Identification and characterization of periplasmic proteins implicated in the adaptation of Helicobacter pylori to the human gastric niche

Helicobacter pylori è un batterio Gram-negativo in grado di colonizzare la mucosa gastrica umana e persistere per l'intero arco della vita dell'ospite. E' associato a patologie gastrointestinali, quali gastrite cronica, ulcere gastriche e duodenali, adenocarcinomi e linfomi gastrici. Si tratta di uno dei patogeni più diffusi, presente in circa metà della popolazione mondiale, e il solo che si è adattato a vivere nell'ambiente ostile dello stomaco umano. Molteplici sono i fattori di virulenza che permettono al batterio la colonizzazione della nicchia gastrica e contribuiscono, anche attraverso l' induzione di una risposta infiammatoria, a profonde modificazioni dell' omeostasi gastrica. Queste ultime si associano, ad esempio, all'iperproduzione di fattori proinfiammatori, ad alterazioni sia della regolazione della secrezione acida gastrica sia del ciclo cellulare e della morte cellulare programmata (apoptosi) delle cellule epiteliali gastriche, a disordini nel metabolismo del ferro e a carenze di elementi essenziali. Studi sulla diversità genetica di H. pylori osservata in ceppi isolati da varie regioni del mondo, dimostrano che tale batterio ha avuto una coevoluzione col genere umano attraverso la storia, ed è verosimile che H. pylori sia stato un costituente del microbiota gastrico per almeno 50.000 anni. Scopo della tesi è stato quello di identificare e caratterizzare proteine importanti per la colonizzazione e l'adattamento di H. pylori alla nicchia gastrica. In particolare gli sforzi si sono concentrati su due proteine periplasmatiche, la prima coinvolta nella difesa antiossidante (l'enzima catalasi-like, HP0485), e la seconda nel trasporto di nutrienti presenti nell'ambiente dello stomaco all'interno della cellula (la componente solubile di un ABC transporter, HP0298). La strategia utilizzata prevede un'analisi bioinformatica preliminare, l'ottenimento del gene per amplificazione, mediante PCR, dal genoma dell'organismo, la costruzione di un vettore per il clonaggio, l'espressione eterologa in E. coli e la successiva purificazione. La proteina così ottenuta viene caratterizzata mediante diverse tecniche, quali spettroscopia UV, dicroismo circolare, gel filtrazione analitica, spettrometria di massa. Il capitolo 1 contiene un'introduzione generale sul batterio, il capitolo 2 e il capitolo 3 descrivono gli studi relativi alle due proteine e sono entrambi suddivisi in un abstract iniziale, un'introduzione, la presentazione dei risultati, la discussione di questi ultimi, i materiali e i metodi utilizzati. La catalasi-like (HP0485) è una proteina periplasmatica con struttura monomerica, appartenente ad una famiglia di enzimi a funzione per la maggior parte sconosciuta, ma evolutivamente correlati alla ben nota catalasi, attore fondamentale nella difesa di H. pylori, grazie alla sua azione specifica di rimozione dell'acqua ossigenata. HP0485, pur conservando il fold catalasico e il legame al cofattore eme, non può compiere la reazione di dismutazione dell'acqua ossigenata; possiede invece un'attività perossidasica ad ampio spettro, essendo in grado di accoppiare la riduzione del perossido di idrogeno all'ossidazione di diversi substrati. Come la catalasi, lavora ad alte concentrazioni di aqua ossigenata e non arriva a saturazione a concentrazioni molto elevate di questo substrato (200 mM); la velocità di reazione catalizzata rimane lineare anche a questi valori, aspetto che la differenzia dalle perossidasi che vengono in genere inattivate da concentrazioni di perossido di idrogeno superiori a 10-50 mM. Queste caratteristiche di versatilità e robustezza suggeriscono che la catalasi-like abbia un ruolo di scavenger dell'acqua ossigenata e probabilmente anche un'altra funzione connessa al suo secondo substrato, ossia l'ossidazione di composti nello spazio periplasmatico cellulare. Oltre alla caratterizzazione dell'attività è descritta anche la presenza di un ponte disolfuro, conservato nelle catalasi-like periplasmatiche, con un ruolo nell'assemblaggio dell'eme per ottenere un enzima attivo e funzionale. La proteina periplasmatica HP0298, componente di un sistema di trasporto ABC, è classificata come trasportatore di dipeptidi e appartiene a una famiglia di proteine in grado di legare diversi substrati, tra cui di- e oligopeptidi, nichel, eme, glutatione. Benchè tutte associate a trasportatori di membrana batterici, queste proteine presentano un dominio di legame al substrato che risulta essere conservato nei domini extracellulari di recettori specifici di mammifero e uomo. Un esempio sono i recettori ionotropici e metabotropici del sistema nervoso. Per caratterizzare questa proteina è stato messo a punto un protocollo di ligand-fishing accoppiato alla spettrometria di massa. La proteina purificata, avente un tag di istidine, è stata incubata con un estratto cellulare di H. pylori per poter interagire con il suo substrato specifico all'interno dell'ambiente naturale in cui avviene il legame. Il complesso proteina-ligando è stato poi purificato per cromatografia di affinità e analizzato mediante HPLC-MS. L'identificazione dei picchi differenziali tra campioni con la proteina e 5 campioni di controllo ha portato alla caratterizzazione di pentapeptidi particolarmente ricchi in aminoacidi idrofobici e con almeno un residuo carico negativamente. Considerando che H. pylori necessita di alcuni aminoacidi essenziali, per la maggior parte idrofobici, e che lo stomaco umano è particolarmente ricco di peptidi prodotti dalla digestione delle proteine introdotte con il cibo, il ruolo fisiologico di HP0298 potrebbe essere l'internalizzazione di peptidi, con caratteristiche specifiche di lunghezza e composizione, che sono naturalmente presenti nella nicchia gastrica.

Effects of cation substitutions on the physical properties of M2M1T2O6 pyroxenes

In this PhD study, the effects of the cation substitutions on the physical properties of pyroxenes have been discussed. The results of this work extend the knowledge on pyroxenes with different chemical compositions. These properties might be used in the development of ceramic pigments, advanced materials and for the mineralogical phase identification. First of all, the crystallographic differences between Ge and Si pyroxenes have been examined. The structure of C2/c Ca rich Ge clinopyroxenes is very close to the low pressure C2/c structural configuration found in Ca-rich Si-pyroxenes. The shear of the unit cell is very similar, and the difference between a Ge end member and the corresponding Si-rich one is less than 1°. Instead, a remarkable difference exists between Ca-poor Si and Ge clinopyroxenes. First, Ca-poor Ge pyroxenes do not display a P21/c symmetry, but retain the C2/c symmetry; second, the observed C2/c structure shows, at room pressure, the configuration with highly kinked tetrahedral chains characteristic of the high pressure C2/c symmetry of Si Ca-poor pyroxenes. In orthopyroxenes, with Pbca symmetry, Ge-pyroxenes have volume larger than Si-pyroxenes. Samples along the system CaCoGe2O6 - CoCoGe2O6 have been synthesized at three different temperatures: 1050 °C, 1200 °C and 1250 °C. The aim of these solid state syntheses was to obtain a solid solution at ambient pressure, since the analogues Si-system needs high pressure. Unfortunately, very limited solution occurs because the structure forms of the two end member (high temperature for CaCoGe2O6 and high pressure CoCoGe2O6) are incompatible. The phase diagram of this system has been sketched and compared to that of Si. The cobalt end member (CoCoGe2O6) is stable at ambient pressure in two symmetries: at 1050 °C C2/c and 1200 °C Pbca. The impurity phase formed during these experiments is cobalt spinel. Raman spectroscopy has been used to investigate the vibrational properties of Ca-pyroxenes CaCoGe2O6, CaMgGe2O6, CaMgSi2O6 and CaCoSi2O6. A comparison between silicate and germanate pyroxenes shows significant changes in peak positions of the corresponding modes caused mainly by the difference of the Ge-Si atomic weight along with the distortion and compression of the coordination polyhedra. Red shift in Raman spectra of germanates has been calculated by a rough scale factor calculated by a simple harmonic oscillator model, considering the different bond lengths for 4-coordinated Si ~ 1.60- 1.65 Å vs Ge–O distance ~1.70 - 1.80 Å. The Raman spectra of CaMgGe2O6 and CaCoGe2O6 have been classified, in analogy with silicate (Wang et al., 2001) counterparts, in different ranges: - R1 (880-640 cm-1): strong T-O stretching modes of Ge and non-bridging O1 and O2 atoms within the GeO4 tetrahedron; - R2 (640-480 cm-1): stretching/bending modes of Ge-Obr-Ge bonds (chain stretching and chain bending); - R4 (480-360 cm-1): O-Ge-O vibrations; - R3 (360-240 cm-1): motions of the cations in M2 and M1 sites correlated with tetrahedral chain motion and tilting tetrahedra; - R5 (below 240 cm-1): lattice modes. The largest shift with respect to CaMgSi2O6 - CaCoSi2O6 is shown by the T-O stretching and chain modes. High-pressure Raman spectroscopy (up to about 8 GPa) on the same samples of Ca-pyroxenes using an ETH-type diamond anvil cell shows no phase transition within the P-ranges investigated, as all the peak positions vary linearly as a function of pressure. Our data confirm previous experimental findings on Si-diopside (Chopelas and Serghiou, 2000). In the investigated samples, all the Raman peaks shift upon compression, but the major changes in wavenumber with pressure are attributed to the chain bending (Ge-Obr-Ge bonds) and tetrahedra stretching modes (Ge-Onbr). Upon compression, the kinking angle, the bond lengths and T-T distances between tetrahedra decrease and consequently the wavenumber of the bending chain mode and tetrahedra stretching mode increases. Ge-pyroxenes show the higher P-induced peak-position shifts, being more compressible than corresponding silicates. The vibrational properties of CaM2+Ge2O6 (M2+ =Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Zn) are reported for the first time. The wavenumber of Ge-Obr-Ge bending modes decreases linearly with increasing ionic radius of the M1 cation. No simple correlation has been found with M1 atomic mass or size or crystallographic parameters for the peak at ~850 cm-1 and in the low wavenumber regions. The magnetic properties of the system CaCoSi2O6 - CoCoSi2O6 have been investigated by magnetometry. The join is always characterized by 1 a.p.f.u. of cobalt in M1 site and this causes a pure collinear antiferromagnetic behaviour of the intra-chain superexchange interaction involving Co ions detected in all the measurements, while the magnetic order developed by the cobalt ions in M2 site (intra-chain) is affected by weak ferromagnetism, due to the non-collinearity of their antiferromagnetic interaction. In magnetically ordered systems, this non-collinearity effect promotes a spin canting of anti-parallel aligned magnetic moments and thus is a source of weak ferromagnetic behaviour in an antiferromagnetic. The weak ferromagnetism can be observed only for the samples with Co content higher than 0.5 a.p.f.u. in M2, when the concentration is sufficiently high to create a long range order along the M2 chain which is magnetically independent of M1 chain. The ferromagnetism was detected both in the M(T) at 10 Oe and M(H).