Neisseria meningitidis and Neisseria gonorrhoeae are differently adapted in the regulation of denitrification: single nucleotide polymorphisms that enable species-specific tuning of the aerobic–anaerobic switch

The closely related pathogenic Neisseria species N. meningitidis and N. gonorrhoeae are able to respire in the absence of oxygen, using nitrite as an alternative electron acceptor. aniA (copper-containing nitrite reductase) is tightly regulated by four transcriptional regulators: FNR (fumarate and nitrate reductase), NarP, FUR (Ferric uptake regulator) and NsrR. The four regulators control expression of aniA in N. meningitidis by binding to specific and distinct regions of the promoter. We show in the present study that FUR and NarP are both required for the induction of expression of aniA in N. meningitidis, and that they bind adjacent to one another in a non-co-operative manner. Activation via FUR/NarP is dependent on their topological arrangement relative to the RNA polymerase-binding site. Analysis of the sequence of the aniA promoters from multiple N. meningitidis and N. gonorrhoeae strains indicates that there are species-specific single nucleotide polymorphisms, in regions predicted to be important for regulator binding. These sequence differences alter both the in vitro DNA binding and the promoter activation in intact cells by key activators FNR (oxygen sensor) and NarP (which is activated by nitrite in N. meningitidis). The weak relative binding of FNR to the N. gonorrhoeae aniA promoter (compared to N. meningitidis) is compensated for by a higher affinity of the gonococcal aniA promoter for NarP. Despite containing nearly identical genes for catalysing and regulating denitrification, variations in the promoter for the aniA gene appear to have been selected to enable the two pathogens to tune differentially their responses to environmental variables during the aerobic–anaerobic switch.

Bacterial membrane vesicles deliver peptidoglycan to NOD1 in epithelial cells

Gram-negative bacterial peptidoglycan is specifically recognized by the host intracellular sensor NOD1, resulting in the generation of innate immune responses. Although epithelial cells are normally refractory to external stimulation with peptidoglycan, these cells have been shown to respond in a NOD1-dependent manner to Gram-negative pathogens that can either invade or secrete factors into host cells. In the present work, we report that Gram-negative bacteria can deliver peptidoglycan to cytosolic NOD1 in host cells via a novel mechanism involving outer membrane vesicles (OMVs). We purified OMVs from the Gram-negative mucosal pathogens: Helicobacter pylori, Pseudomonas aeruginosa and Neisseria gonorrhoea and demonstrated that these peptidoglycan containing OMVs upregulated NF-κB and NOD1-dependent responses in vitro. These OMVs entered epithelial cells through lipid rafts thereby inducing NOD1-dependent responses in vitro. Moreover, OMVs delivered intragastrically to mice-induced innate and adaptive immune responses via a NOD1-dependent but TLR-independent mechanism. Collectively, our findings identify OMVs as a generalized mechanism whereby Gram-negative bacteria deliver peptidoglycan to cytosolic NOD1. We propose that OMVs released by bacteria in vivo may promote inflammation and pathology in infected hosts.

Analysis of the genetic differences between Neisseria meningitidis and Neisseria gonorrhoeae: two closely related bacteria expressing two different pathogenicities.

We have investigated genetic differences between the closely related pathogenic Neisseria species, Neisseria meningitidis and Neisseria gonorrhoeae, as a novel approach to the elucidation of the genetic basis for their different pathogenicities. N. meningitidis is a major cause of cerebrospinal meningitis, whereas N. gonorrhoeae is the agent of gonorrhoea. The technique of representational difference analysis was adapted to the search for genes present in the meningococcus but absent from the gonococcus. The libraries achieved are comprehensive and specific in that they contain sequences corresponding to the presently identified meningococcus-specific genes (capsule, frp, rotamase, and opc) but lack genes more or less homologous between the two species, e.g., ppk and pilC1. Of 35 randomly chosen clones specific to N. meningitidis, DNA sequence analysis has confirmed that the large majority have no homology with published neisserial sequences. Mapping of the cloned DNA fragments onto the chromosome of N. meningitidis strain Z2491 has revealed a nonrandom distribution of meningococcus-specific sequences. Most of the genetic differences between the meningococcus and gonococcus appear to be clustered in three distinct regions, one of which (region 1) contains the capsule-related genes. Region 3 was found only in strains of serogroup A, whereas region 2 is present in a variety of meningococci belonging to different serogroups. At a time when bacterial genomes are being sequenced, we believe that this technique is a powerful tool for a rapid and directed analysis of the genetic basis of inter- or intraspecific phenotypic variations.

Lipid-modified azurin of Neisseria meningitidis is a copper protein localized on the outer membrane surface and not regulated by FNR

The laz gene of Neisseria meningitidis is predicted to encode a lipid-modified azurin (Laz). Laz is very similar to azurin, a periplasmic protein, which belongs to the copper-containing proteins in the cupredoxin superfamily. In other bacteria, azurin is an electron donor to nitrite reductase, an important enzyme in the denitrifying process. It is not known whether Laz could function as an electron transfer protein in this important pathogen. Laz protein was heterologously expressed in Escherichia coli and purified. Electrospray mass spectrometry indicated that the Laz protein contains one copper ion. Laz was shown to be redox-active in the presence of its redox center copper ion. When oxidized, Laz exhibits an intense blue colour and absorbs visible light around 626 nm. The absorption is lost when exposed to diethyldithiocarbamate, a copper chelating agent. Polyclonal antibodies were raised against purified Laz for detecting expression of Laz under different growth conditions and to determine the orientation of Laz on the outer membrane. The expression of Laz under microaerobic and microaerobic denitrifying conditions was slightly higher than that under aerobic conditions. However, the expression of Laz was similar between the wild type strain and an fnr mutant, suggesting that Fumarate/Nitrate reduction regulator (FNR) does not regulate the expression of Laz despite the presence of a partial FNR box upstream of the laz gene. We propose that some Laz protein is exposed on the outer membrane surface of N. meningitidis as the αLaz antibodies can increase killing by complement in a capsule deficient N. meningitidis strain, in a dose-dependent fashion.

The C-terminal domain is sufficient for endonuclease activity of Neisseria gonorrhoeae MutL

The mutL gene of Neisseria gonorrhoeae has been cloned and the gene product purified. We have found that the homodimeric N. gonorrhoeae MutL (NgoL) protein displays an endonuclease activity that incises covalently closed circular DNA in the presence of Mn2+, Mg2+ or Ca2+ ions, unlike human MutL alpha which shows endonuclease activity only in the presence of Mn2+. We report in the present paper that the C-terminal domain of N. gonorrhoeae MutL (NgoL-CTD) consisting of amino acids 460-658 exhibits Mn2+-dependent endonuclease activity. Sedimentation velocity, sedimentation equilibrium and dynamic light scattering experiments show NgoL-CTD to be a dimer. The probable endonucleolytic active site is localized to a metal-binding motif, DMHAX(2)EX(4)E, and the nicking endonuclease activity is dependent on the integrity of this motif. By in vitro comparison of wild-type and it mutant NgoL-CTD protein, we show that the latter protein exhibits highly reduced endonuclease activity. We therefore suggest that the mode of excision initiation in DNA mismatch repair may be different in organisms that lack MutH protein, but have MutL proteins that harbour the D[M/Q]HAX(2)EX(4)E motif.

The C-Terminal Domain of the MutL Homolog from Neisseria gonorrhoeae Forms an Inverted Homodimer

The mismatch repair (MMR) pathway serves to maintain the integrity of the genome by removing mispaired bases from the newly synthesized strand. In E. coli, MutS, MutL and MutH coordinate to discriminate the daughter strand through a mechanism involving lack of methylation on the new strand. This facilitates the creation of a nick by MutH in the daughter strand to initiate mismatch repair. Many bacteria and eukaryotes, including humans, do not possess a homolog of MutH. Although the exact strategy for strand discrimination in these organisms is yet to be ascertained, the required nicking endonuclease activity is resident in the C-terminal domain of MutL. This activity is dependent on the integrity of a conserved metal binding motif. Unlike their eukaryotic counterparts, MutL in bacteria like Neisseria exist in the form of a homodimer. Even though this homodimer would possess two active sites, it still acts a nicking endonuclease. Here, we present the crystal structure of the C-terminal domain (CTD) of the MutL homolog of Neisseria gonorrhoeae (NgoL) determined to a resolution of 2.4 A. The structure shows that the metal binding motif exists in a helical configuration and that four of the six conserved motifs in the MutL family, including the metal binding site, localize together to form a composite active site. NgoL-CTD exists in the form of an elongated inverted homodimer stabilized by a hydrophobic interface rich in leucines. The inverted arrangement places the two composite active sites in each subunit on opposite lateral sides of the homodimer. Such an arrangement raises the possibility that one of the active sites is occluded due to interaction of NgoL with other protein factors involved in MMR. The presentation of only one active site to substrate DNA will ensure that nicking of only one strand occurs to prevent inadvertent and deleterious double stranded cleavage.

Specificity of the ModA11, ModA12 and ModD1 epigenetic regulator N-6-adenine DNA methyltransferases of Neisseria meningitidis

Phase variation (random ON/OFF switching) of gene expression is a common feature of host-adapted pathogenic bacteria. Phase variably expressed N-6-adenine DNA methyltransferases (Mod) alter global methylation patterns resulting in changes in gene expression. These systems constitute phase variable regulons called phasevarions. Neisseria meningitidis phasevarions regulate genes including virulence factors and vaccine candidates, and alter phenotypes including antibiotic resistance. The target site recognized by these Type III N-6-adenine DNA methyltransferases is not known. Single molecule, real-time (SMRT) methylome analysis was used to identify the recognition site for three key N. meningitidis methyltransferases: ModA11 (exemplified by M.NmeMC58I) (5'-CGY(m6)AG-3'), ModA12 (exemplified by M.Nme77I, M.Nme18I and M.Nme579II) (5'-AC(m6)ACC-3') and ModD1 (exemplified by M.Nme579I) (5'-CC(m6)AGC-3'). Restriction inhibition assays and mutagenesis confirmed the SMRT methylome analysis. The ModA11 site is complex and atypical and is dependent on the type of pyrimidine at the central position, in combination with the bases flanking the core recognition sequence 5'-CGY(m6)AG-3'. The observed efficiency of methylation in the modA11 strain (MC58) genome ranged from 4.6% at 5'-GCGC(m6)AGG-3' sites, to 100% at 5'-ACGT(m6)AGG-3' sites. Analysis of the distribution of modified sites in the respective genomes shows many cases of association with intergenic regions of genes with altered expression due to phasevarion switching.

Desenvolvimento e manutenção de memória imunológica após imunização contra Neisseria meningitidis B com a vacina VA-MENGOC-BC

Neisseria meningitidis é uma das principais causas de meningite bacteriana e septicemia em todo o mundo, acometendo principalmente crianças menores de 4 anos. Atualmente, não existe uma vacina universal contra o meningococo B (MenB). A imunidade protetora contra o meningococo caracteriza-se pela presença e persistência de anticorpos bactericidas, porém pouco se sabe sobre os mecanismos de desenvolvimento desta memória sorológica. Avaliamos em modelo animal e em humanos, a geração e manutenção das células secretoras de anticorpos (ASC) e dos linfócitos B de memória (LBm) após vacinação contra MenB. Utilizamos como referência a vacina diftérica (dT ou DTP), considerada ter ótima eficácia em humanos. Para o estudo em modelo animal, grupos de 6 a 8 camundongos suíços, fêmeas, de 5 a 6 semanas, foram imunizados com 3 doses da vacina VA-MENGOC-BC ou DTP, via intramuscular, com intervalo de 2 semanas entre as doses. Aproximadamente 2, 4 ou 6 meses após a última dose, os animais receberam a dose reforço. A vacina anti-MenB induziu uma resposta primária de ASC maior que a resposta à dose reforço. Ao contrário, a resposta de ASC à vacina dT foi maior após o booster. A resposta de LBm anti-MenB permaneceu constante (média de 1%) ao longo de todo o estudo, mas a resposta ao toxóide diftérico (TD) foi maior após o booster (média de 1,9%) que após a imunização primária. A concentração de IgG, anticorpos bactericidas e opsonizantes contra MenB foi dose-dependente e foi reativada após a administração das doses reforços. Esses resultados sugerem que os LBm presentes no baço foram responsáveis pela forte resposta de anticorpos observada após a dose reforço. Para o TD, ambos ASC e LBm foram importantes na manutenção da memória sorológica. Para o estudo em humanos, seis voluntários foram imunizados com 3 doses da vacina VA-MENGOC-BC, via intramuscular, com intervalo de 6 a 7 semanas entre as doses. Seis meses após a imunização primária, os indivíduos receberam uma dose reforço. Outro grupo de voluntários (n = 5) foi imunizado com uma dose reforço da vacina dT. Somente após a terceira dose da vacina anti-MenB foi possível detectar a presença de LBm em todos os indivíduos. Seis meses após a imunização primária, a frequência de LBm voltou ao seu nível basal e não foi reativada após a dose booster. A vacina dT também induziu uma resposta de LBm heterogênea, mas esta foi 5 vezes maior que a induzida por VA-MENGOC-BC. A resposta de anticorpos funcionais anti-MenB foi de curta duração com pequena reativação após a dose reforço. As duas vacinas induziram diferentes frequências de LT de memória central (TCM) e de memória efetora (TEM) após a vacinação primária e após o booster. A resposta à dose booster foi caracterizada pelo aumento da população de linfócitos TCM e diminuição de TEM. A população de linfócitos TCM apresentou maior ativação (CD69+) que os linfócitos TEM, especialmente após a vacinação contra MenB. Concluindo, os dados desta tese indicam que a administração de 3 doses da vacina VA-MENGOC-BC teve uma eficiência limitada em humanos e sugerem que a baixa eficácia da vacina, quando utilizada na década de 90 em São Paulo e no Rio de Janeiro, pode estar relacionada à deficiência na geração e manutenção de LBm específicos.

Avaliação da resposta imunológica após vacinação ou infecção por Neisseria meningitidis

A doença meningocócica (DM) é, ainda hoje, um sério problema de saúde pública, estando associada a elevadas taxas de morbidade e letalidade no mundo. A DM evoca proteção imunológica persistente contra a doença em pessoas com sistema imunológico normal. Em contraste, a proteção induzida por vacinas meningocócicas sempre requer a administração de doses reforço (booster) da vacina. No Brasil, Neisseria meningitidis dos sorogrupos C (MenC) e B (MenB) são as principais causas de DM durante os últimos anos. Atualmente, não existe uma vacina universal contra o meningococo B (MenB). A infecção pelo vírus da imunodeficiência humana (HIV) tem sido apontada como um fator de risco para a mortalidade da DM. Um dos pilares do tratamento do HIV é a utilização de vacinas para doenças imuno-preveníveis. A vacina conjugada anti-MenC é frequentemente recomendada para crianças e adolescentes infectados pelo HIV no Brasil e em muitos outros países. Poucos estudos têm abordado os mecanismos pelos quais as vacinas meningocócicas geram e sustentam a memória imunológica. Os objetivos deste estudo foram: 1) avaliar a resposta de anticorpos bactericidas e de linfócito T (LT) CD4 de memória contra o meningococo após a infecção; 2) avaliar a resposta de anticorpos bactericidas e de LT CD4 de memória e linfócito B de memória (LBm) contra o meningococo após o booster da vacina cubana VA-MENGOC-BC em voluntários imunizados há aproximadamente 17 anos; 3) investigar a resposta de anticorpos funcionais (bactericidas e opsonizantes) após imunização com a vacina conjugada anti-MenC (CRM197) em indivíduos infectados pelo vírus HIV. Após a infecção, 83% dos pacientes diagnosticados como tendo DM pelo teste de látex e/ou cultura tiveram títulos de anticorpos bactericidas protetores, mas não houve uma associação entre os títulos de anticorpos bactericidas e a concentração de imunoglobulina total específica. Houve aumento na frequência de linfócitos T de memória central (TCM) (mediana de 15%) ativados, principalmente após estímulo com a cepa MenC. Nos voluntários pré-vacinados, 3 de 5 indivíduos soroconverteram 7 ou 14 dias após a administração da dose booster. Houve um aumento importante da população TCM 14 dias após o booster, mas sem ativação celular diferenciada dos grupos controles. Observamos resposta positiva de LBm na maioria dos voluntários, mas sem correlação com os anticorpos bactericidas. Em relação aos pacientes HIV positivos, os resultados mostraram a necessidade de uma segunda dose da vacina, já que apenas 15% soroconverteram a uma única dose e a segunda dose resultou em soroconversão de cerca de 55% dos indivíduos. Observamos correlação positiva (r= 0,43) e significativa (P= 0,0007) entre os anticorpos opsonizantes e bactericidas após a vacinação. Não observamos diferenças significativas quando relacionamos os títulos de anticorpos bactericidas com o número absoluto de LT CD4 P= 0,051) e LT CD4 nadir (P= 0,09) entre os pacientes que soroconverteram (n= 43) ou não soroconverteram (n= 106) após a primeira dose. Desta forma, os resultados desta tese indicaram que: 1) os pacientes convalescentes da DM adquirem anticorpos bactericidas após infecção por N. meningitidis; 2) nos voluntários vacinados, a dose booster da vacina anti-MenB não foi plenamente eficaz em ativar a memória imunológica através da produção de anticorpos bactericidas ou ativação de LTm; 3) os pacientes HIV positivos necessitam de uma dose booster da vacina conjugada anti-MenC.

Subpopulações e ativação de linfócitos T CD4+ e T CD8+ em crianças e adolescentes HIV positivos vacinados contra Neisseria meningitidis C

Neisseria meningitidis sorogrupo C (MenC) tem sido causador de surtos no Brasil, desde 2005. Vacinas conjugadas contra MenC estão disponíveis desde 1999 nos países desenvolvidos e mais recentemente no Brasil. São vacinas eficazes em pacientes imunologicamente normais, mas pouco se conhece sobre o impacto em pacientes HIV+. O objetivo principal deste estudo foi investigar se há alguma correlação entre a resposta de LT CD4+ de memória e a resposta de anticorpos específicos para o MenC, assim como conhecer as populações de memória dos LT CD8+, em crianças e adolescentes infectados pelo HIV respondedores ou não à vacina MenC conjugada. Amostras de sangue de 36 pacientes HIV+ foram coletadas antes e após imunização, para análises laboratoriais, soros e células coletadas foram congelados e enviados ao nosso laboratório para a análise da resposta imune humoral e celular. Utilizamos o ensaio bactericida para avaliar a resposta humoral e dividir a população de estudo em soroconversor positivo e soroconversor negativo. A citometria de fluxo foi aplicada para identificação das seis subpopulações de LT CD4+ e T CD8+ e avaliação do perfil de ativação. Não encontramos mudanças no perfil de distribuição das subpopulações antes e após a vacinação. A subpopulação LT CD4+ Int correlacionou positivamente com os títulos de anticorpos e a ativação, de um modo geral, estava elevada nos respondedores, conferindo certa importância para essa célula. Semelhanças foram observadas entre as subpopulações LT CD4+ e T CD8+. Em suma, este estudo revelou importantes associações entre a resposta de anticorpos bactericidas após a vacinação, o perfil de distribuição das subpopulações de LT CD4+ LT CD8+ e seu status de ativação.

Development and clinical validation of a loop-mediated isothermal amplification (LAMP) method for the rapid detection of Neisseria meningitidis

Loop-mediated isothermal amplification (LAMP) is an innovative technique that allows the rapid detection of target nucleic acid sequences under isothermal conditions without the need for complex instrumentation. The development, optimization, and clinical validation of a LAMP assay targeting the ctrA gene for the rapid detection of capsular Neisseria meningitidis were described. Highly specific detection of capsular N. meningitidis type strains and clinical isolates was demonstrated, with no cross-reactivity with other Neisseria spp. or with a comprehensive panel of other common human pathogens. The lower limit of detection was 6 ctrA gene copies detectable in 48 min, with positive reactions readily identifiable visually via a simple color change. Higher copy numbers could be detected in as little as 16 min. When applied to a total of 394 clinical specimens, the LAMP assay in comparison to a conventional TaqMan® based real-time polymerase chain reaction system demonstrated a sensitivity of 100% and a specificity of 98.9% with a ? coefficient of 0.942. The LAMP method represents a rapid, sensitive, and highly specific technique for the detection of N. meningitidis and has the potential to be used as a point-of-care molecular test and in resource-poor settings.