Phytochrome Regulates Gibberellin Biosynthesis during Germination of Photoblastic Lettuce Seeds1

Germination of lettuce (Lactuca sativa L.) seed is regulated by phytochrome. The requirement for red light is circumvented by the application of gibberellin (GA). We have previously shown that the endogenous content of GA1, the main bioactive GA in lettuce seeds, increases after red-light treatment. To clarify which step of GA1 synthesis is regulated by phytochrome, cDNAs encoding GA 20-oxidases (Ls20ox1 and Ls20ox2, for L. sativa GA 20-oxidase) and 3β-hydroxylases (Ls3h1 and Ls3h2 for L. sativa GA 3β-hydroxylase) were isolated from lettuce seeds by reverse-transcription polymerase chain reaction. Functional analysis of recombinant proteins expressed in Escherichia coli confirmed that the Ls20ox and Ls3h encode GA 20-oxidases and 3β-hydroxylases, respectively. Northern-blot analysis showed that Ls3h1 expression was dramatically induced by red-light treatment within 2 h, and that this effect was canceled by a subsequent far-red-light treatment. Ls3h2 mRNA was not detected in seeds that had been allowed to imbibe under any light conditions. Expression of the two Ls20ox genes was induced by initial imbibition alone in the dark. The level of Ls20ox2 mRNA decreased after the red-light treatment, whereas that of Ls20ox1 was unaffected by light. These results suggest that red light promotes GA1 synthesis in lettuce seeds by inducing Ls3h1 expression via phytochrome action.

Characterization of Two Glutamate Decarboxylase cDNA Clones from Arabidopsis

Two distinct cDNA clones encoding for the glutamate decarboxylase (GAD) isoenzymes GAD1 and GAD2 from Arabidopsis (L.) Heynh. were characterized. The open reading frames for GAD1 and GAD2 were expressed in Escherichia coli and the recombinant proteins were purified by affinity chromatography. Analysis of the recombinant proteins by sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis and immunoblot analysis suggest that GAD1 and GAD2 encode for 58- and 56-kD peptides, respectively. The enzymatic activities of the pure recombinant GAD1 and GAD2 proteins were stimulated 35- and 13-fold, respectively, by Ca2+/calmodulin but not by Ca2+ or calmodulin alone. Southern-blot analysis of genomic DNA suggests that there is only one copy of each gene in Arabidopsis. The GAD1 transcript and a corresponding 58-kD peptide were detected in roots only. Conversely, the GAD2 transcript and a corresponding 56-kD peptide were detected in all organs tested. The specific activity, GAD2 transcript, and 56-kD peptide increased in leaves of plants treated with 10 mm NH4Cl, 5 mm NH4NO3, 5 mm glutamic acid, or 5 mm glutamine as the sole nitrogen source compared with samples from plants treated with 10 mm KNO3. The results from these experiments suggest that in leaves GAD activity is partially controlled by gene expression or RNA stability. Results from preliminary analyses of different tissues imply that these tendencies were not the same in flower stalks and flowers, suggesting that other factors may control GAD activity in these organs. The results from this investigation demonstrate that GAD activity in leaves is altered by different nitrogen treatments, suggesting that GAD2 may play a unique role in nitrogen metabolism.

Expression of Norwalk virus capsid protein in transgenic tobacco and potato and its oral immunogenicity in mice.

Alternatives to cell culture systems for production of recombinant proteins could make very safe vaccines at a lower cost. We have used genetically engineered plants for expression of candidate vaccine antigens with the goal of using the edible plant organs for economical delivery of oral vaccines. Transgenic tobacco and potato plants were created that express the capsid protein of Norwalk virus, a calicivirus that causes epidemic acute gastroenteritis in humans. The capsid protein could be extracted from tobacco leaves in the form of 38-nm Norwalk virus-like particles. Recombinant Norwalk virus-like particle (rNV) was previously recovered when the same gene was expressed in recombinant baculovirus-infected insect cells. The capsid protein expressed in tobacco leaves and potato tubers cosedimented in sucrose gradients with insect cell-derived rNV and appeared identical to insect cell-derived rNV on immunoblots of SDS/polyacrylamide gels. The plant-expressed rNV was orally immunogenic in mice. Extracts of tobacco leaf expressing rNV were given to CD1 mice by gavage, and the treated mice developed both serum IgG and secretory IgA specific for rNV. Furthermore, when potato tubers expressing rNV were fed directly to mice, they developed serum IgG specific for rNV. These results indicate the potential usefulness of plants for production and delivery of edible vaccines. This is an appropriate technology for developing countries where vaccines are urgently needed.

Direct interaction of the Wiskott-Aldrich syndrome protein with the GTPase Cdc42.

Wiskott-Aldrich syndrome (WAS) is an X-linked immunodeficiency disorder with the most severe pathology in the T lymphocytes and platelets. The disease arises from mutations in the gene encoding the WAS protein. T lymphocytes of affected males with WAS exhibit a severe disturbance of the actin cytoskeleton, suggesting that the WAS protein could regulate its organization. We show here that WAS protein interacts with a member of the Rho family of GTPases, Cdc42. This interaction, which is guanosine 5'-triphosphate (GTP)-dependent, was detected in cell lysates, in transient transfections and with purified recombinant proteins. A weaker interaction was also detected with Rac1 using WAS protein from cell lysates. It was also found that different mutant WAS proteins from three affected males retained their ability to interact with Cdc42 and that the level of expression of the WAS protein in these mutants was only 2-5% of normal. Taken together these data suggest that the WAS protein might function as a signal transduction adaptor downstream of Cdc42, and in affected males, the cytoskeletal abnormalities may result from a defect in Cdc42 signaling.

Homophilic adhesion mediated by the neural cell adhesion molecule involves multiple immunoglobulin domains.

The neural cell adhesion molecule (N-CAM) mediates homophilic binding between a variety of cell types including neurons, neurons and glia, and neurons and muscle cells. The mechanism by which N-CAM on one cell interacts with N-CAM on another, however, is unknown. Attempts to identify which of the five immunoglobulin-like domains (Ig I-V) and the two fibronectin type III repeats (FnIII 1-2) in the extracellular region of N-CAM are involved in this process have led to ambiguous results. We have generated soluble recombinant proteins corresponding to each of the individual immunoglobulin domains and the combined FnIII 1-2 and prepared polyclonal antibodies specific for each. The purified proteins and antibodies were used in aggregation experiments with fluorescent microspheres and chicken embryo brain cells to determine possible contributions of each domain to homophilic adhesion. The recombinant domains were tested for their ability to bind to purified native N-CAM, to bind to each other, and to inhibit the aggregation of N-CAM on microspheres and the aggregation of neuronal cells. Each of the immunoglobulin domains bound to N-CAM, and in solution all of the immunoglobulin domains inhibited the aggregation of N-CAM-coated microspheres. Soluble Ig II, Ig III, and Ig IV inhibited neuronal aggregation; antibodies against whole N-CAM, the Ig III domain, and the Ig I domain all strongly inhibited neuronal aggregation, as well as the aggregation of N-CAM-coated microspheres. Of all the domains, the third immunoglobulin domain alone demonstrated the ability to self-aggregate, whereas Ig I bound to Ig V and Ig II bound to Ig IV. The combined FnIII 1-2 exhibited a slight ability to self-aggregate but did not bind to any of the immunoglobulin-like domains. These results suggest that N-CAM-N-CAM binding involves all five immunoglobulin domains and prompt the hypothesis that in homophilic cell-cell binding mediated by N-CAM these domains may interact pairwise in an antiparallel orientation.

Sequence verification of human creatine kinase (43 kDa) isozymes by high-resolution tandem mass spectrometry.

Amino acid sequencing by recombinant DNA technology, although dramatically useful, is subject to base reading errors, is indirect, and is insensitive to posttranslational processing. Mass spectrometry techniques can provide molecular weight data from even relatively large proteins for such cDNA sequences and can serve as a check of an enzyme's purity and sequence integrity. Multiply-charged ions from electrospray ionization can be dissociated to yield structural information by tandem mass spectrometry, providing a second method for gaining additional confidence in primary sequence confirmation. Here, accurate (+/- 1 Da) molecular weight and molecular ion dissociation information for human muscle and brain creatine kinases has been obtained by electrospray ionization coupled with Fourier-transform mass spectrometry to help distinguish which of several published amino acid sequences for both enzymes are correct. The results herein are consistent with one published sequence for each isozyme, and the heterogeneity indicated by isoelectric focusing due to 1-Da deamidation changes. This approach appears generally useful for detailed sequence verification of recombinant proteins.

Electrocatalytically driven omega-hydroxylation of fatty acids using cytochrome P450 4A1.

The cyclic enzymatic function of a cytochrome P450, as it catalyzes the oxygen-dependent metabolism of many organic chemicals, requires the delivery of two electrons to the hemeprotein. In general these electrons are transferred from NADPH to the P450 via an FMN- and FAD-containing flavoprotein (NADPH-P450 reductase). The present paper shows that NADPH can be replaced by an electrochemically generated reductant [cobalt(II) sepulchrate trichloride] for the electrocatalytically driven omega-hydroxylation of lauric acid. Results are presented illustrating the use of purified recombinant proteins containing P450 4A1, such as the fusion protein (rFP450 [mRat4A1/mRatOR]L1) or a system reconstituted with purified P450 4A1 plus purified NADPH-P450 reductase. Rates of formation of 12-hydroxydodecanoic acid by the electrochemical method are comparable to those obtained using NADPH as electron donor. These results suggest the practicality of developing electrocatalytically dependent bioreactors containing different P450s as catalysts for the large-scale synthesis of stereo- and regio-selective hydroxylation products of many chemicals.

Characterization of a Leishmania tropica antigen that detects immune responses in Desert Storm viscerotropic leishmaniasis patients.

A chronic debilitating parasitic infection, viscerotropic leishmaniasis (VTL), has been described in Operation Desert Storm veterans. Diagnosis of this disease, caused by Leishmania tropica, has been difficult due to low or absent specific immune responses in traditional assays. We report the cloning and characterization of two genomic fragments encoding portions of a single 210-kDa L. tropica protein useful for the diagnosis of VTL in U.S. military personnel. The recombinant proteins encoded by these fragments, recombinant (r) Lt-1 and rLt-2, contain a 33-amino acid repeat that reacts with sera from Desert Storm VTL patients and with sera from L. tropica-infected patients with cutaneous leishmaniasis. Antibody reactivities to rLt-1 indicated a bias toward IgG2 in VTL patient sera. Peripheral blood mononuclear cells from VTL patients produced interferon gamma, but not interleukin 4 or 10, in response to rLt-1. No cytokine production was observed in response to parasite lysate. The results indicate that specific leishmanial antigens may be used to detect immune responses in VTL patients with chronic infections.

Presence of antibodies to different subunits of replication protein A in autoimmune sera.

A human cDNA expression library was used to investigate the nature of molecules recognized by serum from a patient with Sjögren syndrome that exhibits a mixed immunofluorescence pattern and reacts with multiple components on an immunoblot. The data demonstrated that this serum contains IgG antibodies specific for the 70- and 32-kDa subunits of replication protein A (RPA; RPA-70 and RPA-32, respectively), a highly conserved multisubunit DNA binding protein. Affinity purification of serum autoantibodies demonstrated a complete lack of cross-reactivity between RPA-70 and RPA-32, suggesting a direct participation of the native protein complex in the autoimmune response in this patient. Purified anti-RPA-70 and anti-RPA-32 antibodies labeled nuclear and cytoplasmic components in an immunofluorescence assay, suggesting that RPA is present in both cellular compartments. Additional sera from 55 patients with different autoimmune conditions were screened against purified RPA-70 and RPA-32 recombinant proteins. One of these 55 sera was positive and reacted with only RPA-32. Twenty sera from healthy control individuals did not react with RPA. These results show that RPA is a target for autoantibodies in human autoimmune diseases, although its precise frequency, occurrence in other autoimmune diseases, and pathological significance remain to be fully elucidated.

Replication factor encoded by a putative oncogene, set, associated with myeloid leukemogenesis.

DNA replication of the adenovirus genome complexed with viral core proteins is dependent on the host factor designated template activating factor I (TAF-I) in addition to factors required for replication of the naked genome. Recently, we have purified TAF-I as 39- and 41-kDa polypeptides from HeLa cells. Here we describe the cloning of two human cDNAs encoding TAF-I. Nucleotide sequence analysis revealed that the 39-kDa polypeptide corresponds to the protein encoded by the set gene, which is the part of the putative oncogene associated with acute undifferentiated leukemia when translocated to the can gene. The 41-kDa protein contains the same amino acid sequence as the 39-kDa protein except that short N-terminal regions differ in both proteins. Recombinant proteins, which were purified from extracts of Escherichia coli, expressing the proteins from cloned cDNAs, possessed TAF-I activities in the in vitro replication assay. A particular feature of TAF-I proteins is the presence of a long acidic tail in the C-terminal region, which is thought to be an essential part of the SET-CAN fusion protein. Studies with mutant TAF-I proteins devoid of this acidic region indicated that the acidic region is essential for TAF-I activity.

The hepatitis B virus X protein targets the basic region-leucine zipper domain of CREB.

The X gene product encoded by the hepatitis B virus, termed pX, is a promiscuous transactivator of a variety of viral and cellular genes under the control of diverse cis-acting elements. Although pX does not appear to directly bind DNA, pX-responsive elements include the NF-kappa B, AP-1, and CRE (cAMP response element) sites. Direct protein-protein interactions occur between viral pX and the CRE-binding transcription factors CREB and ATF. Here we examine the mechanism of the protein-protein interactions occurring between CREB and pX by using recombinant proteins and in vitro DNA-binding assays. We demonstrate that pX interacts with the basic region-leucine zipper domain of CREB but not with the DNA-binding domain of the yeast transactivator protein Gal4. The interaction between CREB and pX increases the affinity of CREB for the CRE site by an order of magnitude, although pX does not alter the rate of CREB dimerization. Methylation interference footprinting reveals differences between the CREB DNA and CREB-pX DNA complexes. These experiments demonstrate that pX titers the way CREB interacts with the CRE DNA and suggest that the basic, DNA-binding region of CREB is the target of pX. Transfection assays in PC12 cells with the CREB-dependent somatostatin promoter demonstrate a nearly 15-fold transcriptional induction after forskolin stimulation in the presence of pX. These results support the significance of the CREB-pX protein-protein interactions in vivo.

Applicazione della spettrometria di massa MALDI-TOF in microbiologia clinica

Riassunto La spettrometria di massa (MS) nata negli anni ’70 trova oggi, grazie alla tecnologia Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight (MALDI-TOF), importanti applicazioni in diversi settori: biotecnologico (per la caratterizzazione ed il controllo di qualità di proteine ricombinanti ed altre macromolecole), medico–clinico (per la diagnosi di laboratorio di malattie e per lo sviluppo di nuovi trattamenti terapeutici mirati), alimentare ed ambientale. Negli ultimi anni, questa tecnologia è diventata un potente strumento anche per la diagnosi di laboratorio in microbiologia clinica, rivoluzionando il flusso di lavoro per una rapida identificazione di batteri e funghi, sostituendo l’identificazione fenotipica convenzionale basata su saggi biochimici. Attualmente mediante MALDI-TOF MS sono possibili due diversi approcci per la caratterizzazione dei microrganismi: (1) confronto degli spettri (“mass spectra”) con banche dati contenenti profili di riferimento (“database fingerprints”) e (2) “matching” di bio-marcatori con banche dati proteomiche (“proteome database”). Recentemente, la tecnologia MALDI-TOF, oltre alla sua applicazione classica nell’identificazione di microrganismi, è stata utilizzata per individuare, indirettamente, meccanismi di resistenza agli antibiotici. Primo scopo di questo studio è stato verificare e dimostrare l’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF MS mediante approccio di comparazione degli spettri di differenti microrganismi di interesse medico per i quali l’identificazione risultava impossibile a causa della completa assenza o presenza limitata, di spettri di riferimento all’interno della banca dati commerciale associata allo strumento. In particolare, tale scopo è stato raggiunto per i batteri appartenenti a spirochete del genere Borrelia e Leptospira, a miceti filamentosi (dermatofiti) e protozoi (Trichomonas vaginalis). Secondo scopo di questo studio è stato valutare il secondo approccio identificativo basato sulla ricerca di specifici marcatori per differenziare parassiti intestinali di interesse medico per i quali non è disponibile una banca dati commerciale di riferimento e la sua creazione risulterebbe particolarmente difficile e complessa, a causa della complessità del materiale biologico di partenza analizzato e del terreno di coltura nei quali questi protozoi sono isolati. Terzo ed ultimo scopo di questo studio è stata la valutazione dell’applicabilità della spettrometria di massa con tecnologia MALDI-TOF per lo studio delle resistenze batteriche ai carbapenemi. In particolare, è stato messo a punto un saggio di idrolisi dei carbapenemi rilevata mediante MALDI-TOF MS in grado di determinare indirettamente la produzione di carbapenemasi in Enterobacteriaceae. L’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF mediante l’approccio di comparazione degli spettri è stata dimostrata in primo luogo per batteri appartenenti al genere Borrelia. La banca dati commerciale dello strumento MALDI-TOF MS in uso presso il nostro laboratorio includeva solo 3 spettri di riferimento appartenenti alle specie B. burgdorferi ss, B. spielmani e B. garinii. L’implementazione del “database” con specie diverse da quelle già presenti ha permesso di colmare le lacune identificative dovute alla mancanza di spettri di riferimento di alcune tra le specie di Borrelia più diffuse in Europa (B. afzelii) e nel mondo (come ad esempio B. hermsii, e B. japonica). Inoltre l’implementazione con spettri derivanti da ceppi di riferimento di specie già presenti nel “database” ha ulteriormente migliorato l’efficacia identificativa del sistema. Come atteso, il ceppo di isolamento clinico di B. lusitaniae (specie non presente nel “database”) è stato identificato solo a livello di genere corroborando, grazie all’assenza di mis-identificazione, la robustezza della “nuova” banca dati. I risultati ottenuti analizzando i profili proteici di ceppi di Borrelia spp. di isolamento clinico, dopo integrazione del “database” commerciale, indicano che la tecnologia MALDI-TOF potrebbe essere utilizzata come rapida, economica ed affidabile alternativa ai metodi attualmente utilizzati per identificare ceppi appartenenti a questo genere. Analogamente, per il genere Leptospira dopo la creazione ex-novo della banca dati “home-made”, costruita con i 20 spettri derivati dai 20 ceppi di riferimento utilizzati, è stata ottenuta una corretta identificazione a livello di specie degli stessi ceppi ri-analizzati in un esperimento indipendente condotto in doppio cieco. Il dendrogramma costruito con i 20 MSP-Spectra implementati nella banca dati è formato da due rami principali: il primo formato dalla specie non patogena L. biflexa e dalla specie a patogenicità intermedia L. fainei ed il secondo che raggruppa insieme le specie patogene L. interrogans, L. kirschneri, L. noguchii e L. borgpetersenii. Il secondo gruppo è ulteriormente suddiviso in due rami, contenenti rispettivamente L. borgpetersenii in uno e L. interrogans, L. kirschneri e L. noguchii nell’altro. Quest’ultimo, a sua volta, è suddiviso in due rami ulteriori: il primo comprendente la sola specie L. noguchii, il secondo le specie L. interrogans e L. kirshneri non separabili tra loro. Inoltre, il dendrogramma costruito con gli MSP-Spectra dei ceppi appartenenti ai generi Borrelia e Leptospira acquisiti in questo studio, e appartenenti al genere Brachyspira (implementati in un lavoro precedentemente condotto) mostra tre gruppi principali separati tra loro, uno per ogni genere, escludendo possibili mis-identificazioni tra i 3 differenti generi di spirochete. Un’analisi più approfondita dei profili proteici ottenuti dall’analisi ha mostrato piccole differenze per ceppi della stessa specie probabilmente dovute ai diversi pattern proteici dei distinti sierotipi, come confermato dalla successiva analisi statistica, che ha evidenziato picchi sierotipo-specifici. È stato, infatti, possibile mediante la creazione di un modello statistico dedicato ottenere un “pattern” di picchi discriminanti in grado di differenziare a livello di sierotipo sia i ceppi di L. interrogans sia i ceppi di L. borgpetersenii saggiati, rispettivamente. Tuttavia, non possiamo concludere che i picchi discriminanti da noi riportati siano universalmente in grado di identificare il sierotipo dei ceppi di L. interrogans ed L. borgpetersenii; i picchi trovati, infatti, sono il risultato di un’analisi condotta su uno specifico pannello di sierotipi. È stato quindi dimostrato che attuando piccoli cambiamenti nei parametri standardizzati come l’utilizzo di un modello statistico e di un programma dedicato applicato nella routine diagnostica è possibile utilizzare la spettrometria di massa MALDI-TOF per una rapida ed economica identificazione anche a livello di sierotipo. Questo può significativamente migliorare gli approcci correntemente utilizzati per monitorare l’insorgenza di focolai epidemici e per la sorveglianza degli agenti patogeni. Analogamente a quanto dimostrato per Borrelia e Leptospira, l’implementazione della banca dati dello spettrometro di massa con spettri di riferimento di miceti filamentosi (dermatofiti) si è rilevata di particolare importanza non solo per l’identificazione di tutte le specie circolanti nella nostra area ma anche per l’identificazione di specie la cui frequenza nel nostro Paese è in aumento a causa dei flussi migratori dalla zone endemiche (M. audouinii, T. violaceum e T. sudanense). Inoltre, l’aggiornamento del “database” ha consentito di superare la mis-identificazione dei ceppi appartenenti al complesso T. mentagrophytes (T. interdigitale e T. mentagrophytes) con T. tonsurans, riscontrata prima dell’implementazione della banca dati commerciale. Il dendrogramma ottenuto dai 24 spettri implementati appartenenti a 13 specie di dermatofiti ha rivelato raggruppamenti che riflettono quelli costruiti su base filogenetica. Sulla base dei risultati ottenuti mediante sequenziamento della porzione della regione ITS del genoma fungino non è stato possibile distinguere T. interdigitale e T. mentagrophytes, conseguentemente anche gli spettri di queste due specie presentavano picchi dello stesso peso molecoalre. Da sottolineare che il dendrogramma costruito con i 12 profili proteici già inclusi nel database commerciale e con i 24 inseriti nel nuovo database non riproduce l’albero filogenetico per alcune specie del genere Tricophyton: gli spettri MSP già presenti nel database e quelli aggiunti delle specie T. interdigitale e T. mentagrophytes raggruppano separatamente. Questo potrebbe spiegare le mis-identificazioni di T. interdigitale e T. mentagrophytes con T. tonsurans ottenute prima dell’implementazione del database. L’efficacia del sistema identificativo MALDI-TOF è stata anche dimostrata per microrganismi diversi da batteri e funghi per i quali la metodica originale è stata sviluppata. Sebbene tale sistema identificativo sia stato applicato con successo a Trichomonas vaginalis è stato necessario apportare modifiche nei parametri standard previsti per l’identificazione di batteri e funghi. Le interferenze riscontrate tra i profili proteici ottenuti per i due terreni utilizzati per la coltura di questo protozoo e per i ceppi di T. vaginalis hanno, infatti, reso necessario l’utilizzo di nuovi parametri per la creazione degli spettri di riferimento (MSP-Spectra). L’importanza dello sviluppo del nuovo metodo risiede nel fatto che è possibile identificare sulla base del profilo proteico (e non sulla base di singoli marcatori) microorganismi cresciuti su terreni complessi che potrebbero presentare picchi nell'intervallo di peso molecolare utilizzato a scopo identificativo: metaboliti, pigmenti e nutrienti presenti nel terreno possono interferire con il processo di cristallizzazione e portare ad un basso punteggio identificativo. Per T. vaginalis, in particolare, la “sottrazione” di picchi dovuti a molecole riconducibili al terreno di crescita utilizzato, è stata ottenuta escludendo dall'identificazione l'intervallo di peso molecolare compreso tra 3-6 kDa, permettendo la corretta identificazione di ceppi di isolamento clinico sulla base del profilo proteico. Tuttavia, l’elevata concentrazione di parassita richiesta (105 trofozoiti/ml) per una corretta identificazione, difficilmente ottenibile in vivo, ha impedito l’identificazione di ceppi di T. vaginalis direttamente in campioni clinici. L’approccio identificativo mediante individuazione di specifici marcatori proteici (secondo approccio identificativo) è stato provato ed adottato in questo studio per l’identificazione e la differenziazione di ceppi di Entamoeba histolytica (ameba patogena) ed Entamoeba dispar (ameba non patogena), specie morfologiacamente identiche e distinguibili solo mediante saggi molecolari (PCR) aventi come bersaglio il DNA-18S, che codifica per l’RNA della subunità ribosomiale minore. Lo sviluppo di tale applicazione ha consentito di superare l’impossibilità della creazione di una banca dati dedicata, a causa della complessità del materiale fecale di partenza e del terreno di coltura impiagato per l’isolamento, e di identificare 5 picchi proteici in grado di differenziare E. histolytica da E. dispar. In particolare, l’analisi statistica ha mostrato 2 picchi specifici per E. histolytica e 3 picchi specifici per E. dispar. L’assenza dei 5 picchi discriminanti trovati per E. histolytica e E. dispar nei profili dei 3 differenti terreni di coltura utilizzati in questo studio (terreno axenico LYI-S-2 e terreno di Robinson con e senza E. coli) permettono di considerare questi picchi buoni marcatori in grado di differenziare le due specie. La corrispondenza dei picchi con il PM di due specifiche proteine di E. histolytica depositate in letteratura (Amoebapore A e un “unknown putative protein” di E. histolytica ceppo di riferimento HM-1:IMSS-A) conferma la specificità dei picchi di E. histolytica identificati mediante analisi MALDI-TOF MS. Lo stesso riscontro non è stato possibile per i picchi di E. dispar in quanto nessuna proteina del PM di interesse è presente in GenBank. Tuttavia, va ricordato che non tutte le proteine E. dispar sono state ad oggi caratterizzate e depositate in letteratura. I 5 marcatori hanno permesso di differenziare 12 dei 13 ceppi isolati da campioni di feci e cresciuti in terreno di Robinson confermando i risultati ottenuti mediante saggio di Real-Time PCR. Per un solo ceppo di isolamento clinico di E. histolytica l’identificazione, confermata mediante sequenziamento della porzione 18S-rDNA, non è stata ottenuta mediante sistema MALDI-TOF MS in quanto non sono stati trovati né i picchi corrispondenti a E. histolytica né i picchi corrispondenti a E. dispar. Per questo ceppo è possibile ipotizzare la presenza di mutazioni geno/fenotipiche a livello delle proteine individuate come marcatori specifici per E. histolytica. Per confermare questa ipotesi sarebbe necessario analizzare un numero maggiore di ceppi di isolamento clinico con analogo profilo proteico. L’analisi condotta a diversi tempi di incubazione del campione di feci positivo per E. histolytica ed E. dipar ha mostrato il ritrovamento dei 5 picchi discriminanti solo dopo 12 ore dall’inoculo del campione nel terreno iniziale di Robinson. Questo risultato suggerisce la possibile applicazione del sistema MALDI-TOF MS per identificare ceppi di isolamento clinico di E. histolytica ed E. dipar nonostante la presenza di materiale fecale che materialmente può disturbare e rendere difficile l’interpretazione dello spettro ottenuto mediante analisi MALDI-TOF MS. Infine in questo studio è stata valutata l’applicabilità della tecnologia MALDI-TOF MS come saggio fenotipico rapido per la determinazione di ceppi produttori di carbapenemasi, verificando l'avvenuta idrolisi del meropenem (carbapeneme di riferimento utilizzato in questo studio) a contatto con i ceppi di riferimento e ceppi di isolamento clinico potenzialmente produttori di carbapenemasi dopo la messa a punto di un protocollo analitico dedicato. Il saggio di idrolisi del meropenem mediante MALDI-TOF MS ha dimostrato la presenza o l’assenza indiretta di carbapenemasi nei 3 ceppi di riferimento e nei 1219 (1185 Enterobacteriaceae e 34 non-Enterobacteriaceae) ceppi di isolamento clinico inclusi nello studio. Nessuna interferenza è stata riscontrata per i ceppi di Enterobacteriaceae variamente resistenti ai tre carbapenemi ma risultati non produttori di carbapenemasi mediante i saggi fenotipici comunemente impiegati nella diagnostica routinaria di laboratorio: nessuna idrolisi del farmaco è stata infatti osservata al saggio di idrolisi mediante MALDI-TOF MS. In un solo caso (ceppo di K. pneumoniae N°1135) è stato ottenuto un profilo anomalo in quanto presenti sia i picchi del farmaco intatto che quelli del farmaco idrolizzato. Per questo ceppo resistente ai tre carbapenemi saggiati, negativo ai saggi fenotipici per la presenza di carbapenemasi, è stata dimostrata la presenza del gene blaKPC mediante Real-Time PCR. Per questo ceppo si può ipotizzare la presenza di mutazioni a carico del gene blaKPC che sebbene non interferiscano con il suo rilevamento mediante PCR (Real-Time PCR positiva), potrebbero condizionare l’attività della proteina prodotta (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia negativi) riducendone la funzionalità come dimostrato, mediante analisi MALDI-TOF MS, dalla presenza dei picchi relativi sia all’idrolisi del farmaco sia dei picchi relativi al farmaco intatto. Questa ipotesi dovrebbe essere confermata mediante sequenziamento del gene blaKPC e successiva analisi strutturale della sequenza amminoacidica deducibile. L’utilizzo della tecnologia MALDI-TOF MS per la verifica dell’avvenuta idrolisi del maropenem è risultato un saggio fenotipico indiretto in grado di distinguere, al pari del test di Hodge modificato impiegato comunemente nella routine diagnostica in microbiologia, un ceppo produttore di carbapenemasi da un ceppo non produttore sia per scopi diagnostici che per la sorveglianza epidemiologica. L’impiego del MALDI-TOF MS ha mostrato, infatti, diversi vantaggi rispetto ai metodi convenzionali (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia) impiegati nella routine diagnostica di laboratorio i quali richiedono personale esperto per l’interpretazione del risultato e lunghi tempi di esecuzione e di conseguenza di refertazione. La semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questa tecnica un metodo accurato e rapido. Inoltre, il metodo risulta conveniente dal punto di vista economico, con un costo totale stimato di 1,00 euro per ceppo analizzato. Tutte queste considerazioni pongono questa metodologia in posizione centrale in ambito microbiologico anche nel caso del rilevamento di ceppi produttori di carbapenemasi. Indipendentemente dall’approccio identificativo utilizzato, comparato con i metodi convenzionali il MALDI-TOF MS conferisce in molti casi un guadagno in termini di tempo di lavoro tecnico (procedura pre-analititca per la preparazione dei campioni) e di tempo di ottenimento dei risultati (procedura analitica automatizzata). Questo risparmio di tempo si accentua quando sono analizzati in contemporanea un maggior numero di isolati. Inoltre, la semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questo un metodo di identificazione accurato e rapido risultando più conveniente anche dal punto di vista economico, con un costo totale di 0,50 euro (materiale consumabile) per ceppo analizzato. I risultati ottenuti dimostrano che la spettrometria di massa MALDI-TOF sta diventando uno strumento importante in microbiologia clinica e sperimentale, data l’elevata efficacia identificativa, grazie alla disponibilità sia di nuove banche dati commerciali sia di aggiornamenti delle stesse da parte di diversi utenti, e la possibilità di rilevare con successo anche se in modo indiretto le antibiotico-resistenze.

Dalla catalisi all’inibizione della crescita da contatto: le molteplici funzioni di O-acetilserina sulfidrilasi batterica

CysK, uno degli isoenzimi di O-acetilserina sulfidrilasi (OASS) presenti in piante e batteri, è un enzima studiato da molto tempo ed il suo ruolo fisiologico nella sintesi della cisteina è stato ben definito. Recentemente sono state scoperte altre funzioni apparentemente non collegate alla sua funzione enzimatica (moonlighting). Una di queste è l’attivazione di una tossina ad attività tRNAsica, CdiA-CT, coinvolta nel sistema di inibizione della crescita da contatto (CDI) di ceppi patogeni di E. coli. In questo progetto abbiamo studiato il ruolo di CysK nel sistema CDI e la formazione di complessi con due differenti partner proteici: CdiA-CT e CysE (serina acetiltransferasi, l’enzima che catalizza la reazione precedente nella biosintesi della cisteina). I due complessi hanno le stesse caratteristiche spettrofluorimetriche e affinità molto simili, ma la cinetica di raggiungimento dell’equilibrio per il complesso tossina:CysK è più lenta che per il complesso CysE:CysK (cisteina sintasi). In entrambi i casi la formazione veloce di un complesso d’incontro è seguita da un riarrangiamento conformazionale che porta alla formazione di un complesso ad alta affinità. L’efficienza di formazione del complesso cisteina sintasi è circa 200 volte maggiore rispetto al complesso CysK:tossina. Una differenza importante, oltre alla cinetica di formazione dei complessi, è la stechiometria di legame. Infatti mentre CysE riesce a legare solo uno dei due siti attivi del dimero di CysK, nel complesso con CdiA-CT entrambi i siti attivi dell’enzima risultano essere occupati. Le cellule isogeniche esprimono un peptide inibitore della tossina (CdiI), e sono quindi resistenti all’azione tRNAsica. Tuttavia, siccome CdiI non altera la formazione del complesso CdiA-CT:CysK, CdiA-CT può esercitare comunque un ruolo nel metabolismo della cisteina e quindi nella fitness dei batteri isogenici, attraverso il legame e l'inibizione di CysK e la competizione con CysE. La via biosintetica della cisteina, un precursore di molecole riducenti, risulta essere molto importante per i batteri soprattutto in condizioni avverse come all’interno dei macrofagi nelle infezioni persistenti. Perciò questa via metabolica è di interesse per lo sviluppo di nuovi antibiotici, e in particolare le due isoforme dell’OASS negli enterobatteri, CysK e CysM, sono potenziali target per lo sviluppo di nuove molecole ad azione antibatterica. Partendo dall’analisi delle modalità di interazione con CysK del suo partner ed inibitore fisiologico, CysE, si è studiato dapprima l’interazione di pentapeptidi che mimassero la regione C-terminale di quest'ultimo, e in base ai dati ottenuti sono stati sviluppati piccoli ligandi sintetici. La struttura generale di questi composti è costituita da un gruppo acido ed un gruppo lipofilo, separati da un linker ciclopropanico che mantiene questi due gruppi in conformazione trans, ottimale per l’interazione col sito attivo dell’enzima. Sulla base di queste considerazioni, di docking in silico e di dati sperimentali ottenuti con la tecnica dell’STD-NMR e con saggi di binding spettrofluorimetrici, si è potuta realizzare una analisi di relazione struttura-attività che ha portato via via all’ottimizzazione dei ligandi. Il composto più affine che è stato finora ottenuto ha una costante di dissociazione nel range del nanomolare per entrambe le isoforme, ed è un ottimo punto di partenza per lo sviluppo di nuovi farmaci.

Growth, viral production and metabolism of a Helicoverpa zea cell line in serum-free culture

Insect cell cultures have been extensively utilised for means of production for heterologous proteins and biopesticides. Spodoptera frugiperda (Sf9) and Trichoplusia ni (High Five(TM)) cell lines have been widely used for the production of recombinant proteins, thus metabolism of these cell lines have been investigated thoroughly over recent years. The Helicoverpa zea cell line has potential use for the production of a biopesticide, specifically the Helicoverpa armigera single-nucleocapsid nucleopolyhedrovirus (HaSNPV). The growth, virus production, nutrient consumption and waste production of this cell line was investigated under serum-free culture conditions, using SF900II and a low cost medium prototype (LCM). The cell growth ( growth rates and population doubling time) was comparable in SF900II and LCM, however, lower biomass and cell specific virus yields were obtained in LCM. H. zea cells showed a preference for asparagine over glutamine, similar to the High Five(TM) cells. Ammonia was accumulated to significantly high levels (16 mM) in SF900II, which is an asparagine and glutamine rich medium. However, given the absence of asparagine and glutamine in the medium ( LCM), H. zea cells adapted and grew well in the absence of these substrates and no accumulation of ammonia was observed. The adverse effect of ammonia on H. zea cells is unknown since good production of biologically active HaSNPV was achieved in the presence of high ammonia levels. H. zea cells showed a preference for maltose even given an abundance supply of free glucose. Accumulation of lactate was observed in H. zea cell cultures.

Engineering mRNA translation initiation to enhance transient gene expression in Chinese hamster ovary cells

To increase transient expression of recombinant proteins in Chinese hamster ovary cells, we have engineered their protein synthetic capacity by directed manipulation of mRNA translation initiation. To control this process we constructed a nonphosphorylatable Ser51Ala site-directed mutant of eIF2, a subunit of the trimeric eIF2 complex that is implicated in regulation of the global rate of mRNA translation initiation in eukaryotic cells. Phosphorylation of eIF2 by protein kinases inhibits eIF2 activity and is known to increase as cells perceive a range of stress conditions. Using single-and dual-gene plasmids introduced into CHO cells by electroporation, we found that transient expression of the eIF2 Ser51Ala mutant with firefly luciferase resulted in a 3-fold increase in reporter activity, relative to cells transfected with reporter only. This effect was maintained in transfected cells for at least 48 h after transfection. Expression of the wild-type eIF2 protein had no such effect. Elevated luciferase activity was associated with a reduction in the level of eIF2 phosphorylation in cells transfected with the mutant eIF2 construct. Transfection of CHO cells with the luciferase-only construct resulted in a marked decrease in the global rate of protein synthesis in the whole cell population 6 h post-transfection. However, expression of the mutant Ser51Ala or wild-type eIF2 proteins restored the rate of protein synthesis in transfected cells to a level equivalent to or exceeding that of control cells. Associated with this, entry of plasmid DNA into cells during electroporation was visualized by confocal microscopy using a rhodamine-labeled plasmid construct expressing green fluorescent protein. Six hours after transfection, plasmid DNA was present in all cells, albeit to a variable extent. These data suggest that entry of naked DNA into the cell itself functions to inhibit protein synthesis by signaling mechanisms affecting control of mRNA translation by eIF2. This work therefore forms the basis of a rational strategy to generically up-regulate transient expression of recombinant proteins by simultaneous host cell engineering.