondo S ,  Hamada M ,  Maeda K ,  Umezawa H  (1969b). Leupeptins, new protease inhibitors from Actinomycetes. J Antibiot (Tokyo), 22(6): 283–286

[5] Baek K J, Ji  S, Kim Y C ,  Choi Y (2015). Association of the invasion ability of Porphyromonas gingivalis with the severity of periodontitis. Virulence, 6(3): 274–281

[6] Baker P J, Dixon  M, Evans R T ,  Dufour L ,  Johnson E ,  Roopenian D C  (1999). CD4(+) T cells and the proinflammatory cytokines gamma interferon and interleukin-6 contribute to alveolar bone loss in mice. Infect Immun, 67: 2804–2809

[7] Bedi G S, Williams  T (1994). Purification and characterization of a collagen-degrading protease from Porphyromonas gingivalis. J Biol Chem, 269: 599–606

[8] Brochu V, Grenier  D, Nakayama K ,  Mayrand D  (2001). Acquisition of iron from human transferrin by Porphyromonas gingivalis: a role for Arg- and Lys-gingipain activities. Oral Microbiol Immunol, 16(2): 79–87

[9] Choi E K, Kim  S Y, Kim  S H, Paek  Y W, Kang  I C (2014). Proteolytic activity of Porphyromonas gingivalis attenuates MCP-1 mRNA expression in LPS-stimulated THP-1 cells. Microb Pathog, 73: 13–18

[10] Curtis M A, Aduse Opoku  J, Rangarajan M ,  Gallagher A ,  Sterne J A ,  Reid C R ,  Evans H E ,  Samuelsson B  (2002). Attenuation of the virulence of Porphyromonas gingivalis by using a specific synthetic Kgp protease inhibitor. Infect Immun, 70(12): 6968–6975

[11] de Diego I, Veillard  F, Sztukowska M N ,  Guevara T ,  Potempa B ,  Pomowski A ,  Huntington J A ,  Potempa J ,  Gomis-Ruth F X  (2014). Structure and mechanism of cysteine peptidase gingipain K (Kgp), a major virulence factor of Porphyromonas gingivalis in periodontitis. J Biol Chem, 289(46): 32291–32302

[12] Duncan L, Yoshioka  M, Chandad F ,  Grenier D  (2004). Loss of lipopolysaccharide receptor CD14 from the surface of human macrophage-like cells mediated by Porphyromonas gingivalis outer membrane vesicles. Microb Pathog, 36(6): 319–325

[13] Everts V, Beertsen  W, Tigchelaar-Gutter W (1985). The digestion of phagocytosed collagen is inhibited by the proteinase inhibitors leupeptin and E-64. Coll Relat Res, 5(4): 315–336

[14] Freeman S J, Lloyd  J B (1983). Inhibition of proteolysis in rat yolk sac as a cause of teratogenesis. Effects of leupeptin in vitro and in vivo. J Embryol Exp Morphol, 78: 183–193

[15] Gamboa F, Acosta  A, Garcia D A ,  Velosa J ,  Araya N ,  Ledergerber R  (2014). Occurrence of porphyromonas gingivalis and its antibacterial susceptibility to metronidazole and tetracycline in patients with chronic periodontitis. Acta Odontol Latinoam, 27: 137–144

[16] Grenier D, Gauthier  P, Plamondon P ,  Nakayama K ,  Mayrand D  (2001). Studies on the aminopeptidase activities of Porphyromonas gingivalis. Oral Microbiol Immunol, 16(4): 212–217

[17] Grenier D, Imbeault  S, Plamondon P ,  Grenier G ,  Nakayama K ,  Mayrand D  (2001). Role of gingipains in growth of Porphyromonas gingivalis in the presence of human serum albumin. Infect Immun, 69(8): 5166–5172

[18] Grenier D, Roy  S, Chandad F ,  Plamondon P ,  Yoshioka M ,  Nakayama K ,  Mayrand D  (2003). Effect of inactivation of the Arg- and/or Lys-gingipain gene on selected virulence and physiological properties of Porphyromonas gingivalis. Infect Immun, 71(8): 4742–4748

[19] Hajishengallis G, Lamont  R J (2012). Beyond the red complex and into more complexity: the polymicrobial synergy and dysbiosis (PSD) model of periodontal disease etiology. Mol Oral Microbiol, 27(6): 409–419

[20] Holt S C, Ebersole  J L (2005). Porphyromonas gingivalis, Treponema denticola, and Tannerella forsythia: the “red complex”, a prototypepoly bacterial pathogenic consortium in periodontitis. Periodontol 2000, 38(1): 72–122

[21] Houle M A, Grenier  D, Plamondon P ,  Nakayama K  (2003). The collagenase activity of Porphyromonas gingivalis is due to Arg-gingipain. FEMS Microbiol Lett, 221(2): 181–185

[22] Imamura T, Potempa  J, Pike R N ,  Moore J N ,  Barton M H ,  Travis J  (1995). Effect of free and vesicle-bound cysteine proteinases of Porphyromonas gingivalis on plasma clot formation: implications for bleeding tendency at periodontitis sites. Infect Immun, 63: 4877–4882

[23] Islam S A, Seo  M, Lee Y S ,  Moon S S  (2015). Association of periodontitis with insulin resistance, β-cell function, and impaired fasting glucose before onset of diabetes. Endocr J, 2015(62): 981–989

[24] Kanakdande V, Patil  K P, Nayyar  A S (2015). Comparative evaluation of clinical hematological and systemic inflammatory markers in smokers and non-smokers with chronic periodontitis. Contemp Clin Dent, 6(3): 348–357

[25] Katz J, Yang  Q B, Zhang  P, Potempa J ,  Travis J ,  Michalek S M ,  Balkovetz D F  (2002). Hydrolysis of epithelial junctional proteins by Porphyromonas gingivalis gingipains. Infect Immun, 70(5): 2512–2518

[26] Kesavalu L, Chandrasekar  B, Ebersole J L  (2002). In vivo induction of proinflammatory cytokines in mouse tissue by Porphyromonas gingivalis and Actinobacillus actinomycetemcomitans. Oral Microbiol Immunol, 17(3): 177–180

[27] Khalaf H, Bengtsson  T (2012). Altered T-cell responses by the periodontal pathogen Porphyromonas gingivalis. PLoS One, 7(9): e45192

[28] Kieran D, Greensmith  L (2004). Inhibition of calpains, by treatment with leupeptin, improves motoneuron survival and muscle function in models of motoneuron degeneration. Neuroscience, 125(2): 427–439

[29] Kitano S, Irimura  K, Sasaki T ,  Abe N, Baba  A, Miyake Y ,  Katunuma N ,  Yamamoto K  (2001). Suppression of gingival inflammation induced by Porphyromonas gingivalis in rats by leupeptin. Jpn J Pharmacol, 85(1): 84–91

[30] Kondo S I, Kawamura  K, Iwanaga J ,  Hamada M ,  Aoyagi T ,  Maeda K ,  Takeuchi T ,  Umezawa H  (1969). Isolation and characterization of leupeptins produced by Actinomycetes. Chem Pharm Bull (Tokyo), 17(9): 1896–1901

[31] Kontani M, Ono  H, Shibata H ,  Okamura Y ,  Tanaka T ,  Fujiwara T ,  Kimura S ,  Hamada S  (1996). Cysteine protease of Porphyromonas gingivalis 381 enhances binding of fimbriae to cultured human fibroblasts and matrix proteins. Infect Immun, 64: 756–762

[32] Kuramochi H, Nakata  H, Ishii S  (1979). Mechanism of association of a specific aldehyde inhibitor, leupeptin, with bovine trypsin. J Biochem, 86: 1403–1410

[33] Kuula H, Salo  T, Pirila E ,  Tuomainen A M ,  Jauhiainen M ,  Uitto V J ,  Tjaderhane L ,  Pussinen P J ,  Sorsa T  (2009). Local and systemic responses in matrix metalloproteinase 8-deficient mice during Porphyromonas gingivalis-induced periodontitis. Infect Immun, 77(2): 850–859

[34] Libby P, Goldberg  A L (1978). Leupeptin, a protease inhibitor, decreases protein degradation in normal and diseased muscles. Science, 199(4328): 534–536

[35] Lv J, Zhu  Y X, Liu  Y Q, Xue  X (2015). Distinctive pathways characterize A. actinomycetemcomitans and P. gingivalis. Mol Biol Rep, 42(2): 441–449

[36] Maeda K, Kawamura  K, Kondo S I ,  Aoyagi T ,  Takeuchi T ,  Umezawa H  (1971). The structure and activity of leupeptins and related analogs. J Antibiot (Tokyo), 24(6): 402–404

[37] Marsh P D (2005). Dental plaque: biological significance of a biofilm and community life-style. J Clin Periodontol, 32(s6 Suppl 6): 7–15

[38] McConnell R M ,  York J L ,  Frizzell D ,  Ezell C  (1993). Inhibition studies of some serine and thiol proteinases by new leupeptin analogues. J Med Chem, 36(8): 1084–1089

[39] McCrudden M T ,  Orr D F ,  Yu Y, Coulter  W A, Manning  G, Irwin C R ,  Lundy F T  (2013). LL-37 in periodontal health and disease and its susceptibility to degradation by proteinases present in gingival crevicular fluid. J Clin Periodontol, 40(10): 933–941

[40] Miyakawa H, Honma  K, Qi M ,  Kuramitsu H K  (2004). Interaction of Porphyromonas gingivalis with low-density lipoproteins: implications for a role for periodontitis in atherosclerosis. J Periodontal Res, 39(1): 1–9

[41] Nadkarni M A, Chhour  K L, Chapple  C C, Nguyen  K A, Hunter  N (2014). The profile of Porphyromonas gingivalis kgp biotype and fimA genotype mosaic in subgingival plaque samples. FEMS Microbiol Lett, 361(2): 190–194

[42] Nakayama M, Inoue  T, Naito M ,  Nakayama K ,  Ohara N  (2015). Attenuation of the phosphatidylinositol 3-kinase/Akt signaling pathway by Porphyromonas gingivalis gingipains RgpA, RgpB, and Kgp. J Biol Chem, 290(8): 5190–5202

[43] Nylander M, Lindahl  T L, Bengtsson  T, Grenegard M  (2008). The periodontal pathogen Porphyromonas gingivalis sensitises human blood platelets to epinephrine. Platelets, 19(5): 352–358

[44] Otto H H, Schirmeister  T (1997). Cysteine Proteases and Their Inhibitors. Chem Rev, 97(1): 133–172

[45] Reynolds M A (2014). Modifiable risk factors in periodontitis: at the intersection of aging and disease. Periodontol 2000, 64(1): 7–19

[46] Rubinstein I, Potempa  J, Travis J ,  Gao X P  (2001). Mechanisms mediating Porphyromonas gingivalis gingipain RgpA-induced oral mucosa inflammation in vivo. Infect Immun, 69(2): 1199–1201

[47] Santos M M, Moreira  R (2007). Michael acceptors as cysteine protease inhibitors. Mini Rev Med Chem, 7(10): 1040–1050

[48] Scheres N, Laine  M L, de Vries  T J, Everts  V, van Winkelhoff A J (2010). Gingival and periodontal ligament fibroblasts differ in their inflammatory response to viable Porphyromonas gingivalis. J Periodontal Res, 45(2): 262–270

[49] Sheets S M, Potempa  J, Travis J ,  Fletcher H M ,  Casiano C A  (2006). Gingipains from Porphyromonas gingivalis W83 synergistically disrupt endothelial cell adhesion and can induce caspase-independent apoptosis. Infect Immun, 74(10): 5667–5678

[50] Sher J H, Stracher  A, Shafiq S A ,  Hardy-Stashin J  (1981). Successful treatment of murine muscular dystrophy with the proteinase inhibitor leupeptin. Proc Natl Acad Sci USA, 78(12): 7742–7744

[51] Smalley J W, Birss  A J, Szmigielski  B, Potempa J  (2007). Sequential action of R- and K-specific gingipains of Porphyromonas gingivalis in the generation of the haem-containing pigment from oxyhaemoglobin. Arch Biochem Biophys, 465(1): 44–49

[52] Socransky S S ,  Haffajee A D ,  Smith C ,  Duff G W  (2000). Microbiological parameters associated with IL-1 gene polymorphisms in periodontitis patients. J Clin Periodontol, 27(11): 810–818

[53] Suido H, Nakamura  M, Mashimo P A ,  Zambon J J ,  Genco R J  (1986). Arylaminopeptidase activities of oral bacteria. J Dent Res, 65(11): 1335–1340

[54] Waddington R J ,  Moseley R ,  Embery G  (2000). Reactive oxygen species: a potential role in the pathogenesis of periodontal diseases. Oral Dis, 6(3): 138–151

[55] Ximenez-Fyvie L A ,  Haffajee A D ,  Socransky S S  (2000). Microbial composition of supra- and subgingival plaque in subjects with adult periodontitis. J Clin Periodontol, 27(10): 722–732

[56] Yoshimura F, Nishikata  M, Suzuki T ,  Hoover C I ,  Newbrun E  (1984). Characterization of a trypsin-like protease from the bacterium Bacteroides gingivalis isolated from human dental plaque. Arch Oral Biol, 29(7): 559–564

[57] Yun P L, DeCarlo  A A, Hunter  N (1999). Modulation of major histocompatibility complex protein expression by human gamma interferon mediated by cysteine proteinase-adhesin polyproteins of Porphyromonas gingivalis. Infect Immun, 67: 2986–2995

[58] Zhou J, Zhang  J, Chao J  (2012). Porphyromonas gingivalis promotes monocyte migration by activating MMP-9. J Periodontal Res, 47(2): 236–242

Acknowledgements

The author would like to thank Mr. Salil Jain and Mrs. Parul Jain. It was a self-funded research.

Compliance with ethics guidelines

As it is a narrative review there was no requirement of ethical approval or consent letter. There was no reported conflict of interest.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg