The C-4-Dicarboxylate carriers DcuB and DctA of Escherichia coli: function as cosensors and topology

Das fakultativ anaerobe Enterobakterium Escherichia coli nutzt C4-Dicarboxylate sowohl unter aeroben als auch anaeroben Bedingungen als Kohlenstoff- und Energiequelle. Die Aufnahme der C4-Dicarboxylaten und die Energiekonservierung mittels Fumaratatmung wird durch das Zweikomponentensystem DcuSR reguliert. Die Sensorhistidinkinase DcuS und der nachgeschaltete Responseregulator DcuR aktivieren bei Verfügbarkeit von C4-Dicarboxylaten die Expression der Gene für den Succinat Transporter DctA, den anaeroben Fumarat/Succinat Antiporter DcuB, die Fumarase B sowie die Fumaratreduktase FrdABCD. Die Transportproteine DctA und DcuB wiederum regulieren die Expression der DcuSR-abhängigen Gene negativ. Fehlen von DctA oder DcuB resultiert bereits ohne Effektor in einer maximalen Expression von dctA bzw. dcuB. Durch gerichtete und ungerichtete Mutagenese wurde gezeigt, dass die Transportfunktion des Carriers DcuB unabhängig von seiner regulatorischen Funktion ist. DcuB kann daher als Cosensor des DcuSR Systems angesehen werden.rnUnter Verwendung von Reportergenfusionen von C-terminal verkürzten Konstrukten von DcuB mit der Alkalischen Phosphatase und der β-Galactosidase wurde die Topologie des Multitransmembranproteins DcuB bestimmt. Zusätzlich wurde die Zugänglichkeit bestimmter Aminosäurereste durch chemische Modifikation mit membran-durchlässigen und membran-undurchlässigen Thiolreagenzien untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse deuten auf die Existenz eines tief in die Membran reichenden, hydrophilen Kanal hin, welcher zum Periplasma hin geöffnet ist. Mit Hilfe der Topologie-Studien, des Hydropathie-Blots und der Sekundärstruktur-Vorhersage wurde ein Modell des Carriers erstellt. DcuB besitzt kurze, periplasmatisch liegende Proteinenden, die durch 12 Transmembranhelices und zwei große hydrophile Schleifen jeweils zwischen TM VII/VIII und TM XI/XII verbunden sind. Die regulatorisch relevanten Reste K353, T396 und D398 befinden sich innerhalb von TM XI sowie auf der angrenzenden cytoplasmatischen Schleife XI-XII. Unter Berücksichtigung der strukturellen und funktionellen Aspekte wurde ein Regulationsmodell erstellt, welches die gemeinsam durch DcuB und DcuS kontrollierte C4-Dicarboxylat-abhängige Genexpression darstellt. rnDer Effekt von DctA und DcuSR auf die Expression einer dctA´-´lacZ Reportergenfusion und auf die aerobe C4-Dicarboxylat-Aufnahme wurde untersucht. In-vivo FRET-Messungen weisen auf eine direkte Wechselwirkung zwischen dem Carrier DctA und dem Sensor DcuS hin. Dieses Ergebnis stützt die Theorie der Regulation von DcuS durch C4-Dicarboxylate und durch die Cosensoren DctA bzw. DcuB mittels direkter Protein-Protein Interaktion.rn

The oxygen sensors FNR from Escherichia coli and NreABC from Staphylococcus carnosus

Im Laufe der Evolution entwickelte sich eine Reihe von Sauerstoff-Sensorsystemen in Bakterien, um die Genexpression der Sauerstoffverfügbarkeit anzupassen. Der Sauerstoffsensor FNR aus Escherichia coli bindet unter anaeroben Bedingungen ein [4Fe4S]2+ Zentrum. Unter Sauerstoffeinfluß zerfällt aktives [4Fe4S]2+FNR zu inaktivem [2Fe2S]2+FNR und weiter zu ebenfalls inaktivem apoFNR. In der vorliegenden Arbeit wurde der Zustand von FNR in vivo in aeroben und anaeroben Zellen von Escherichia coli aufgeklärt. Durch Alkylierung der Cysteine in FNR und anschließender Analyse im Massenspektrometer konnte gezeigt werden, das FNR in aeroben Zellen hauptsächlich in der apo-Form vorliegt. Nach ca. 6 Minuten war in lebenden E. coli Zellen die Umwandlung von [4Fe4S]2+ FNR zu apoFNR abgeschlossen.rnrnIn dem gram positiven Bakterium Staphylococcus carnosus aktiviert das NreBC System unter anaeroben Wachstumsbedingungen die Gene der Nitratatmung. NreB ist eine cytoplasmatische Sensorhistidinkinase, die ein sauerstofflabiles [4Fe4S]2+ Zentrum über eine PAS-Domäne bindet. Das [4Fe4S]2+ Zentrum wird von vier Cysteinen gebunden. Der Responsregulator NreC steuert nach Aktivierung durch NreB die Transkription der Zielgene. In der vorliegenden Arbeit wurde NreB mit Hilfe von Cysteinmarkierungen in vivo charakterisiert. Durch die Änderung der Cystein-Zugänglichkeit für Thiolreagenzien nach Sauerstoffzugabe konnte eine Halbwertszeit von ca. 3 Minuten für das [4Fe4S]2+ Zentrum in vivo bestimmt werden. In anaeroben Bakterien stellt [4Fe4S]2+NreB die Hauptform von NreB dar, während in aeroben Bakterien hauptsächlich apoNreB vorkommt. Dieses Ergebnis konnte durch Massenspektroskopie bestätigt werden. Weiterhin konnte gezeigt werden das NreA mit NreB und NreC wechselwirkt und Bestandteil des NreABC Drei-Komponentensystems ist. rn

Funktion der C 4-Dicarboxylat-Transporter DctA und DcuB als Co-Sensoren von DcuS in Escherichia coli

Escherichia coli kann C4-Dicarboxylate sowohl unter aeroben als auch unter anaeroben Bedingungen zur Energiekonservierung nutzen. Die Synthese der beteiligten Transporter und Enzyme wird auf der Transkriptionsebene durch das Zweikomponentensystem DcuSR reguliert. DcuS ist der Sensor für C4-Dicarboxylate. Der Antwortregulator DcuR wird von DcuS aktiviert und induziert die Expression des C4-Dicarboxylat-Transporters DctA unter aeroben Verhältnissen. Anaerob verstärkt DcuSR die Expression des Fumarat/Succinat-Antiporters DcuB, der Fumarase B und der Fumaratreduktase FrdABCD. DctA und DcuB agieren als Co-Sensoren von DcuS und üben einen negativen Effekt auf die Genexpression von dctA bzw. dcuB aus.rnIn dieser Arbeit wurde die Funktion von DctA und DcuB als Co-Sensoren von DcuS untersucht. Sowohl für DcuB als auch für DctA wurde eine direkte Protein-Protein-Interaktion mit DcuS über ein bakterielles Two-Hybrid System nachgewiesen. DcuS bildete ein Transporter-Sensor-Cluster mit DctA und DcuB. C-terminale Verkürzung und die Mutagenese einzelner Aminosäuren der C-terminalen Helix 8b von DctA führten zu einem Verlust der Interaktion mit DcuS. Mit dieser Interaktion gingen sowohl die regulatorische Funktion als auch die Transportfunktion der Punktmutante DctA-L414A verloren. Ein Verlust der Interaktion wurde ebenfalls zwischen einer konstitutiv aktiven DcuS-Mutante und wildtypischem DctA beobachtet. Ebenso zeigte sich eine partielle Reduktion der Interaktion von DcuS mit DctA, wenn DcuS nach der zweiten Transmembranhelix verkürzt wurde. Die Interaktion zwischen DcuS und DctA wurde durch den Effektor Fumarat modifiziert, ging aber nicht komplett verloren.rnDctA konnte in verschiedenen Plasmidsystemen überproduziert werden und bildete Homotrimere. Die Topologie von DctA wurde mit experimentellen und in silico Methoden aufgeklärt. DctA ähnelt der Struktur und Topologie des Aminosäuretransporters Glt aus Pyrococcus horikoshii. DctA besitzt acht Transmembranhelices mit einem cytosolischen N- und C-Terminus sowie zwei Haarnadelschleifen. Die Substratbindung findet höchstwahrscheinlich in den Haarnadelschleifen statt und der Transport erfolgt nach dem „alternating access“ Modell.rnAußerdem wurde die Funktion des Transporters YfcC untersucht. Das Gen yfcC wurde mit Schlüsselgenen des Acetatstoffwechsels co-transkribiert. In yfcC-Deletionsstämmen zeigte sich ein stammspezifischer Defekt bei Wachstum mit Acetat und Transport von Acetat.

Bioverkapselung lebender Bakterien (Escherichia coli) mit Poly-(Silicat) nach Transformation mit dem Silicatein-alpha-Gen

Die Bioverkapselung ist eine faszinierende Methode, um biologische Materialien einschließlich Zellen in Siliziumdioxid, Metalloxiden oder hybriden Sol-Gel-Polymeren zu immobilisieren. Bisher wurde nur die Sol-Gel-Vorläufertechnologie genutzt, um Bakterien- oder Hefezellen in Siliziumdioxid zu immobilisieren. Hierfür wurden verschiedene Reagenzien als wässrige Vorläufer getestet, um poly(Silicate) auf Biomolekülen (Bhatia et al., 2000) oder Zellen (Liu und Chen 1999; Coradin und Livage, 2007) zu bilden. Einer der erfolgreichsten bisherigen Methoden verwendet eine Mischung aus Silicaten und kolloidalem Silica. Diese initialen Vorläufer werden durch die Zugabe von Salzsäure neutralisiert, was die Gelbildung fortschreiten lässt und die Verkapselung von Bakterien in einem Silica-Netzwerk zur Folge hat (Nassif et al., 2003). Mit der Entdeckung von Silicatein, einem Enzym, das aus Demospongien isoliert wurde und die Bildung von poly(Silicat) katalysiert, wurde es möglich, poly(Silicat) unter physiologischen Bedingungen zu synthetisieren. Silicatein wurde rekombinant in E. coli hergestellt und ist in der Lage, bei Raumtemperatur, neutralem pH-Wert und in wässrigen Puffersystemen aus Siliziumalkoxiden poly(Silicat) zu bilden (Krasko et al., 2000; Müller et al., 2007b; Zhou et al., 1999). In vivo katalysiert Silicatein die Synthese der Silicathülle der Schwamm-Spiculae (Skelettelemente; Müller et al., 2005b; Müller et al., 2007a; Müller et al., 2007b; Schröder et al., 2007a). Dieses Biosilica wurde in Form von Silica-Nanospheren mit Durchmessern zwischen 100 nm und 250 nm organisiert vorgefunden (Pisera 2003; Tahir et al., 2005). Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Escherichia coli erfolgreich mit dem Silicatein-Gen transformiert werden kann. Das Level der Proteinexpression kann in Anwesenheit von Isopropyl-β-D-thiogalaktopyranosid (IPTG) effizient erhöht werden, indem man die Bakterienzellen gleichzeitig mit Kieselsäure inkubiert. Dieser Effekt konnte sowohl auf Ebene der Synthese des rekombinanten Proteins durch Western Blot als auch durch Immunfluoreszenzmikroskopie nachgewiesen werden. Das heterolog produzierte Silicatein besitzt enzymatische Aktivität und kann die Polymerisation von Kieselsäure katalysieren. Dies konnte sowohl durch Färbung mit Rhodamin123, als auch durch Reaktion der nicht polymerisierten, freien Kieselsäure mit dem ß-Silicomolybdato-Farbsystem (Silicomolybdänblau) nachgewiesen werden. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten, dass nur die silicateinexprimierenden Bakterien während des Wachstums in Anwesenheit von Kieselsäure eine viskose Hülle um Zelle herum bilden. Ebenfalls konnte gezeigt werden, dass Silicatein-α aus Suberites domuncula nach Transformation in E. coli an die Zelloberfläche dieser Zellen transportiert wurde und dort seine enzymatische Funktion beibehielt. Die Silicathülle wurde mittels Raster-Elektronenmikroskopie (REM) analysiert. Die Bakterien, die Silicatein exprimierten und poly(Silicat) an ihrer Oberfläche synthetisierten, zeigten die gleichen Wachstumsraten wie die Bakterien, die das Gen nicht enthielten. Schlussfolgernd lässt sich sagen, dass die silicateinvermittelte Verkapselung von Bakterien mit poly(Silicat) die Bandbreite der Anwendung von Bakterien für die Produktion von rekombinanten Proteinen verbessern, erweitern und optimieren könnte.

Charakterisierung und Expression zweier multimerer Hämolympheproteine der Schnecke Biomphalaria glabrata

Die tropische Süsswasserschnecke Biomphalaria glabrata gehört zu der Familie der Planorbidae, welche als einziges Taxon der Gastropoden Hämoglobin als Sauerstofftransportprotein verwenden. Als Zwischenwirt des Bilharzioseerregers Schistosoma mansoni ist B. glabrata von tropenmedizinischer Interesse. Das extrazelluläre BgHb zeigt sich mit einem Anteil von 95% als Hauptprotein in der Hämolymphe. Dieses setzt sich aus Polypeptidketten mit je 240kDa zusammen. Diese wiederrum lassen sich in 13-Häm-Domänen und eine deutlich kleinere N-terminalen nicht Häm-Domäne untergliedern. Die Sequenzierung von zwei der drei Untereinheiten des BgHb (BgHb1, BgHb2) ermöglichte die rekombinante Expression ganzer Untereinheiten in Insektenzellen, und die Expression einiger BgHb2-Konstrukte in E. coli Zellen. Im Rahmen meiner Arbeit gelang es, BgHb1 in biologisch aktiver Form in Insektenzellen zu exprimieren. Das aus dem Überstand der Insektenzellen aufgereinigte rekombinante BgHb1 zeigte eine immunologische Identität mit nativen BgHb. Strukturelle Analysen belegten zudem die Assemblierung des rekombinanten BgHb1 zu einer dem nativen Protein gleichenden Quartärstruktur. Demnach konnte in meiner Arbeit der Nachweis erbracht werden, dass eine einzelne Isoform in der Lage ist, zur Quartärstruktur zu assemblieren. Zusätzlich ergaben Sauerstoffbindungsanalysen, dass das rekombinante BgHb1 reversibel Sauerstoff binden kann.rnIn den restlichen 5% der B. glabrata Hämolymphe zeigt sich ein rudimentäres Hämocyanin, welches für den Sauerstofftransport keine Rolle zu spielen scheint, und ein rosettenförmiges Protein, das es aufzuklären galt. Durch massenspektrometrische Analysen erhaltene Peptidfragmente zeigten eine hohe Sequenzähnlichkeit zu den löslichen Acetylcholin -Bindeproteinen anderer Mollusken. Diese AChBP zeigen eine hohe Sequenzähnlichkeit zur Ligandenbindedomäne von Rezeptoren der Cys-Loop-Proteinfamilie.rnDatenbankrecherchen deckten die Existenz zweier Isoformen auf

Signaltransduktion in der membranständigen Sensor-Histidinkinase DcuS von Escherichia coli

Escherichia coli kann unter aeroben und anaeroben Bedingungen mit C4-Dicarboxylaten wachsen, die Regulation des Stoffwechsels erfolgt durch das Zwei-Komponenten-System DcuSR. Die C4-Dicarboxylattransporter DctA (aerob) bzw. DcuB (anaerob) agieren als Co-Regulatoren und bilden gemeinsam mit der Sensor-Histidinkinase DcuS einen Sensorkomplex, in dem DcuS den Sensor darstellt und DctA bzw. DcuB diesen in seine rezeptive Form überführen. DcuS ist membranständig und verknüpft die Bindung von C4-Dicarboxylaten im Periplasma mit der Autophosphorylierung seiner Kinasedomäne im Cytoplasma. Dies stellt den Beginn einer Signalkaskade vom extrazellulären Reiz zum cytoplasmatischen Responseregulator DcuR dar.rnIn dieser Arbeit wurde die intramolekulare Signaltransduktion in DcuS und über die Membran untersucht. Der Fokus lag auf der Funktion der beiden Transmembranhelices TM1 und TM2 und der cytoplasmatischen PAS-Domäne, die die sensorische PASp- mit der effektorischen Kinasedomäne verbinden. Konformationsänderungen dieser Signalweiterleitung wurden durch Cysteinzugänglichkeitsstudien, oxidatives Cystein-Crosslinking und Mutageneseexperimente analysiert. rnTM2 wurde als der Überträger eines transmembranen Signals identifiziert, während TM1 als Membrananker fungiert. Der aktive Signalzustand von TM2 wird unabhängig von der Art der DcuS-Aktivierung (Effektorbindung, Deletion des Co-Regulators DctA oder PASc-ON-Mutationen) eingenommen. Der Signaltransduktion liegt eine Verschiebung von TM2 entlang ihrer Längsachse (Kolbenhub) in Richtung Periplasma zu Grunde. Cystein-Crosslinking offenbarte eine durchgehende Helix aus PASp-α6 und TM2, die im Dimer parallel mit ihrem Pendant verschoben wird. Die Amplitude des Kolbenhubs wurde anhand von Zugänglichkeitsveränderungen, der Lage verankernder Tryptophanreste, Strukturvergleichen und energetischen Berechnungen auf max. 4 - 6 Å festgelegt. Sie ist von der Effektorstärke abhängig und koppelt so die metabolische Bevorzugung einzelner Substrate an das Ausmaß des Kolbenhubs und der Genexpression. Für die cytoplasmatische PAS-Domäne wurde ein Zusammenhang zwischen lokaler Dimerisierung und Kontrolle der Sensorfunktion nachgewiesen. Schwächung der Dimerisierung führt zu einer Aktivierung der Sensorkinase. Es wurde eine hydrophobe Region identifiziert, deren strukturelle Integrität für diese Dimerisierung essentiell ist. Mit N248 wurde ein funktionell bedeutender Rest beschrieben, der auf Grund seiner Lage und seiner Eigenschaft mehrere Sekundärstrukturelemente zu verknüpfen, als Scharnier innerhalb der Domäne an der Umsetzung des Kolbenhubs in eine veränderte Quartärstruktur von PASc beteiligt sein könnte.

Identifizierung, Expression und Charakterisierung des Nanos-verwandten Proteins aus dem marinen Schwamm Suberites domuncula

Im Rahmen dieser Arbeit konnte in dem marinen Schwamm Suberites domuncula ein Gen identifiziert werden, dessen C-terminale konservierte Domäne eine hohe Sequenzähnlichkeit zu den Zinkfingerdomänen der Nanos-Proteine aufweist. Weiter konnte ein N-terminales Sequenzmotiv identifiziert werden, das eine hohe Sequenzidentität zu den konservierten NIM Motiven (CNOT1-interagierendes-Motiv) von Nanos zeigt. Nach der Klonierung der cDNA erfolgte die Expression des als Sd_nrp bezeichneten Proteins in E. coli Bakterien, für dessen 231 Aminosäuren umfassende Polypeptidkette eine theoretische Molekülmasse von 25.8 kDa berechnet wurde. Anschließend gelang ein Nachweis des Proteins mithilfe eines polyklonalen, gegen Sd_nrp gerichteten Antikörpers in drei Gewebetypen, dem Pinacoderm, den Primmorphen (3D-Zellaggregate) und den Gemmulae (Dauerstadien der Schwämme). Dabei konnte die höchste Expression von Sd_nrp in den als totipotent geltenden Stammzellen der Schwämme, den Archaeocyten innerhalb der Gemmulae beobachtet werden. Die Identifizierung der Zellstrukturen, erfolgte dabei aufgrund morphologischer Vergleiche. Speziell die Merkmale der Zellen in den Gemmulae, der große Nukleus, die amöboide Form sowie die granulären Reservesubstanzen, entsprechen den typischen morphologischen Eigenschaften der Archaeocyten, und bestätigen die Interpretation der Ergebnisse. Weiter konnte mit Hilfe des Anti-Sd_nrp Antikörpers das native Protein in Proteinextrakten aus Gewebe adulter Tiere nachgewiesen werden. Die vergleichende Sequenzanalyse von Sd_nrp mit dem Nanos-verwandten Protein der Schwammspezies Ephydatia fluviatilis und die phylogenetische Stammbaum-Analyse mit Nanos-Homologen unterschiedlicher Invertebraten und Vertebraten lässt die Schlussfolgerung zu, dass es sich bei dem hier identifizierten Protein Sd_nrp um ein Nanos-verwandtes Protein handelt. Darüber hinaus konnte anhand eines Homologiemodells bestätigt werden, dass es sich bei der konservierten C-terminalen Domäne des Proteins Sd_nrp um die für Nanos-Proteine spezifische Zinkfingerstruktur mit dem konservierten Sequenzmotiv CCHC handelt. Dieses Ergebnis konnte auch bei einem Vergleich der Zinkfingerdomäne von Sd_nrp mit den Zinkfingerdomänen der Nanos-Homologen unterschiedlicher Invertebraten- und Vertebratenspezies bestätigt werden.

Besnoitia besnoiti protein disulfide isomerase (BbPDI): molecular characterization, expression and in silico modelling

Besnoitia besnoiti is an apicomplexan parasite responsible for bovine besnoitiosis, a disease with a high prevalence in tropical and subtropical regions and re-emerging in Europe. Despite the great economical losses associated with besnoitiosis, this disease has been underestimated and poorly studied, and neither an effective therapy nor an efficacious vaccine is available. Protein disulfide isomerase (PDI) is an essential enzyme for the acquisition of the correct three-dimensional structure of proteins. Current evidence suggests that in Neosporacaninum and Toxoplasmagondii, which are closely related to B. besnoiti, PDI play an important role in host cell invasion, is a relevant target for the host immune response, and represents a promising drug target and/or vaccine candidate. In this work, we present the nucleotide sequence of the B. besnoiti PDI gene. BbPDI belongs to the thioredoxin-like superfamily (cluster 00388) and is included in the PDI_a family (cluster defined cd02961) and the PDI_a_PDI_a'_c subfamily (cd02995). A 3D theoretical model was built by comparative homology using Swiss-Model server, using as a template the crystallographic deduced model of Tapasin-ERp57 (PDB code 3F8U chain C). Analysis of the phylogenetic tree for PDI within the phylum apicomplexa reinforces the close relationship among B. besnoiti, N. caninum and T. gondii. When subjected to a PDI-assay based on the polymerisation of reduced insulin, recombinant BbPDI expressed in E. coli exhibited enzymatic activity, which was inhibited by bacitracin. Antiserum directed against recombinant BbPDI reacted with PDI in Western blots and by immunofluorescence with B. besnoiti tachyzoites and bradyzoites.

Cloning and expression of the gene encoding the major surface protein 5 (MSP5) of Anaplasma phagocytophilum and potential application for serodiagnosis

BACKGROUND: Anaplasma phagocytophilum (formerly known as the human granulocytic ehrlichia, Ehrlichia equi and Ehrlichia phagocytophila) is an obligate intracellular organism causing clinical disease in humans and various species of domestic animals. OBJECTIVES: The objectives of this investigation were to sequence and clone the major surface protein 5 (MSP5) of A phagocytophilum and to evaluate the suitability of this antigen in the serologic diagnosis of anaplasmosis in humans and dogs. METHODS: The msp5 gene of A phagocytophilum was sequenced, cloned, and expressed in Escherichia coli. The predicted amino acid sequence homology of the various MSP5/major antigenic protein 2 orthologs was compared among various Anaplasma and Ehrlichia species. Recombinant MSP5 of A phagocytophilum was used in an ELISA to detect antibodies in serum samples from humans and dogs infected with the organism. RESULTS: Serum samples from 104 individuals previously diagnosed with A phagocytophilum infection, as well as samples from clinically healthy humans, were tested. In addition, multiple samples from 4 dogs experimentally infected with 2 different geographic isolates of A phagocytophilum and 5 dogs naturally infected with a Swiss isolate were tested using ELISA. Using this group of immunofluorescent antibody test-positive and immunofluorescent antibody test-negative samples, we found the overall agreement between assays to be >90%. CONCLUSIONS: These results indicate that recombinant MSP5 has potential for use as a diagnostic test antigen to detect infection with A phagocytophilum in both dogs and humans. However, sequence similarities among orthologs of MSP5 in related species of anaplasma and ehrlichia suggest that cross-reactivity among these pathogens is likely if the entire peptide is used as a test antigen.

Expression of Plasmodium falciparum 3D7 STEVOR proteins for evaluation of antibody responses following malaria infections in naïve infants

Clinical immunity to Plasmodium falciparum malaria develops after repeated exposure to the parasite. At least 2 P. falciparum variant antigens encoded by multicopy gene families (var and rif) are targets of this adaptive antibody-mediated immunity. A third multigene family of variant antigens comprises the stevor genes. Here, 4 different stevor sequences were selected for cloning and expression in Escherichia coli and His6-tagged fusion proteins were used for assessing the development of immunity. In a cross-sectional analysis of clinically immune adults living in a malaria endemic area in Ghana, high levels of anti-STEVOR IgG antibody titres were determined in ELISA. A cross-sectional study of 90 nine-month-old Ghanaian infants using 1 recombinant STEVOR showed that the antibody responses correlated positively with the number of parasitaemia episodes. In a longitudinal investigation of 17 immunologically naïve 9-month-old infants, 3 different patterns of anti-STEVOR antibody responses could be distinguished (high, transient and low). Children with high anti-STEVOR-antibody levels exhibited an elevated risk for developing parasitaemia episodes. Overall, a protective effect could not be attributed to antibodies against the STEVOR proteins chosen for the study presented here.

Heme oxygenase-1 is a critical regulator of nitric oxide production in enterohemorrhagic Escherichia coli-infected human enterocytes

Enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) are the causative agent of hemolytic-uremic syndrome. In the first stage of the infection, EHEC interact with human enterocytes to modulate the innate immune response. Inducible NO synthase (iNOS)-derived NO is a critical mediator of the inflammatory response of the infected intestinal mucosa. We therefore aimed to analyze the role of EHEC on iNOS induction in human epithelial cell lines. In this regard, we show that EHEC down-regulate IFN-gamma-induced iNOS mRNA expression and NO production in Hct-8, Caco-2, and T84 cells. This inhibitory effect occurs through the decrease of STAT-1 activation. In parallel, we demonstrate that EHEC stimulate the rapid inducible expression of the gene hmox-1 that encodes for the enzyme heme oxygenase-1 (HO-1). Knock-down of hmox-1 gene expression by small interfering RNA or the blockade of HO-1 activity by zinc protoporphyrin IX abrogated the EHEC-dependent inhibition of STAT-1 activation and iNOS mRNA expression in activated human enterocytes. These results highlight a new strategy elaborated by EHEC to control the host innate immune response.

Human microbiota-secreted factors inhibit shiga toxin synthesis by enterohemorrhagic Escherichia coli O157:H7

Escherichia coli O157:H7 is a food-borne pathogen causing hemorrhagic colitis and hemolytic-uremic syndrome, especially in children. The main virulence factor responsible for the more serious disease is the Shiga toxin 2 (Stx2), which is released in the gut after oral ingestion of the organism. Although it is accepted that the amount of Stx2 produced by E. coli O157:H7 in the gut is critical for the development of disease, the eukaryotic or prokaryotic gut factors that modulate Stx2 synthesis are largely unknown. In this study, we examined the influence of prokaryotic molecules released by a complex human microbiota on Stx2 synthesis by E. coli O157:H7. Stx2 synthesis was assessed after growth of E. coli O157:H7 in cecal contents of gnotobiotic rats colonized with human microbiota or in conditioned medium having supported the growth of complex human microbiota. Extracellular prokaryotic molecules produced by the commensal microbiota repress stx(2) mRNA expression and Stx2 production by inhibiting the spontaneous and induced lytic cycle mediated by RecA. These molecules, with a molecular mass of below 3 kDa, are produced in part by Bacteroides thetaiotaomicron, a predominant species of the normal human intestinal microbiota. The microbiota-induced stx(2) repression is independent of the known quorum-sensing pathways described in E. coli O157:H7 involving SdiA, QseA, QseC, or autoinducer 3. Our findings demonstrate for the first time the regulatory activity of a soluble factor produced by the complex human digestive microbiota on a bacterial virulence factor in a physiologically relevant context.

Morphological and immunocytochemical analysis of Escherichia coli-specific surface antigens in wildtype strains and in recombinant Vibrio cholerae

Adhesion is the first step in the pathogenesis of enterotoxigenic Escherichia coli infections. The genes encoding the most prevalent adhesion factors CFA/I, CS3 and CS6 were cloned into Vibrio cholerae strain CVD 103-HgR and expression of fimbriae was investigated in wildtype and recombinant strains by transmission electron microscopy in conjunction with immunolabelling and negative staining. Negative staining was effective in revealing CFA/I and CS3, but not CS6. Although morphology of fimbriae differed between wildtype and recombinant strains, corresponding surface antigens were recognized by specific antibodies. The present study provides evidence that ETEC-specific fimbriae can adequately be expressed in an attenuated V. cholerae vaccine strain and that immunoelectron microscopy is a critical tool to validate the surface expression of antigens in view of their possible suitability for recombinant vaccines.

Assessment by electron-microscopy of recombinant Vibrio cholerae and Salmonella vaccine strains expressing enterotoxigenic Escherichia coli-specific surface antigens

Diarrhoea caused by enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) requires adhesion of microorganisms to enterocytes. Hence, a promising approach to immunoprophylaxis is to elicit antibodies against colonisation factor antigens (CFAs). Genes encoding the most prevalent ETEC-specific surface antigens were cloned into Vibrio cholerae and Salmonella vaccine strains. Expression of surface antigens was assessed by electron-microscopy. Whereas negative staining was effective in revealing CFA/I and CS3, but not CS6, immunolabelling allowed identification of all surface antigens examined. The V. cholerae vaccine strain CVD103 did not express ETEC-specific colonisation factors, whereas CVD103-HgR expressed CS3 only. However, expression of both CFA/I and CS3 was demonstrated in Salmonella Ty21a.

Association of putative enteroaggregative Escherichia coli virulence genes and biofilm production in isolates from travelers to developing countries.

Enteroaggregative Escherichia coli (EAEC) is an emerging enteric pathogen that causes acute and chronic diarrhea among children, human immunodeficiency virus-infected patients, and travelers to developing regions of the world. The pathogenesis of EAEC strains involves the production of biofilm. In this study, we determined the association between presence of putative EAEC virulence genes and biofilm formation in 57 EAEC isolates (as defined by HEp-2 adherence) from travelers with diarrhea and in 18 EAEC isolates from travelers without diarrhea. Twelve nondiarrheagenic E. coli isolates from healthy travelers were used as controls. Biofilm formation was measured by using a microtiter plate assay with the crystal violet staining method, and the presence of the putative EAEC virulence genes aap, aatA, aggR, astA, irp2, pet, set1A, and shf was determined by PCR. EAEC isolates were more likely to produce biofilm than nondiarrheagenic E. coli isolates (P = 0.027), and the production of biofilm was associated with the virulence genes aggR, set1A, aatA, and irp2, which were found in 16 (40%), 17 (43%), 10 (25%), and 27 (68%) of the biofilm producers versus only 4 (11%), 6 (6%), 2 (6%), and 15 (43%) in non-biofilm producers (P = 0.008 for aggR, P = 0.0004 for set1A, P = 0.029 for aatA, and P = 0.04 for irp2). Although the proportion of EAEC isolates producing biofilm in patients with diarrhea (51%) was similar to that in patients without diarrhea (61%), biofilm production was related to the carriage of aggR (P = 0.015), set1A (P = 0.001), and aatA (P = 0.025). Since aggR is a master regulator of EAEC, the presence of aap (P = 0.004), astA (P = 0.001), irp2 (P = 0.0006), pet (P = 0.002), and set1A (P = 0.014) in an aggR versus an aggR-lacking background was investigated and was also found to be associated with biofilm production. This study suggests that biofilm formation is a common phenomenon among EAEC isolates derived from travelers with or without diarrhea and that multiple genes associated with biofilm formation are regulated by aggR.