GM-CSF receptor targeted treatment of primary AML in SCID mice using Diphtheria toxin fused to huGM-CSF

The severe combined immunodeficient (SCID) mouse model may be used to evaluate new approaches for the treatment of acute myeloid leukemia (AML). We have previously demonstrated the killing of SCID mouse leukemia initiating cells by in vitro incubation with human GM-CSF fused to Diphtheria toxin (DT-huGM-CSF). In this report, we show that in vivo treatment with DT-huGM-CSF eliminates AML growth in SCID mice. Seven cases of AML were studied. SCID mice were treated intraperitoneally with the maximally tolerated dose of 75 microg/kg/day for 7 days. Antileukemic efficacy was determined at days 40 and 80 after transplantation, by enumerating the percentages of human cells in SCID bone marrow using flow cytometry and short tandem repeat polymerase chain reaction (STR-PCR) analysis. Four out of seven AML cases were sensitive to in vivo treatment with DT-huGM-CSF at both evaluation time points. In three of these cases, elimination of human cells was demonstrated by flow cytometry and STR-PCR. One AML case showed moderate sensitivity for DT-huGM-CSF, and growth of the two remaining AML cases was not influenced by DT-huGM-CSF. Sensitivity was correlated with GM-CSFR expression. Our data show that DT-huGM-CSF can be used in vivo to reduce growth of AML and warrant further development of DT-huGM-CSF for the treatment of human AML.

Effect of electroporation-mediated diphtheria toxin A expression on PSA positive human prostate xenograft tumors in SCID mice

Current therapies to treat prostate cancer are often limited. Since it has been shown that very low concentrations of diphtheria toxin A (DT-A) result in abrogation of protein synthesis and apoptosis of cells, DT-A might serve as an efficient killer in cancer gene therapy. For this purpose we investigated in a quantitative manner using a stereological approach the apoptotic effect of DT-A in androgen receptor (AR) and prostate specific antigen (PSA) expressing cells after tumor formation in both flanks of SCID mice.

Isolation and characterization of iron-independent positive dominant mutants of the diphtheria toxin repressor DtxR

It is well known that the functional activity of the diphtheria toxin repressor DtxR is controlled by iron, which serves as an essential cofactor necessary for activation of target DNA binding by this regulatory element. In this communication, we describe the isolation and characterization of a unique series of DtxR mutants that are constitutively active and repress the expression of β-galactosidase from a diphtheria tox promoter/operator–lacZ transcriptional fusion, even in the absence of iron. These self-activating mutants of DtxR (SAD) were isolated through the use of a positive selection system for the cloning of functional dtxR alleles and target DNA operator sites. Of the four independently isolated SAD mutants that were characterized, two (SAD2 and SAD11) were found to carry a single missense mutation (E175K) in their respective C-terminal SH3-like domains. In contrast, the mutant allele encoding SAD3 was found to carry a total of six missense mutations distributed throughout the N- and C-terminal domains of the repressor. Partial diploid analysis of strains carrying both native dtxR and alleles encoding either SAD2 or SAD3 demonstrate that these iron-independent mutants possess a positive dominant phenotype in the regulation of β-galactosidase expression from a diphtheria tox promoter/operator–lacZ transcriptional fusion.

Regulated expression of the diphtheria toxin A chain by a tumor-specific chimeric transcription factor results in selective toxicity for alveolar rhabdomyosarcoma cells

Alveolar rhabdomyosarcoma (ARMS) cells often harbor one of two unique chromosomal translocations, either t(2;13)(q35;q14) or t(1;13)(p36;q14). The chimeric proteins expressed from these rearrangements, PAX3-FKHR and PAX7-FKHR, respectively, are potent transcriptional activators. In an effort to exploit these unique cancer-specific molecules to achieve ARMS-specific expression of therapeutic genes, we have studied the expression of a minimal promoter linked to six copies of a PAX3 DNA binding site, prs-9. In transient transfections, expression of the prs-9-regulated reporter genes was ≈250-fold higher than expression of genes lacking the prs-9 sequences in cell lines derived from ARMS, but remained at or below baseline levels in other cells. High expression of these prs-9-regulated genes was also observed in a cancer cell line that lacks t(2;13) but was stably transfected with a plasmid expressing PAX3-FKHR. Transfection of a plasmid containing the diphtheria toxin A chain gene regulated by prs-9 sequences (pA3–6PED) was selectively cytotoxic for PAX3-FKHR-expressing cells. This was shown by inhibition of gene expression from cotransfected plasmids and by direct cytotoxicity after transfected cells were isolated by cell sorting. Gene transfer of pA3–6PED may thus be useful as a cancer-specific treatment strategy for t(2;13)- or t(1;13)-positive ARMS. Furthermore, gene transfer of fusion protein-regulated toxin genes might also be applied to the treatment of other cancers that harbor cancer-specific chromosomal translocations involving transcription factors.

Solution structure and peptide binding studies of the C-terminal Src homology 3-like domain of the diphtheria toxin repressor protein

The diphtheria toxin repressor (DtxR) is the best-characterized member of a family of homologous proteins that regulate iron uptake and virulence gene expression in the Gram-positive bacteria. DtxR contains two domains that are separated by a short, unstructured linker. The N-terminal domain is structurally well-defined and is responsible for Fe2+ binding, dimerization, and DNA binding. The C-terminal domain adopts a fold similar to eukaryotic Src homology 3 domains, but the functional role of the C-terminal domain in repressor activity is unknown. The solution structure of the C-terminal domain, consisting of residues N130-L226 plus a 13-residue N-terminal extension, has been determined by using NMR spectroscopy. Residues before A147 are highly mobile and adopt a random coil conformation, but residues A147-L226 form a single structured domain consisting of five β-strands and three helices arranged into a partially orthogonal, two-sheet β-barrel, similar to the structure observed in the crystalline Co2+ complex of full-length DtxR. Chemical shift perturbation studies demonstrate that a proline-rich peptide corresponding to residues R125-G139 of intact DtxR binds to the C-terminal domain in a pocket formed by residues in β-strands 2, 3, and 5, and helix 3. Binding of the proline-rich peptide by the C-terminal domain of DtxR presents an example of peptide binding by a prokaryotic Src homology 3-like protein. The results of this study, combined with previous x-ray studies of intact DtxR, provide insights into a possible biological function of the C-terminal domain in regulating repressor activity.

Fused polycationic peptide mediates delivery of diphtheria toxin A chain to the cytosol in the presence of anthrax protective antigen.

The lethal factor (LF) and edema factor (EF) of anthrax toxin bind by means of their amino-terminal domains to protective antigen (PA) on the surface of toxin-sensitive cells and are translocated to the cytosol, where they act on intracellular targets. Genetically fusing the amino-terminal domain of LF (LFN; residues 1-255) to certain heterologous proteins has been shown to potentiate these proteins for PA-dependent delivery to the cytosol. We report here that short tracts of lysine, arginine, or histidine residues can also potentiate a protein for such PA-dependent delivery. Fusion of these polycationic tracts to the amino terminus of the enzymic A chain of diphtheria toxin (DTA; residues 1-193) enabled it to be translocated to the cytosol by PA and inhibit protein synthesis. The efficiency of translocation was dependent on tract length: (LFN > Lys8 > Lys6 > Lys3). Lys6 was approximately 100-fold more active than Arg6 or His6, whereas Glu6 and (SerSerGly)2 were inactive. Arg6DTA was partially degraded in cell culture, which may explain its low activity relative to that of Lys6DTA. The polycationic tracts may bind to anionic sites at the cell surface (possibly on PA), allowing the fusion proteins to be coendocytosed with PA and delivered to the endosome, where translocation to the cytosol occurs. Excess free LFN blocked the action of LFNDTA, but not of Lys6DTA. This implies that binding to the LF/EF site is not an obligatory step in translocation and suggests that the polycationic tag binds to a different site. Besides elucidating the process of translocation in anthrax toxin, these findings may aid in developing systems to deliver heterologous proteins and peptides to the cytoplasm of mammalian cells.

Genetic construction and properties of a diphtheria toxin-related substance P fusion protein: in vitro destruction of cells bearing substance P receptors.

We have genetically replaced the native receptor binding domain of diphtheria toxin with an extended form of substance P (SP): SP-glycine (SP-Gly). The resulting fusion protein, DAB389SP-Gly, is composed of the catalytic and transmembrane domains of diphtheria toxin genetically coupled to SP-Gly. Because native SP requires a C-terminal amide moiety to bind with high affinity to the SP receptor, the precursor form of the fusion toxin, DAB389SP-Gly, was converted to DAB389SP by treatment with peptidylglycine-alpha-amidating monooxygenase. We demonstrate that following conversion, DAB389SP is selectively cytotoxic for cell lines that express either the rat or the human SP receptor. We also demonstrate that the cytotoxic action of DAB389SP is mediated via the SP receptor and dependent upon passage through an acidic compartment. To our knowledge, this is the first reported use of a neuropeptide as the targeting ligand for a fusion toxin; and the first instance in which an inactive precursor form of a fusion toxin is converted to the active form by a posttranslational modification.

Transgenic mice carrying the diphtheria toxin A chain gene under the control of the granzyme A promoter: expected depletion of cytotoxic cells and unexpected depletion of CD8 T cells.

We have generated transgenic mice bearing the diphtheria toxin A chain (DTA) gene under the control of granzyme A (GrA) promoter sequences (GrA-DTA). GrA is expressed in activated cytotoxic cells but not in their immediate progenitors. These GrA-DTA mice are deficient in cytotoxic functions, indicating that most cytotoxic cells express GrA in vivo. Surprisingly, one founder strain containing a multicopy GrA-DTA insert show a marked and selective deficiency in CD8+ cells in peripheral lymphoid organs. This depletion was not observed in thymus, where the distribution of CD4+ and CD8+ cells is normal. Moreover, the emigration of T cells from thymus is normal, indicating that the depletion occurs in the periphery. GrA-DTA mice should be useful as models to dissect the role of cytotoxic cells in immune responses and as recipients of normal and neoplastic hematopoietic cells. The selective depletion of CD8+ cells in one founder strain could have implications for postthymic T-cell development.

Structures of the apo- and the metal ion-activated forms of the diphtheria tox repressor from Corynebacterium diphtheriae.

The diphtheria tox repressor (DtxR) of Corynebacterium diphtheriae plays a critical role in the regulation of diphtheria toxin expression and the control of other iron-sensitive genes. The crystal structures of apo-DtxR and of the metal ion-activated form of the repressor have been solved and used to identify motifs involved in DNA and metal ion binding. Residues involved in binding of the activated repressor to the diphtheria tox operator, glutamine 43, arginine 47, and arginine 50, were located and confirmed by site-directed mutagenesis. Previous biochemical and genetic data can be explained in terms of these structures. Conformational differences between apo- and Ni-DtxR are discussed with regard to the mechanism of action of this repressor.

Transition metal ion activation of DNA binding by the diphtheria tox repressor requires the formation of stable homodimers.

The diphtheria tox repressor (DtxR) is a transition metal ion-dependent regulatory element that controls the expression of diphtheria toxin and several genes involved in the synthesis of siderophores in Corynebacterium diphtheriae. In the presence of transition metal ions apo-DtxR becomes activated and specifically binds to its target DNA sequences. We demonstrate by glutaraldehyde cross-linking that monomeric apo-DtxR is in weak equilibrium with a dimeric form and that upon addition of activating metal ions to the reaction mixture a dimeric complex is stabilized. Addition of the DNA-binding-defective mutant apo-DtxR(delta 1-47) to apo-DtxR in the absence of transition metal ions inhibits conversion of the apo-repressor to its activated DNA-binding form. We also show that the binding of Ni2+ to both apo-DtxR and apo-DtxR(delta 1-47) is cooperative and that upon ion binding there is a conformational change in the environment of the indole ring moiety of Trp-104. For the wild-type repressor the consequences of this conformational change include a shift in equilibrium toward dimer formation and activation of target DNA binding by the repressor. We conclude that the formation of DtxR homodimers is mediated through a protein-protein interaction domain that is also activated on metal ion binding.

An egg apparatus-specific enhancer of Arabidopsis, identified by enhancer detection

Despite a central role in angiosperm reproduction, few gametophyte-specific genes and promoters have been isolated, particularly for the inaccessible female gametophyte (embryo sac). Using the Ds-based enhancer-detector line ET253, we have cloned an egg apparatus-specific enhancer (EASE) from Arabidopsis (Arabidopsis thaliana). The genomic region flanking the Ds insertion site was further analyzed by examining its capability to control gusA and GFP reporter gene expression in the embryo sac in a transgenic context. Through analysis of a 5' and 3' deletion series in transgenic Arabidopsis, the sequence responsible for egg apparatus-specific expression was delineated to 77 bp. Our data showed that this enhancer is unique in the Arabidopsis genome, is conserved among different accessions, and shows an unusual pattern of sequence variation. This EASE works independently of position and orientation in Arabidopsis but is probably not associated with any nearby gene, suggesting either that it acts over a large distance or that a cryptic element was detected. Embryo-specific ablation in Arabidopsis was achieved by transactivation of a diphtheria toxin gene under the control of the EASE. The potential application of the EASE element and similar control elements as part of an open-source biotechnology toolkit for apomixis is discussed.

Resposta adaptativa e efeitos das substâncias oxidantes - K2TeO3, H2O2 e paraquate - na produção de biofilme de amostras de Corynebacterium diphtheriae isolados de origens diversas

A difteria é uma doença imunoprevinível que permanece endêmica em diversas regiões do mundo. Além dos casos de difteria clássica, doenças invasivas como endocardite, osteomielite, pneumonia e infecções relacionadas à cateter, tem acometido indivíduos adultos parcialmente imunizados. A natureza multifatorial dos fatores de virulência que favorecem a formação de biofilme e sobrevivência em macrófagos tem sido evidenciada para o Corynebacterium diphtheriae. Entretanto, escassos são os trabalhos que investigaram a influência de condições ambientais na virulência do patógeno. Uma vez que agentes oxidantes são capazes de gerar radicais livres e levar ao estresse oxidativo que, consequentemente, podem resultar em resposta adaptativa e influenciar na formação do biofilme e na virulência bacteriana, o presente trabalho teve como objetivo geral avaliar os efeitos do peróxido de hidrogênio (H2O2), paraquate e telurito de potássio (K2TeO3) em propriedades biológicas de cepas de C. diphtheriae de origens diversas. Os resultados demonstraram que as amostras de C. diphtheriae apresentaram níveis de resistência ao K2TeO3, H2O2 e paraquate, porém em intensidades variadas e independentes da capacidade de produção da toxina diftérica. Algumas amostras, toxinogênicas ou não, isoladas do trato respiratório superior demonstraram resposta adaptativa para H2O2 passando, portanto, a expressar resistência aumentada após uma prévia exposição ao referido agente oxidante. C. diphtheriae não exibiu respostas adaptativas para o K2TeO3 e paraquate. C. diphtheriae foi capaz de produzir biofilme na superfície de substratos abióticos de natureza hidrofílica (vidro) e hidrofóbica (poliestireno) na presença de agentes oxidantes K2TeO3, H2O2 e paraquate. A presença dos agentes oxidantes influenciou na formação de biofilme de algumas amostras. O paraquate inibiu a produção de biofilme de todas amostras. A amostra TR241 teve a produçao de biofilme inibida na presença dos três agentes oxidantes analisados. Por outro lado, a presença de H2O2 e do K2TeO3 estimulou a produção de biofilme de algumas amostras. Para todas as amostras de C. diphtheriae testadas, independentes das origens, biotipos e da capacidade de produção de toxina diftérica, os ensaios moleculares indicaram a presença de sequências gênicas cromossômicas homólogas, codificadores da proteína DIP 0906 (TeR) e da proteína DIP 1421 (OxyR), envolvidos na resistência ao telurito e na proteção contra o estresse oxidativo, respectivamente. Não foi observada correlação da suscetibilidade e a resposta adaptativa aos agentes oxidantes com as diferentes características bacterianas: origem, sítio de isolamento, produção de toxina diftérica, metabolização de sacarose e produção de biofilme. Em conclusão, o estresse oxidativo foi capaz de influenciar fatores de virulência do C. diphtheriae, como a capacidade de produçao de biofilme, que podem estar contribuindo para a patogenia da difteria clássica assim como de doenças invasivas causadas por cepas atoxinogênicas.

Construção, clonagem e expressão do fragmento B da toxina diftérica de Corynebacterium diphtheriae (cepa PW- 8) em Mycobacterium bovis BCG sub-cepa Moreau

A vacina anti-diftérica de uso corrente no Brasil (DTP), embora de alta eficácia na prevenção da difteria, está associada com episódios de toxicidade e reatogenicidade no recipiente vacinal, resultantes de proteínas residuais derivadas do processo de produção ou detoxificação. Estratégias para o desenvolvimento de vacinas menos reatogênicas e ao mesmo tempo mais eficazes e economicamente viáveis contra a difteria têm sido alvo de intensa investigação. A alternativa proposta por nosso grupo é a utilização da vacina contra a tuberculose (Mycobacterium bovis BCG sub-cepa Moreau), como vetor do gene que codifica o fragmento B da toxina diftérica (dtb) de 58,3 kDa. Neste trabalho o dtb foi clonado no vetor micobacteriano bifuncional (pUS977) de expressão citoplasmática e os clones recombinantes (pUS977dtbPW8), após a transformação do BCG, foram testados com relação a expressão do DTB em BCG e quanto a antigenicidade frente a anticorpos policlonais anti-toxóide diftérico por Immunobloting. A integridade do gene dtb e a identidade das sequências de DNA da construção plasmidial pUS977dtbPW8 foram confirmadas por sequenciamento de DNA e análise de similaridade. A imunogenicidade do BCGr pUS977dtbPW8 expressando o DTB foi investigada em camundongos BALB/c, os resultados obtidos revelaram uma soroconversão específica (IgG). A infectividade e atividade microbicida do BCGr pUS977dtbPW8 no ambiente intracelular foi avaliada através da infecção de linhagens de células de monócitos humano (THP-1), os dados obtidos indicaram que houve sobrevivência intracelular em até 12 dias. Nesse contexto, esplenócitos dos camundongos imunizados com 30 e 60 dias foram extraídos, mostrando que o BCGr pUS977dtbPW8 persistiu até 60 dias na ausência de pressão seletiva e a viabilidade celular não sofreu alteração significativa durante o período testado. Por outro lado, o BCGr pUS977dtbPW8, quando submetido a seis sub-cultivos consecutivos in vitro não apresentou diferença significativa na capacidade de expressar o DTB, demonstrando portanto a persistência da estabilidade funcional da linhagem recombinante. A estabilidade estrutural da construção pUS977dtbPW8 também foi avaliada por PCR confirmando a presença do gene dtb em colônias do BCGr pUS977dtbPW8 . Adicionalmente, foi possível avaliar preliminarmente in vitro a capacidade soroneutralizante dos soros de camundongos imunizados com BCGr pUS977dtbPW8 após 30 e 60 dias em células VERO. A ação citotóxica da toxina diftérica entre as diluições de 1/4 e 1/16 foram neutralizadas com o pool de soros imunes com 60 dias. Finalmente, em nosso estudo foi possível avaliar o potencial da vacina BCG como vetor de expressão de um antígeno de Corynebacterium diphtheriae in vitro e in vivo.

Diversidade de respostas de Corynebacterium diphtheriae frente a agentes oxidantes: resistência, adaptação e envolvimento do determinante de resistência ao telurito (TeR) e do sistema OxyR na virulência bacteriana

Corynebacterium diphtheriae é um importante patógeno humano e agente causal da difteria. Embora seja observada uma redução mundial no número de casos da doença, a difteria permanece endêmica em muitos países e surtos são esporadicamente notificados. No Brasil, o último surto ocorreu no estado no Maranhão e revelou mudanças em aspectos clínico-epidemiológicos da doença. Diferentemente da maioria das cepas de difteria brasileiras, que pertencem ao biovar mitis, nesse surto dois diferentes pulsotipos de C. diphtheriae biovar intermedius foram isolados. Além disso, sinais patognomônicos da doença não foram relatados em parte dos casos. C. diphtheriae também vem sendo relacionado com quadros de infecções invasivas, apesar de ser reconhecido como patógeno tipicamente extracelular. Em conjunto, estas mudanças no perfil das infecções por C. diphtheriae sugerem a existência de outros fatores de virulência além da produção da toxina diftérica. Neste sentindo, foram realizadas análises de tipagem molecular e de genômica comparativa para avaliar a diversidade genética e o potencial de virulência de cepas de C. diphtheriae isoladas de difteria clássica e infecções invasivas. Os resultados obtidos demonstram a circulação de diferentes clones invasores no Brasil. Além disso, revelaram diferenças marcantes na presença e na composição de ilhas de patogenicidade entre as amostras, bem como nos genes sob regulação do DtxR e nas sequências dos corinefagos integradas ao cromossomo bacteriano. Uma vez que o potencial invasor bacteriano e a persistência no ambiente podem estar relacionados à tolerância ao estresse oxidativo, foram procurados nos genomas sequenciados, genes possivelmente envolvidos neste processo. Dentre estes, os genes DIP0906, predito como gene de resistência ao oxidante telurito (TeO32-), e DIP1421, codificador do regulador transcricional OxyR, foram caracterizados funcionalmente e tiveram seus papéis na patogenicidade investigados. Ensaios in vivo utilizando o nematódeo Caenorhabditis elegans demonstraram que ambos são importantes para a virulência de C. diphtheriae. Além da resistência ao TeO32, DIP0906 parece contribuir para a resistência ao peróxido de hidrogênio (H2O2) e para a viabilidade no interior de células respiratórias humanas. Já OxyR, além de controlar negativamente a resposta ao H2O2, parece estar envolvido com a ligação de C. diphtheriae a proteínas plasmáticas e de matriz extracelular. Adicionalmente, foi investigada resistência e a capacidade de adaptação de C. diphtheriae frente a agentes oxidantes, através da indução de resposta adaptativa e/ou resistência cruzada e da formação de biofilme. As cepas de C. diphtheriae apresentaram diferentes níveis de resistência e um comportamento heterogêneo na presença dos agentes oxidantes, o que sugere a existência de diferentes estratégias de sobrevivência e adaptação de C. diphtheriae nas condições de estresse oxidativo.

Estudo das características fenotípicas e genotípicas de amostras de Corynebacterium pseudotuberculosis

Uma vez que C. pseudotuberculosis é o agente etiológico de processos infecciosos em animais caprinos e ovinos e que também pode ser isolado de processos infecciosos em seres humanos as investigações direcionadas para a espécie em questão são necessárias, visto que a escassez de dados epidemiológicos e de conhecimento relativo ao comportamento do microrganismo em hospedeiros animais e humanos em nosso país dificulta o diagnóstico laboratorial da espécie, à semelhança do observado com outra espécie de transmissão zoonótica, o C. ulcerans. Uma preocupação adicional é o fato da espécie em questão também ser capaz de albergar bacteriófagos codificadores da toxina diftérica, representando uma ameaça à circulação dos bacteriófagos. Assim, o presente estudo tem como objetivo geral analisar as características fenotípicas e genotípicas de amostras de C. pseudotuberculosis. Neste sentido, foram propostos os seguintes objetivos: Avaliar as características bioquímicas das amostras através de testes bioquímicos convencionais; avaliar as características bioquímicas das amostras utilizando o sistema semi-automatizado API Coryne; diferenciar amostras de C. pseudotuberculosis de C. ulcerans utilizando a técnica de PCR multiplex; pesquisar a presença de gene tox. Os resultados demonstraram que amostras de C. diphtheriae, C. ulcerans e C. pseudotuberculosis podem ser caracterizadas por métodos bioquímicos convencionais e por taxonomia numérica (API Coryne System). C. ulcerans e C. pseudotuberculosis, com potencial de circulação zoonótica, da mesma forma que C. diphtheriae são capazes de albergar o gene da toxina diftérica. A reação m-PCR foi capaz de discernir as amostras de C. diphtheriae, C. ulcerans e C. pseudotuberculosis e ainda definir o potencial das amostras em produzir a toxina diftérica. Os dados enfatizam a necessidade da técnica multiplex PCR para o diagnostico e para o controle de espécies associadas a quadros de difteria em populações humana.