Multiplex polymerase chain reaction to identify and determine the toxigenicity of Corynebacterium spp with zoonotic potential and an overview of human and animal infections

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

In vivo konditionale Depletion von latentem murinen Cytomegalovirus

Die Lunge stellt einen Hauptort der CMV-Latenz dar. Die akute CMV-Infektion wird durch infiltrierende antivirale CD8 T-Zellen terminiert. Das virale Genom verbleibt jedoch im Lungengewebe in einem nicht replikativen Zustand, der Latenz, erhalten. Es konnte bereits gezeigt werden, dass während der Latenz die Major Immediate Early- (MIE) Gene ie1- und ie2 sporadisch transkribiert werden. Bisher konnte diese beginnende Reaktivierung latenter CMV-Genome nur in einer Momentaufnahme gezeigt werden (Kurz et al., 1999; Grzimek et al., 2001; Simon et al., 2005; zur Übersicht: Reddehase et al., 2008). Die sporadische Expression der MIE-Gene führt jedoch zur Präsentation eines antigenen IE1-Peptids und somit zur Stimulation antiviraler IE1-Peptid-spezifischer CD8 T-Zellen, die durch ihre Effektorfunktion die beginnende Reaktivierung wieder beenden. Dies führte uns zu der Hypothese, dass MIE-Genexpression über einen Zeitraum betrachtet (period prevalence) häufiger stattfindet als es in einer Momentaufnahme (point prevalence) beobachtet werden kann.rnrnUm die Häufigkeit der MIE-Genexpression in der Dynamik in einem definierten Zeitraum zu erfassen, sollte eine Methode entwickelt werden, welche es erstmals ermöglicht, selektiv und konditional transkriptionell aktive Zellen sowohl während der akuten Infektion als auch während der Latenz auszulöschen. Dazu wurde mit Hilfe der Zwei-Schritt BAC-Mutagenese ein rekombinantes death-tagged Virus hergestellt, welches das Gen für den Diphtherie Toxin Rezeptor (DTR) unter Kontrolle des ie2-Promotors (P2) enthält. Ist der P2 transkriptionell aktiv, wird der DTR an der Zelloberfläche präsentiert und die Zelle wird suszeptibel für den Liganden Diphtherie Toxin (DT). Durch Gabe von DT werden somit alle Zellen ausgelöscht, in denen virale Genome transkriptionell aktiv sind. Mit zunehmender Dauer der DT-Behandlung sollte also die Menge an latenten viralen Genomen abnehmen.rnrnIn Western Blot-Analysen konnte das DTR-Protein bereits 2h nach der Infektion nachgewiesen werden. Die Präsentation des DTR an der Zelloberfläche wurde indirekt durch dessen Funktionalität bewiesen. Das rekombinante Virus konnte in Fibroblasten in Gegenwart von DT nicht mehr replizieren. In akut infizierten Tieren konnte die virale DNA-Menge durch eine einmalige intravenöse (i.v.) DT-Gabe signifikant reduziert werden. Verstärkt wurde dieser Effekt durch eine repetitive i.v. DT-Gabe. Auch während der Latenz gelang es, die Zahl der latenten viralen Genome durch repetitive i.v. und anschließende intraperitoneale (i.p.) DT-Gabe zu reduzieren, wobei wir abhängig von der Dauer der DT-Gabe eine Reduktion um 60\% erreichen konnten. Korrespondierend zu der Reduktion der DNA-Menge sank auch die Reaktivierungshäufigkeit des rekombinanten Virus in Lungenexplantatkulturen. rnrnrnUm die Reaktivierungshäufigkeit während der Latenz berechnen zu können, wurde durch eine Grenzverdünnungsanalyse die Anzahl an latenten viralen Genomen pro Zelle bestimmt. Dabei ergab sich eine Kopienzahl von 9 (6 bis 13). Ausgehend von diesen Ergebnissen lässt sich berechnen, dass, bezogen auf die gesamte Lunge, in dem getesteten Zeitraum von 184h durch die DT-Behandlung 1.000 bis 2.500 Genome pro Stunde ausgelöscht wurden. Dies entspricht einer Auslöschung von 110 bis 280 MIE-Gen-exprimierenden Lungenzellen pro Stunde. Damit konnte in dieser Arbeit erstmals die Latenz-assoziierte Genexpression in ihrer Dynamik dargestellt werden.rn

Charakterisierung der Latenz des murinen Cytomegalovirus in vivo

Die primäre, produktive Cytomegalovirus (CMV)-Infektion wird im immunkompetenten Patienten effizient durch antivirale CD8+ T-Zellen kontrolliert. Das virale Genom besitzt jedoch die Fähigkeit, in einem nicht replikativen, Latenz genannten Zustand, in gewissen Zelltypen zu persistieren, ohne dass infektiöse Nachkommenviren produziert werden. Die molekularen Mechanismen, welche der Etablierung und Aufrechterhaltung der Latenz zugrundeliegen, sind noch weitestgehend unbekannt. Es gibt Hinweise darauf, dass zelluläre Verteidigungsmechanismen die Zirkularisierung und Chromatinisierung viraler Genome hervorrufen und dadurch die virale Genexpression größtenteils verhindert wird (Marks & Spector, 1984; Reeves et al., 2006).rnAllerdings liegen die Genome nicht in einem komplett inaktiven Zustand vor. Vielmehr konnte für das murine CMV (mCMV) bereits die sporadische Transkription der Gene ie1 und ie2 während der Latenz nachgewiesen werden (Kurz et al., 1999; Grzimek et al., 2001).rnIn der vorliegenden Arbeit wurde zum ersten Mal eine umfassende in vivo Latenz-Analyse zur Charakterisierung der viralen Transkription in einer Kinetik anhand der alle drei kinetischen Klassen repräsentierenden Transkripte IE1, IE3, E1, m164, M105 und M86 vorgenommen.rnNach Latenz-Etablierung, verifiziert durch Abwesenheit von infektiösem Virus, konnten alle getesteten Transkripte in der Lunge quantifiziert werden. Interessanterweise war die transkriptionelle Aktivität zu keinem Analyse-Zeitpunkt mit der klassischen IE-E-L-Kinetik der produktiven Infektion kompatibel. Stattdessen lag eine stochastische Transkript-Expression vor, deren Aktivität mit voranschreitender Zeit immer weiter abnahm.rnWährend der Latenz exprimierte Transkripte, die für antigene Peptide kodieren, können infizierte Zellen für das Immunsystem sichtbar machen, was zu einer fortwährenden Restimulation des memory T-Zell-pools führen würde. Durch zeitgleiche Analyse der Transkript-Expression, sowie der Frequenzen Epitop-spezifischer CD8+ T-Zellen während der Latenz (IE1, m164, M105), wurde eine möglicher Zusammenhang zwischen der transkriptionellen Aktivität und der Expansion des memory T-Zell-pools untersucht. Die weitere Charakterisierung von Subpopulationen der Epitop-spezifischen CD8+ T-Zellen identifizierte die SLECs (short-lived-effector cells; CD127low CD62Llow KLRG1high) als die dominante Population in Lunge und Milz während der mCMV-Latenz.rnIn einem weiteren Teil der Arbeit sollte untersucht werden, ob IE-Genexpression zur Etablierung von Latenz notwendig ist. Mit Hilfe der Rekombinanten mCMV-Δie2-DTR, die die Gensequenz des Diphtherietoxin-Rezeptors (DTR) anstelle des Gens ie2 trägt, konnten infizierte, DTR exprimierende Zellen durch eine DT-Applikation konditional depletiert werden.rnIm latent infizierbaren Zelltyp der Leber, den LSECs (liver sinusoidal endothelial cells) wurde die virale Load durch 90-stündige DT–Applikation nach mCMV-Δie2-DTR Infektion auf das Level latent infizierter LSECs reduziert. Diese Daten sprechen für die Hypothese eines von Beginn an inaktiven Genoms, das keine IE-Genexpression zur Latenz-Etablierung benötigt. Zusätzlich stellt dieser Ansatz ein neues Tier-Modell zur Latenz-Etablierung dar. Verringerte Wartezeiten bis zur vollständigen Latenz-Etablierung, im Vergleich zum bisherigen Knochenmarktransplantations-Modell, könnten anfallende Tierhaltungskosten erheblich reduzieren und das Voranschreiten der Forschung beschleunigen.

Die Rolle der IFN-gamma Signalübertragung und von MyD88 in der Angiotensin-II-induzierten vaskulären Dysfunkion, Inflammation und arteriellen Hypertonie

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Rolle von myelomonozytären Zellen, IFN-gamma (Interferon gamma), MyD88 (myeloid differentiation factor 88) und zugrundeliegenden Signalwege in der Angiotensin II (ATII)-induzierten vaskulären Inflammation, Dysfunktion und arteriellen Hypertonie untersucht. Wie bereits veröffentlichte Vordaten aus meiner Arbeitsgruppe zeigten, schützt die Depletion von Lysozym M (LysM)+ myelomonozytären Zellen (Diphteriatoxin-vermittelt in Mäusen, die transgen für den humanen Diphtheriatoxin-Rezeptor sind, LysMiDTR Mäuse) vor der ATII-induzierten vaskulären Dysfunktion und arterieller Hypertonie, und kann durch adoptiven Zelltransfer von Wildtyp Monozyten wiederhergestellt werden. In meiner Arbeit konnte ich zeigen, dass die Rekonstitution von Monozyten-depletierten LysMiDTR Mäusen mit Wildtyp Monozyten den Phänotyp der vaskulären Dysfunktion wiederherstellen kann, die Rekonstitution mit gp91phox-/y oder Agtr1-/- Monozyten jedoch nicht. Die Hypertonus-mediierenden Effekte dieser infiltrierenden Monozyten scheinen demnach von der intakten ATII und NADPH Oxidase Signalübertragung in diesen Zellen abhängig zu sein. Vermutlich ebenfalls für die Aktivierung der Monozyten funktionell wichtig sind IFN-gamma, produziert durch NK-Zellen, und der Transkriptionsfaktor T-bet (T-box expressed in T cells), exprimiert von NK-Zellen und Monozyten. IFN-gamma-/- Mäuse waren partiell geschützt vor der ATII-induzierten vaskulären Dysfunktion und charakterisiert durch reduzierte Level an Superoxid im Gefäß im Vergleich zu ATII-infundierten Wildtyp Mäusen. IFN-gamma-/- und T-bet defiziente Tbx21-/- Mäuse zeichneten sich ferner durch eine reduzierte ATII-mediierte Rekrutierung von NK1.1+ NK-Zellen, als ein Hautproduzent von IFN-gamma, sowie CD11b+GR-1low Interleukin-12 (IL-12) kompetenten Monozyten aus. Durch Depletions- und adoptive Transferexperimente konnte ich in dieser Arbeit NK-Zellen als essentielle Mitstreiter in der vaskulären Dysfunktion identifizieren und stellte fest, dass T-bet+LysM+ myelomonozytäre Zellen für die NK-Zellrekrutierung in die Gefäßwand und lokale IFN-gamma Produktion benötigt werden. Damit wurde erstmals NK-Zellen eine essentielle Rolle in der ATII-induzierten vaskulären Dysfunktion zugeschrieben. Außerdem wurde der T-bet-IFN-gamma Signalweg und die gegenseitige Monozyten-NK-Zellaktivierung als ein potentielles therapeutisches Ziel in kardiovaskulären Erkrankungen aufgedeckt. Des Weiteren identifizierte ich in meiner Arbeit MyD88 als ein zentrales Signalmolekül in der ATII-getriebenen Inflammation und vaskulären Gefäßschädigung. MyD88 Defizienz reduzierte den ATII-induzierten Anstieg des systolischen Blutdrucks und die endotheliale und glattmuskuläre vaskuläre Dysfunktion. Zusätzlich waren die vaskuläre Superoxid-Bildung sowie die Expressionslevel der NADPH Oxidase, der wichtigsten Quelle für oxidativem Stress im Gefäß, in ATII-infundierten MyD88-/- Mäusen im Vergleich zum Wildtyp reduziert. Mit Hilfe von durchflusszytometrischen Analysen deckte ich zudem auf, dass die ATII-induzierte Einwanderung von CD45+ Leukozyten, insbesondere CD11b+Ly6G-Ly6Chigh inflammatorischen Monozyten in MyD88-/- Mäusen signifikant abgeschwächt war. Diese Resultate wurden durch immunhistochemische Untersuchung von Aortengewebe auf CD68+, F4/80+ und Nox2+ Makrophagen/Phagozyten sowie Expressionsanalysen von Inflammationsmarkern untermauert. Analysen der mRNA Expression in Aortengewebe zeigten ferner eine in Wildtyp Mäusen nach ATII Infusion tendenziell gesteigerte Expression von inflammatorischen Monozytenmakern sowie eine abnehmende Expression von reparativen Monozytenmarken, während dieser Shift zu einem proinflammatorsichen Phänotyp in MyD88-/- blockiert zu sein schien. Dies zeigt eine Rolle von MyD88 in der terminalen Differenzierung von myelomonozytären Zellen an. Um dies weitergehend zu untersuchen und aufzudecken, ob die MyD88 Effekte abhängig sind von Zellen der hämatopoetischen Linie oder Gewebszellen, wurden Knochenmarktransferexperimente durchgeführt. MyD88 Defizienz in Knochenmark-abstammende Zellen reduzierte die ATII-induzierte vaskuläre Dysfunktion und Infiltration der Gefäßwand mit CD45+ Leukozyten und inflammatorischen myelomonozytären Zellen. Die protektiven Effekte der MyD88 Defizienz in der Angiotensin II-induzierten Inflammation konnten nicht auf Signalwege über die Toll-like Rezeptoren TLR2, -7 oder -9 zurückgeführt werden, wie die Untersuchung der vaskulären Reaktivität entsprechender Knockout Mäuse zeigte. Zusammenfassend konnte ich in meiner Arbeit zeigen, dass die Infiltration der Gefäßwand mit Nox2+AT1R+T-bet+MyD88+ myelomonozytären Zellen und die Wechselwirkung und gegenseitige Aktivierung dieser Zellen mit IFN-gamma produzierenden NK-Zellen eine zentrale Bedeutung in der Pathogenese der Angiotensin II (ATII)-induzierten vaskulären Dysfunktion, Inflammation und arteriellen Hypertonie einnehmen.

Molecular basis of Corynebacterium diphtheriae virulence and infection in the Caenorhabditis elegans model host

Corynebacterium diphtheriae is the causative agent of cutaneous and pharyngeal diphtheria in humans. While lethality is certainly caused by diphtheria toxin, corynebacterial colonization may primarily require proteinaceous fibers called pili, which mediate adherence to specific tissues. The type strain of C. diphtheriae possesses three distinct pilus structures, namely the SpaA, SpaD, and SpaH-type pili, which are encoded by three distinct pilus gene clusters. The pilus is assembled onto the bacterial peptidoglycan by a specific transpeptidase enzyme called sortase. Although the SpaA pili are shown to be specific for pharyngeal cells in vitro, little is known about functions of the three pili in bacterial pathogenesis. This is mainly due to lack of in vivo models of corynebacterial infection. As an alternative to mouse models as mice do not have functional receptors for diphtheria toxin, in this study I use Caenorhabditis elegans as a model host for C. diphtheriae. A simple C. elegans model would be beneficial in determining the specific role of each pilus-type and the literature suggests that C. elegans infection model can be used to study a variety of bacterial species giving insight into bacterial virulence and host-pathogen interactions. My study examines the hypothesis that pili and toxin are major virulent determinants of C. diphtheriae in the C. elegans model host.

Exposure to food allergens through inflamed skin promotes intestinal food allergy through the thymic stromal lymphopoietin-basophil axis.

BACKGROUND Exposure to food allergens through a disrupted skin barrier has been recognized as a potential factor in the increasing prevalence of food allergy. OBJECTIVE We sought to test the immunologic mechanisms by which epicutaneous sensitization to food allergens predisposes to intestinal food allergy. METHODS Mice were epicutaneously sensitized with ovalbumin or peanut on an atopic dermatitis-like skin lesion, followed by intragastric antigen challenge. Antigen-specific serum IgE levels and T(H)2 cytokine responses were measured by ELISA. Expression of type 2 cytokines and mast cell proteases in the intestine were measured by using real-time PCR. Accumulation of basophils in the skin and mast cells in the intestine was examined by using flow cytometry. In vivo basophil depletion was achieved by using diphtheria toxin treatment of Baso-DTR mice. For cell-transfer studies, the basophil population was expanded in vivo by means of hydrodynamic tail vein injection of thymic stromal lymphopoietin (TSLP) cDNA plasmid. RESULTS Sensitization to food allergens through an atopic dermatitis-like skin lesion is associated with an expansion of TSLP-elicited basophils in the skin that promote antigen-specific T(H)2 cytokine responses, increased antigen-specific serum IgE levels, and accumulation of mast cells in the intestine, promoting the development of intestinal food allergy. Critically, disruption of TSLP responses or depletion of basophils reduced the susceptibility to intestinal food allergy, whereas transfer of TSLP-elicited basophils into intact skin promoted disease. CONCLUSION Epicutaneous sensitization on a disrupted skin barrier is associated with accumulation of TSLP-elicited basophils, which are necessary and sufficient to promote antigen-induced intestinal food allergy.

Depletion of regulatory T cells augments a vaccine-induced T effector cell response against the liver-stage of malaria but fails to increase memory

Regulatory T cells (T(reg)) have been shown to restrict vaccine-induced T cell responses in different experimental models. In these studies CD4(+)CD25(+) T(reg) were depleted using monoclonal antibodies against CD25, which might also interfere with CD25 on non-regulatory T cell populations and would have no effect on Foxp3(+)CD25(-) T(reg). To obtain more insights in the specific function of T(reg) during vaccination we used mice that are transgenic for a bacterial artificial chromosome expressing a diphtheria toxin (DT) receptor-eGFP fusion protein under the control of the foxp3 gene locus (depletion of regulatory T cell mice; DEREG). As an experimental vaccine-carrier recombinant Bordetella adenylate cyclase toxoid fused with a MHC-class I-restricted epitope of the circumsporozoite protein (ACT-CSP) of Plasmodium berghei (Pb) was used. ACT-CSP was shown by us previously to introduce the CD8+ epitope of Pb-CSP into the MHC class I presentation pathway of professional antigen-presenting cells (APC). Using this system we demonstrate here that the number of CSP-specific T cells increases when T(reg) are depleted during prime but also during boost immunization. Importantly, despite this increase of T effector cells no difference in the number of antigen-specific memory cells was observed.

Attenuation of virulence in Mycobacterium tuberculosis expressing a constitutively active iron repressor

Iron is an essential nutrient for the survival of most organisms and has played a central role in the virulence of many infectious disease pathogens. Mycobacterial IdeR is an iron-dependent repressor that shows 80% identity in the functional domains with its corynebacterial homologue, DtxR (diphtheria toxin repressor). We have transformed Mycobacterium tuberculosis with a vector expressing an iron-independent, positive dominant, corynebacterial dtxR hyperrepressor, DtxR(E175K). Western blots of whole-cell lysates of M. tuberculosis expressing the dtxR(E175K) gene revealed the stable expression of the mutant protein in mycobacteria. BALB/c mice were infected by tail vein injection with 2 × 105 organisms of wild type or M. tuberculosis transformed with the dtxR mutant. At 16 weeks, there was a 1.2 log reduction in bacterial survivors in both spleen (P = 0.0002) and lungs (P = 0.006) with M. tuberculosis DtxR(E175K). A phenotypic difference in colonial morphology between the two strains also was noted. A computerized search of the M. tuberculosis genome for the palindromic consensus sequence to which DtxR and IdeR bind revealed six putative “iron boxes” within 200 bp of an ORF. Using a gel-shift assay we showed that purified DtxR binds to the operator region of five of these boxes. Attenuation of M. tuberculosis can be achieved by the insertion of a plasmid containing a constitutively active, iron-insensitive repressor, DtxR(E175K), which is a homologue of IdeR. Our results strongly suggest that IdeR controls genes essential for virulence in M. tuberculosis.

Genetic ablation of root cap cells in Arabidopsis

The root cap is increasingly appreciated as a complex and dynamic plant organ. Root caps sense and transmit environmental signals, synthesize and secrete small molecules and macromolecules, and in some species shed metabolically active cells. However, it is not known whether root caps are essential for normal shoot and root development. We report the identification of a root cap-specific promoter and describe its use to genetically ablate root caps by directing root cap-specific expression of a diphtheria toxin A-chain gene. Transgenic toxin-expressing plants are viable and have normal aerial parts but agravitropic roots, implying loss of root cap function. Several cell layers are missing from the transgenic root caps, and the remaining cells are abnormal. Although the radial organization of the roots is normal in toxin-expressing plants, the root tips have fewer cytoplasmically dense cells than do wild-type root tips, suggesting that root meristematic activity is lower in transgenic than in wild-type plants. The roots of transgenic plants have more lateral roots and these are, in turn, more highly branched than those of wild-type plants. Thus, root cap ablation alters root architecture both by inhibiting root meristematic activity and by stimulating lateral root initiation. These observations imply that the root caps contain essential components of the signaling system that determines root architecture.

Induction of minisatellite mutation in NIH 3T3 cells by treatment with the tumor promoter okadaic acid

Okadaic acid (OA) is a strong tumor promoter of mouse skin carcinogenesis and also a potent inhibitor of serine/threonine protein phosphatases. OA induces various genetic alterations in cultured cells, such as diphtheria-toxin-resistance mutations, sister chromatid exchange, exclusion of exogenous transforming oncogenes, and gene amplification. The present study revealed that it caused minisatellite mutation (MSM) at a high frequency in NIH 3T3 cells, although no microsatellite mutation was found. Nine of 31 clones (29%) exhibited MSM after 6 days of OA treatment, as opposed to only 1 of 30 clones (3%) without OA exposure. Moreover, NIH 3T3 cells treated with OA acquired tumorigenicity in nude mice, giving rise to 7 tumors within 25 weeks in 20 sites where 3 × 106 cells were injected. In contrast, the same numbers of untreated cells gave rise to only one tumor, and the tumor grew much slower. All of three OA-induced tumors examined manifested the MSM. The findings thus point to a molecular mechanism by which OA could function as a tumor promoter, and also the biological relevance of the induction of MSM in the tumorigenic process by OA.

Channel formation by antiapoptotic protein Bcl-2

Bcl-2 is the prototypical member of a large family of apoptosis-regulating proteins, consisting of blockers and promoters of cell death. The three-dimensional structure of a Bcl-2 homologue, Bcl-XL, suggests striking similarity to the pore-forming domains of diphtheria toxin and the bacterial colicins, prompting exploration of whether Bcl-2 is capable of forming pores in lipid membranes. Using chloride efflux from KCl-loaded unilamellar lipid vesicles as an assay, purified recombinant Bcl-2 protein exhibited pore-forming activity with properties similar to those of the bacterial toxins, diphtheria toxin, and colicins, i.e., dependence on low pH and acidic lipid membranes. In contrast, a mutant of Bcl-2 lacking the two core hydrophobic α-helices (helices 5 and 6), predicted to be required for membrane insertion and channel formation, produced only nonspecific effects. In planar lipid bilayers, where detection of single channels is possible, Bcl-2 formed discrete ion-conducting, cation-selective channels, whereas the Bcl-2 (Δh5, 6) mutant did not. The most frequent conductance observed (18 ± 2 pS in 0.5 M KCl at pH 7.4) is consistent with a four-helix bundle structure arising from Bcl-2 dimers. However, larger channel conductances (41 ± 2 pS and 90 ± 10 pS) also were detected with progressively lower occurrence, implying the step-wise formation of larger oligomers of Bcl-2 in membranes. These findings thus provide biophysical evidence that Bcl-2 forms channels in lipid membranes, suggesting a novel function for this antiapoptotic protein.

Regulation of the Actin Cytoskeleton by Thrombin in Human Endothelial Cells: Role of Rho Proteins in Endothelial Barrier Function

Endothelial barrier function is regulated at the cellular level by cytoskeletal-dependent anchoring and retracting forces. In the present study we have examined the signal transduction pathways underlying agonist-stimulated reorganization of the actin cytoskeleton in human umbilical vein endothelial cells. Receptor activation by thrombin, or the thrombin receptor (proteinase-activated receptor 1) agonist peptide, leads to an early increase in stress fiber formation followed by cortical actin accumulation and cell rounding. Selective inhibition of thrombin-stimulated signaling systems, including Gi/o (pertussis toxin sensitive), p42/p44, and p38 MAP kinase cascades, Src family kinases, PI-3 kinase, or S6 kinase pathways had no effect on the thrombin response. In contrast, staurosporine and KT5926, an inhibitor of myosin light chain kinase, effectively blocked thrombin-induced cell rounding and retraction. The contribution of Rho to these effects was analyzed by using bacterial toxins that either activate or inhibit the GTPase. Escherichia coli cytotoxic necrotizing factor 1, an activator of Rho, induced the appearance of dense actin cables across cells without perturbing monolayer integrity. Accordingly, lysophosphatidic acid, an activator of Rho-dependent stress fiber formation in fibroblasts, led to reorganization of polymerized actin into stress fibers but failed to induce cell rounding. Inhibition of Rho with Clostridium botulinum exoenzyme C3 fused to the B fragment of diphtheria toxin caused loss of stress fibers with only partial attenuation of thrombin-induced cell rounding. The implication of Rac and Cdc42 was analyzed in transient transfection experiments using either constitutively active (V12) or dominant-interfering (N17) mutants. Expression of RacV12 mimicked the effect of thrombin on cell rounding, and RacN17 blocked the response to thrombin, whereas Cdc42 mutants were without effect. These observations suggest that Rho is involved in the maintenance of endothelial barrier function and Rac participates in cytoskeletal remodeling by thrombin in human umbilical vein endothelial cells.

Highly efficient electro-gene therapy of solid tumor by using an expression plasmid for the herpes simplex virus thymidine kinase gene

We report successful electro-gene therapy (EGT) by using plasmid DNA for tumor-bearing mice. Subcutaneously inoculated CT26 tumor was subjected to EGT, which consists of intratumoral injection of a naked plasmid encoding a marker gene or a therapeutic gene, followed by in vivo electroporation (EP). When this treatment modality is carried out with the plasmid DNA for the green fluorescent protein gene, followed by in vivo EP with the optimized pulse parameters, numerous intensely bright green fluorescent signals appeared within the tumor. EGT, by using the “A” fragment of the diphtheria toxin gene significantly inhibited the growth of tumors, by about 30%, on the flank of mice. With the herpes simplex virus thymidine kinase gene, followed by systemic injection of ganciclovir, EGT was far more effective in retarding tumor growth, varying between 50% and 90%, compared with the other controls. Based on these results, it appears that EGT can be used successfully for treating murine solid tumors.

Delivery of a stringent dimerizer-regulated gene expression system in a single retroviral vector

Small molecule-regulated transcription has broad utility and would benefit from an easily delivered self-contained regulatory cassette capable of robust, tightly controlled target gene expression. We describe the delivery of a modified dimerizer-regulated gene expression system to cells on a single retrovirus. A transcription factor cassette responsive to the natural product dimerizer rapamycin was optimized for retroviral delivery by fusing a highly potent chimeric activation domain to the rapamycin-binding domain of FKBP-rapamycin-associated protein (FRAP). This improvement led to an increase in both the potency and maximal levels of gene expression induced by rapamycin, or nonimmunosuppressive rapamycin analogs. The modified transcription factor cassette was incorporated along with a target gene into a single rapamycin-responsive retrovirus. Cell pools stably transduced with the single virus system displayed negligible basal expression and gave induction ratios of at least three orders of magnitude in the presence of rapamycin or a nonimmunosuppressive rapamycin analog. Levels of induced gene expression were comparable to those obtained with the constitutive retroviral long terminal repeat and the single virus system performed well in four different mammalian cell lines. Regulation with the dimerizer-responsive retrovirus was tight enough to allow the generation of cell lines displaying inducible expression of the highly toxic diphtheria toxin A chain gene. The ability to deliver the tightly inducible rapamycin system in a single retrovirus should facilitate its use in the study of gene function in a broad range of cell types.

Crystal structure of the catalytic domain of Pseudomonas exotoxin A complexed with a nicotinamide adenine dinucleotide analog: implications for the activation process and for ADP ribosylation.

The catalytic, or third domain of Pseudomonas exotoxin A (PEIII) catalyzes the transfer of ADP ribose from nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) to elongation factor-2 in eukaryotic cells, inhibiting protein synthesis. We have determined the structure of PEIII crystallized in the presence of NAD to define the site of binding and mechanism of activation. However, NAD undergoes a slow hydrolysis and the crystal structure revealed only the hydrolysis products, AMP and nicotinamide, bound to the enzyme. To better define the site of NAD binding, we have now crystallized PEIII in the presence of a less hydrolyzable NAD analog, beta-methylene-thiazole-4-carboxamide adenine dinucleotide (beta-TAD), and refined the complex structure at 2.3 angstroms resolution. There are two independent molecules of PEIII in the crystal, and the conformations of beta-TAD show some differences in the two binding sites. The beta-TAD attached to molecule 2 appears to have been hydrolyzed between the pyrophosphate and the nicotinamide ribose. However molecule 1 binds to an intact beta-TAD and has no crystal packing contacts in the vicinity of the binding site, so that the observed conformation and interaction with the PEIII most likely resembles that of NAD bound to PEIII in solution. We have compared this complex with the catalytic domains of diphtheria toxin, heat labile enterotoxin, and pertussis toxin, all three of which it closely resembles.