Identification, characterization and antigenicity of the Plasmodium vivax rhoptry neck protein 1 (PvRON1)

Background: Plasmodium vivax malaria remains a major health problem in tropical and sub-tropical regions worldwide. Several rhoptry proteins which are important for interaction with and/or invasion of red blood cells, such as PfRONs, Pf92, Pf38, Pf12 and Pf34, have been described during the last few years and are being considered as potential anti-malarial vaccine candidates. This study describes the identification and characterization of the P. vivax rhoptry neck protein 1 (PvRON1) and examine its antigenicity in natural P. vivax infections. Methods: The PvRON1 encoding gene, which is homologous to that encoding the P. falciparum apical sushi protein (ASP) according to the plasmoDB database, was selected as our study target. The pvron1 gene transcription was evaluated by RT-PCR using RNA obtained from the P. vivax VCG-1 strain. Two peptides derived from the deduced P. vivax Sal-I PvRON1 sequence were synthesized and inoculated in rabbits for obtaining anti-PvRON1 antibodies which were used to confirm the protein expression in VCG-1 strain schizonts along with its association with detergent-resistant microdomains (DRMs) by Western blot, and its localization by immunofluorescence assays. The antigenicity of the PvRON1 protein was assessed using human sera from individuals previously exposed to P. vivax malaria by ELISA. Results: In the P. vivax VCG-1 strain, RON1 is a 764 amino acid-long protein. In silico analysis has revealed that PvRON1 shares essential characteristics with different antigens involved in invasion, such as the presence of a secretory signal, a GPI-anchor sequence and a putative sushi domain. The PvRON1 protein is expressed in parasite's schizont stage, localized in rhoptry necks and it is associated with DRMs. Recombinant protein recognition by human sera indicates that this antigen can trigger an immune response during a natural infection with P. vivax. Conclusions: This study shows the identification and characterization of the P. vivax rhoptry neck protein 1 in the VCG-1 strain. Taking into account that PvRON1 shares several important characteristics with other Plasmodium antigens that play a functional role during RBC invasion and, as shown here, it is antigenic, it could be considered as a good vaccine candidate. Further studies aimed at assessing its immunogenicity and protection-inducing ability in the Aotus monkey model are thus recommended.

Characterizing PvARP, a novel Plasmodium vivax antigen

Background Plasmodium vivax continues to be the most widely distributed malarial parasite species in tropical and sub-tropical areas, causing high morbidity indices around the world. Better understanding of the proteins used by the parasite during the invasion of red blood cells is required to obtain an effective vaccine against this disease. This study describes characterizing the P. vivax asparagine-rich protein (PvARP) and examines its antigenicity in natural infection. Methods The target gene in the study was selected according to a previous in silico analysis using profile hidden Markov models which identified P. vivax proteins that play a possible role in invasion. Transcription of the arp gene in the P. vivax VCG-1 strain was here evaluated by RT-PCR. Specific human antibodies against PvARP were used to confirm protein expression by Western blot as well as its subcellular localization by immunofluorescence. Recognition of recombinant PvARP by sera from P. vivax-infected individuals was evaluated by ELISA. Results VCG-1 strain PvARP is a 281-residue-long molecule, which is encoded by a single exon and has an N-terminal secretion signal, as well as a tandem repeat region. This protein is expressed in mature schizonts and is located on the surface of merozoites, having an apparent accumulation towards their apical pole. Sera from P. vivax-infected patients recognized the recombinant, thereby suggesting that this protein is targeted by the immune response during infection.

PvRON2, a new Plasmodium vivax rhoptry neck antigen

Background: Rhoptries are specialized organelles from parasites belonging to the phylum Apicomplexa; they secrete their protein content during invasion of host target cells and are sorted into discrete subcompartments within rhoptry neck or bulb. This distribution is associated with these proteins’ role in tight junction (TJ) and parasitophorous vacuole (PV) formation, respectively. Methods: Plasmodium falciparum RON2 amino acid sequence was used as bait for screening the codifying gene for the homologous protein in the Plasmodium vivax genome. Gene synteny, as well as identity and similarity values, were determined for ron2 and its flanking genes among P. falciparum, P. vivax and other malarial parasite genomes available at PlasmoDB and Sanger Institute databases. Pvron2 gene transcription was determined by RT-PCR of cDNA obtained from the P. vivax VCG-1 strain. Protein expression and localization were assessed by Western blot and immunofluorescence using polyclonal anti-PvRON2 antibodies. Co-localization was confirmed using antibodies directed towards specific microneme and rhoptry neck proteins. Results and discussion: The first P. vivax rhoptry neck protein (named here PvRON2) has been identified in this study. PvRON2 is a 2,204 residue-long protein encoded by a single 6,615 bp exon containing a hydrophobic signal sequence towards the amino-terminus, a transmembrane domain towards the carboxy-terminus and two coiled coil a-helical motifs; these are characteristic features of several previously described vaccine candidates against malaria. This protein also contains two tandem repeats within the interspecies variable sequence possibly involved in evading a host’s immune system. PvRON2 is expressed in late schizonts and localized in rhoptry necks similar to what has been reported for PfRON2, which suggests its participation during target cell invasion. Conclusions: The identification and partial characterization of the first P. vivax rhoptry neck protein are described in the present study. This protein is homologous to PfRON2 which has previously been shown to be associated with PfAMA-1, suggesting a similar role for PvRON2.

Identification of plasmodium vivax proteins with potential role in invasion using sequence redundancy reduction and profile hidden markov models

Background: This study describes a bioinformatics approach designed to identify Plasmodium vivax proteins potentially involved in reticulocyte invasion. Specifically, different protein training sets were built and tuned based on different biological parameters, such as experimental evidence of secretion and/or involvement in invasion-related processes. A profile-based sequence method supported by hidden Markov models (HMMs) was then used to build classifiers to search for biologically-related proteins. The transcriptional profile of the P. vivax intra-erythrocyte developmental cycle was then screened using these classifiers. Results: A bioinformatics methodology for identifying potentially secreted P. vivax proteins was designed using sequence redundancy reduction and probabilistic profiles. This methodology led to identifying a set of 45 proteins that are potentially secreted during the P. vivax intra-erythrocyte development cycle and could be involved in cell invasion. Thirteen of the 45 proteins have already been described as vaccine candidates; there is experimental evidence of protein expression for 7 of the 32 remaining ones, while no previous studies of expression, function or immunology have been carried out for the additional 25. Conclusions: The results support the idea that probabilistic techniques like profile HMMs improve similarity searches. Also, different adjustments such as sequence redundancy reduction using Pisces or Cd-Hit allowed data clustering based on rational reproducible measurements. This kind of approach for selecting proteins with specific functions is highly important for supporting large-scale analyses that could aid in the identification of genes encoding potential new target antigens for vaccine development and drug design. The present study has led to targeting 32 proteins for further testing regarding their ability to induce protective immune responses against P. vivax malaria.

A "Trojan horse" strategy to reverse drug-resistance in brain tumors

Los gliomas malignos representan una de las formas más agresivas de los tumores del sistema nervioso central (SNC). De acuerdo con la clasificación de los tumores cerebrales de la Organización Mundial de la Salud (OMS), los astrocitomas han sido categorizados en cuatro grados, determinados por la patología subyacente. Es así como los gliomas malignos (o de alto grado) incluyen el glioma anaplásico (grado III) así como el glioblastoma multiforme (GBM, grado IV),estos últimos los más agresivos con el peor pronóstico (1). El manejo terapéutico de los tumores del SNC se basa en la cirugía, la radioterapia y la quimioterapia, dependiendo de las características del tumor, el estadio clínico y la edad (2),(3), sin embargo ninguno de los tratamientos estándar es completamente seguro y compatible con una calidad de vida aceptable (3), (4). En general, la quimioterapia es la primera opción en los tumores diseminados, como el glioblastoma invasivo y el meduloblastoma de alto riesgo o con metástasis múltiple, pero el pronóstico en estos pacientes es muy pobre (2),(3). Solamente nuevas terapias dirigidas (2) como las terapias anti-angiogénicas (4); o terapias génicas muestran un beneficio real en grupos limitados de pacientes con defectos moleculares específicos conocidos (4). De este modo, se hace necesario el desarrollo de nuevas terapias farmacológicas para atacar los tumores cerebrales. Frente a las terapias los gliomas malignos son con frecuencia quimioresistentes, y esta resistencia parece depender de al menos dos mecanismos: en primer lugar, la pobre penetración de muchas drogas anticáncer a través de la barrera hematoencefálica (BBB: Blood Brain Barrier), la barrera del fluido sangre-cerebroespinal (BCSFB: Blood-cerebrospinal fluid barrier) y la barrera sangre-tumor (BTB: blood-tumor barrier). Dicha resistencia se debe a la interacción de la droga con varios transportadores o bombas de eflujo de droga ABC (ABC: ATP-binding cassette) que se sobre expresan en las células endoteliales o epiteliales de estas barreras. En segundo lugar, estos transportadores de eflujo de drogas ABC propios de las células tumorales confieren un fenotipo conocido como resistencia a multidrogas (MDR: multidrug resistance), el cual es característico de varios tumores sólidos. Este fenotipo también está presente en los tumores del SNC y su papel en gliomas es objeto de investigación (5). Por consiguiente el suministro de medicamentos a través de la BBB es uno de los problemas vitales en los tratamientos de terapia dirigida. Estudios recientes han demostrado que algunas moléculas pequeñas utilizadas en estas terapias son sustratos de la glicoproteína P (Pgp: P-gycoprotein), así como también de otras bombas de eflujo como las proteínas relacionadas con la resistencia a multidrogas (MRPs: multidrug resistance-related proteins (MRPs) o la proteína relacionada con cáncer de seno (BCRP: breast-cancer resistance related protein)) que no permiten que las drogas de este tipo alcancen el tumor (1). Un sustrato de Pgp y BCRP es la DOXOrubicina (DOXO), un fármaco utilizado en la terapia anti cáncer, el cual es muy eficaz para atacar las células del tumor cerebral in vitro, pero con un uso clínico limitado por la poca entrega a través de la barrera hematoencefálica (BBB) y por la resistencia propia de los tumores. Por otra parte las células de BBB y las células del tumor cerebral tienen también proteínas superficiales, como el receptor de la lipoproteína de baja densidad (LDLR), que podría utilizarse como blanco terapéutico en BBB y tumores cerebrales. Es asi como la importancia de este estudio se basa en la generación de estrategias terapéuticas que promuevan el paso de las drogas a través de la barrera hematoencefalica y tumoral, y a su vez, se reconozcan mecanismos celulares que induzcan el incremento en la expresión de los transportadores ABC, de manera que puedan ser utilizados como blancos terapéuticos.Este estudio demostró que el uso de una nueva estrategia basada en el “Caballo de Troya”, donde se combina la droga DOXOrubicina, la cual es introducida dentro de un liposoma, salvaguarda la droga de manera que se evita su reconocimiento por parte de los transportadores ABC tanto de la BBB como de las células del tumor. La construcción del liposoma permitió utilizar el receptor LDLR de las células asegurando la entrada a través de la BBB y hacia las células tumorales a través de un proceso de endocitosis. Este mecanismo fue asociado al uso de estatinas o drogas anticolesterol las cuales favorecieron la expresión de LDLR y disminuyeron la actividad de los transportadores ABC por nitración de los mismos, incrementando la eficiencia de nuestro Caballo de Troya. Por consiguiente demostramos que el uso de una nueva estrategia o formulación denominada ApolipoDOXO más el uso de estatinas favorece la administración de fármacos a través de la BBB, venciendo la resistencia del tumor y reduciendo los efectos colaterales dosis dependiente de la DOXOrubicina. Además esta estrategia del "Caballo de Troya", es un nuevo enfoque terapéutico que puede ser considerado como una nueva estrategia para aumentar la eficacia de diferentes fármacos en varios tumores cerebrales y garantiza una alta eficiencia incluso en un medio hipóxico,característico de las células cancerosas, donde la expresión del transportador Pgp se vió aumentada. Teniendo en cuenta la relación entre algunas vías de señalización reconocidas como moduladores de la actividad de Pgp, este estudio presenta no solo la estrategia del Caballo de Troya, sino también otra propuesta terapéutica relacionada con el uso de Temozolomide más DOXOrubicina. Esta estrategia demostró que el temozolomide logra penetrar la BBB por que interviene en la via de señalización de la Wnt/GSK3/β-catenina, la cual modula la expresión del transportador Pgp. Se demostró que el TMZ disminuye la proteína y el mRNA de Wnt3 permitiendo plantear la hipótesis de que la droga al disminuir la transcripción del gen Wnt3 en células de BBB, incrementa la activación de la vía fosforilando la β-catenina y conduciendo a disminuir la β-catenina nuclear y por tanto su unión al promotor del gen mdr1. Con base en los resultados este estudio permitió el reconocimiento de tres mecanismos básicos relacionados con la expresión de los transportadores ABC y asociados a las estrategias empleadas: el primero fue el uso de las estatinas, el cual condujo a la nitración de los transportadores disminuyendo su actividad por la via del factor de transcripción NFκB; el segundo a partir del uso del temozolomide, el cual metila el gen de Wnt3 reduciendo la actividad de la via de señalización de la la β-catenina, disminuyendo la expresión del transportador Pgp. El tercero consistió en la determinación de la relación entre el eje RhoA/RhoA quinasa como un modulador de la via (no canónica) GSK3/β-catenina. Se demostró que la proteína quinasa RhoA promovió la activación de la proteína PTB1, la cual al fosforilar a GSK3 indujo la fosforilación de la β-catenina, lo cual dio lugar a su destrucción por el proteosoma, evitando su unión al promotor del gen mdr1 y por tanto reduciendo su expresión. En conclusión las estrategias propuestas en este trabajo incrementaron la citotoxicidad de las células tumorales al aumentar la permeabilidad no solo de la barrera hematoencefálica, sino también de la propia barrera tumoral. Igualmente, la estrategia del “Caballo de Troya” podría ser útil para la terapia de otras enfermedades asociadas al sistema nervioso central. Por otra parte estos estudios indican que el reconocimiento de mecanismos asociados a la expresión de los transportadores ABC podría constituir una herramienta clave en el desarrollo de nuevas terapias anticáncer.