Structure determination of proteins and peptides in solution: simulation, chirality and NMR studies

The study of protein fold is a central problem in life science, leading in the last years to several attempts for improving our knowledge of the protein structures. In this thesis this challenging problem is tackled by means of molecular dynamics, chirality and NMR studies. In the last decades, many algorithms were designed for the protein secondary structure assignment, which reveals the local protein shape adopted by segments of amino acids. In this regard, the use of local chirality for the protein secondary structure assignment was demonstreted, trying to correlate as well the propensity of a given amino acid for a particular secondary structure. The protein fold can be studied also by Nuclear Magnetic Resonance (NMR) investigations, finding the average structure adopted from a protein. In this context, the effect of Residual Dipolar Couplings (RDCs) in the structure refinement was shown, revealing a strong improvement of structure resolution. A wide extent of this thesis is devoted to the study of avian prion protein. Prion protein is the main responsible of a vast class of neurodegenerative diseases, known as Bovine Spongiform Encephalopathy (BSE), present in mammals, but not in avian species and it is caused from the conversion of cellular prion protein to the pathogenic misfolded isoform, accumulating in the brain in form of amiloyd plaques. In particular, the N-terminal region, namely the initial part of the protein, is quite different between mammal and avian species but both of them contain multimeric sequences called Repeats, octameric in mammals and hexameric in avians. However, such repeat regions show differences in the contained amino acids, in particular only avian hexarepeats contain tyrosine residues. The chirality analysis of avian prion protein configurations obtained from molecular dynamics reveals a high stiffness of the avian protein, which tends to preserve its regular secondary structure. This is due to the presence of prolines, histidines and especially tyrosines, which form a hydrogen bond network in the hexarepeat region, only possible in the avian protein, and thus probably hampering the aggregation.

Sorveglianza dell'influenza aviare: studio di un sistema di rilevazione precoce della circolazione virale in popolazioni di volatili selvatici

The emergency of infection by highly pathogenic avian influenza virus (HPAI) subtype H5N1 has focused the attention of the world scientific community, requiring the prompt provision of effective control systems for early detection of the circulation of low pathogenic influenza H5 viruses (LPAI) in populations of wild birds to prevent outbreaks of highly pathogenic (HPAI) in populations of domestic birds with possible transmission to humans. The project stems from the aim to provide, through a preliminary analysis of data obtained from surveillance in Italy and Europe, a preliminary study about the virus detection rates and the development of mathematical models, an objective assessment of the effectiveness of avian influenza surveillance systems in wild bird populations, and to point out guidelines to support the planning process of the sampling activities. The results obtained from the statistical processing quantify the sampling effort in terms of time and sample size required, and simulating different epidemiological scenarios identify active surveillance as the most suitable for endemic LPAI infection monitoring in wild waterfowl, and passive surveillance as the only really effective tool in early detecting HPAI H5N1 circulation in wild populations. Given the lack of relevant information on H5N1 epidemiology, and the actual finantial and logistic constraints, an approach that makes use of statistical tools to evaluate and predict monitoring activities effectiveness proves to be of primary importance to direct decision-making and make the best use of available resources.

Chlamydia psittaci nel colombo di città: aspetti anatomo-patologici, sierologici e biomolecolari

Scopo del lavoro della presente tesi è stato quello di valutare la prevalenza di Chlamydiaceae, ed in particolare Chlamydia psittaci, in una popolazione aviare con caratteristiche sinantropiche quale il colombo di città (Columba livia var. domestica) dell’areale veneziano. Per evidenziare il patogeno sono state utilizzate metodiche sierologiche, d’isolamento e biomolecolari tradizionali. Contestualmente, mediante tecnologie molecolari innovative, quali microarray ed MLVA (Multilocus VNTR Assay) sono stati valutati i genotipi di C. psittaci e le eventuali altre specie di Chlamydia presenti in tale popolazione. Inoltre, si è proceduto ad una classificazione delle lesioni anatomo-patologiche ed ad una loro correlazione con la presenza del patogeno. I risultati dimostrano che la prevalenza di C. psittaci nella popolazione oggetto dello studio è del 10%. Durante tale studio è stata dimostrata la presenza di un ceppo di C. psittaci atipico, in quanto non classificabile con le attuali tecniche a disposizione. La genotipizzazione dei ceppi di C. psittaci conferma la presenza nel colombo di città del genotipo B, E ed E/B, che solitamente risultano essere coinvolti con minore frequenza in episodi di infezione umana. Inoltre sono stati dimostrati alcuni ceppi classificati come Chlamydia spp., in quanto le metodologie applicate e le conoscenze attuali non permettono ulteriori distinzioni, prospettando la possibilità di un nuovo ceppo. Infine, attraverso l’analisi dei dati raccolti durante la prima fase di campionamenti e successivamente confermati durante la seconda fase, siamo riusciti a strutturare un sistema di selezione, basato su caratteristiche funzionali ed anatomopatologiche, che permette di selezionare in sede necroscopica i colombi molto probabilmente infetti, permettendo conseguentemente una migliore organizzazione e gestione dei campioni di interesse contenendo nel contempo i costi ma mantenendo elevati gli standards diagnostici.

Paleontological studies of Cretaceous vertebrate fossil beds in the Tataouine Basin (southern Tunisia)

The ‘Continental Intercalaire’ deposits of the Tataouine basin of southern Tunisia preserve one of the most diverse Cretaceous vertebrate fauna from Africa. This research project focuses on a detailed revision of the stratigraphic distribution of mid-Cretaceous fossil beds in the Tataouine Basin and includes the description of four, newly discovered vertebrate tracksites. In the Tataouine region, macro- and microvertebrate remains are recovered from three stratigraphic intervals: the lower Douiret Formation (Barremian), the Chenini (rare) and Oum ed Diab members of the Aïn El Guettar Formation (Albian). A detailed, basin-scale revision of the stratigraphic occurrence of fossil-bearing strata indicates 1. lateral facies variability within the context of a low gradient, circalittoral to coastal-plain environment; 2. multiple and diachronous fossil beds which include elasmobranchs, actinopterygians, sarcopterygians, turtles, crocodyliforms, pterosaurs, and non-avian dinosaurs remains. Four vertebrate tracksites have been discovered in the study area: 1. the Middle Jurassic Beni Ghedir site which preserves approximately 130 tridactyl footprints distributed over an area of 200 square meters, representing the oldest evidence of a dinosaur fauna in Tunisia; 2. the late Albian Chenini tracksite, which includes poorly preserved crocodilian tracks and the dinosaur ichnospecies Apulosauripus federicianus; 3. the Cenomanian Ksar Ayaat locality, where footprints assigned to a pleurodiran turtle are exposed, and 4. the upper Cenomanian Jebel Boulouha site which presents almost 100 well-preserved tridactyl tracks referred to small-sized theropods, fossil bird tracks - ichnogenus Koreanaorins – and tracks referred to a mammalian trackmaker, representing the first report of fossil bird and mammal from the Cretaceous of continental Africa and Tunisia respectively. In addition, data collected from the Tunisian tracksites have been compared with coeval tracksites in Italy and Croatia, showing analogies in morphology and paleoenvironment of dinosaur ichnoassociations, supporting the already hypothesized subaerial connection between these areas during the mid-Cretaceous.

Caratterizzazione genomica di virus influenzali suini in Italia mediante next generation sequencing

I sottotipi H1N1, H1N2 e H3N2 di influenza A virus sono largamente diffusi nella popolazione suina di tutto il mondo. Nel presente lavoro è stato sviluppato un protocollo di sequenziamento di c.d. nuova generazione, su piattaforma Ion Torrent PGM, idoneo per l’analisi di tutti i virus influenzali suini (SIV). Per valutare l’evoluzione molecolare dei SIV italiani, sono stati sequenziati ed analizzati mediante analisi genomica e filogenetica un totale di sessantadue ceppi di SIV appartenenti ai sottotipi H1N1, H1N2 e H3N2, isolati in Italia dal 1998 al 2014. Sono stati evidenziati in sei campioni due fenomeni di riassortimento: tutti i SIV H1N2 esaminati presentavano una neuraminidasi di derivazione umana, diversa da quella dei SIV H1N2 circolanti in Europa, inoltre l’emoagglutinina (HA) di due isolati H1N2 era originata dal riassortimento con un SIV H1N1 avian-like. L’analisi molecolare dell’HA ha permesso di rivelare un’inserzione di due amminoacidi in quattro SIV H1N1 pandemici e una delezione di due aminoacidi in quattro SIV H1N2, entrambe a livello del sito di legame con il recettore cellulare. E’ stata inoltre evidenziata un’elevata omologia di un SIV H1N1 con ceppi europei isolati negli anni ’80, suggerendo la possibile origine vaccinale di questo virus. E’ stato possibile, in aggiunta, applicare il nuovo protocollo sviluppato per sequenziare un virus influenzale aviare altamente patogeno trasmesso all’uomo, direttamente da campione biologico. La diversità genetica nei SIV esaminati in questo studio conferma l’importanza di un continuo monitoraggio della costellazione genomica dei virus influenzali nella popolazione suina.