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.

Controlled oxidative protein refolding using an ion-exchange column

Column-based refolding of complex and highly disulfide-bonded proteins simplifies protein renaturation at both preparative and process scale by integrating and automating a number of operations commonly used in dilution refolding. Bovine serum albumin (BSA) was used as a model protein for refolding and oxido-shuffling on an ion-exchange column to give a refolding yield of 55 % after 40 Ih incubation. Successful on-column refolding was conducted at protein concentrations of up to 10 mg/ml and refolded protein, purified from misfolded forms, was eluted directly from the column at a concentration of 3 mg/ml. This technique integrates the dithiothreitol removal, refolding, concentration and purification steps, achieving a high level of process simplification and automation, and a significant saving in reagent costs when scaled. Importantly, the current result suggests that it is possible to controllably refold disulfide-bonded proteins using common and inexpensive matrices, and that it is not always necessary to control protein-surface interactions using affinity tags and expensive chromatographic matrices. Moreover, it is possible to strictly control the oxidative refolding environment once denatured protein is bound to the ion-exchange column, thus allowing precisely controlled oxido-shuffling. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Identification of the dominant translation start site in the attB1 sequence of the pET-DEST42 Gateway vector

Gateway technology is a powerful system for converting a single entry vector into a wide variety of expression vectors. We expressed recombinant influenza matrix protein M1 (FMP), a potent antigen for cytotoxic T cells, using the Gateway vector pET-DEST42 containing the FMP cDNA, and purified the expressed FMP as a single 32 kDa recombinant protein. N-terminal and internal protein sequencing, however, showed that the recombinant FMP contained an extra 10 amino acids fused to the N-terminal of native FMP. Further investigation of the DNA sequence adjacent to the 5'-FMP cDNA indicated that the TTG in the attB1 site (30bp upstream of the ATG in the 5'-FMP cDNA) behaved as a dominant translation start site, resulting in a 10 amino acid extension of the recombinant FMP. Thus, it is possible that recombinant proteins produced by this Gateway vector contain unexpected vector-derived peptides, which may affect experimental outcomes. (c) 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.

The economics of inclusion body processing

Many recombinant proteins are often over-expressed in host cells, such as Escherichia coli, and are found as insoluble and inactive protein aggregates known as inclusion bodies (IBs). Recently, a novel process for IB extraction and solubilisation, based on chemical extraction, has been reported. While this method has the potential to radically intensify traditional IB processing, the process economics of the new technique have yet to be reported. This study focuses on the evaluation of process economics for several IB processing schemes based on chemical extraction and/or traditional techniques. Simulations and economic analysis were conducted at various processing conditions using granulocyte macrophage-colony stimulating factor, expressed as IBs in E. coli, as a model protein. In most cases, IB processing schemes based on chemical extraction having a shorter downstream cascade demonstrated a competitive economic edge over the conventional route, validating the new process as an economically more viable alternative for IB processing.

Which yeast species shall I choose? Saccharomyces cerevisiae versus Pichia pastoris (review)

Having decided on yeast as a production host, the choice of species is often the first question any researcher new to the field will ask. With over 500 known species of yeast to date, this could pose a significant challenge. However, in reality, only very few species of yeast have been employed as host organisms for the production of recombinant proteins. The two most widely used, Saccharomyces cerevisiae and Pichia pastoris, are compared and contrasted here.

Protein-mediated isolation of plasmid DNA by a zinc finger-glutathione S-transferase affinity linker

The sequence-specific affinity chromatographic isolation of plasmid DNA from crude lysates of E. coli DH5α fermentations is addressed. A zinc finger-GST fusion protein that binds a synthetic oligonucleotide cassette containing the appropriate DNA recognition sequence is described. This cassette was inserted into the Smal site of pUC19 to enable the affinity isolation of the plasmid. It is shown that zinc finger-GST fusion proteins can bind both their DNA recognition sequence and a glutathione-derivatized solid support simultaneously. Furthermore, a simple procedure for the isolation of such plasmids from clarified cell lysates is demonstrated. Cell lysates were clarified by cross-flow Dean vortex microfiltration, and the permeate was incubated with zinc finger-GST fusion protein. The resulting complex was adsorbed directly onto glutathione-Sepharose. Analysis of the glutathione-eluted complex showed that plasmid DNA had been recovered, largely free from contamination by genomic DNA or bacterial cell proteins. © 2002 Wiley Periodicals, Inc.

Editorial overview:new protein production tools for structural biology

Full text: The idea of producing proteins from recombinant DNA hatched almost half a century ago. In his PhD thesis, Peter Lobban foresaw the prospect of inserting foreign DNA (from any source, including mammalian cells) into the genome of a λ phage in order to detect and recover protein products from Escherichia coli [ 1 and 2]. Only a few years later, in 1977, Herbert Boyer and his colleagues succeeded in the first ever expression of a peptide-coding gene in E. coli — they produced recombinant somatostatin [ 3] followed shortly after by human insulin. The field has advanced enormously since those early days and today recombinant proteins have become indispensable in advancing research and development in all fields of the life sciences. Structural biology, in particular, has benefitted tremendously from recombinant protein biotechnology, and an overwhelming proportion of the entries in the Protein Data Bank (PDB) are based on heterologously expressed proteins. Nonetheless, synthesizing, purifying and stabilizing recombinant proteins can still be thoroughly challenging. For example, the soluble proteome is organized to a large part into multicomponent complexes (in humans often comprising ten or more subunits), posing critical challenges for recombinant production. A third of all proteins in cells are located in the membrane, and pose special challenges that require a more bespoke approach. Recent advances may now mean that even these most recalcitrant of proteins could become tenable structural biology targets on a more routine basis. In this special issue, we examine progress in key areas that suggests this is indeed the case. Our first contribution examines the importance of understanding quality control in the host cell during recombinant protein production, and pays particular attention to the synthesis of recombinant membrane proteins. A major challenge faced by any host cell factory is the balance it must strike between its own requirements for growth and the fact that its cellular machinery has essentially been hijacked by an expression construct. In this context, Bill and von der Haar examine emerging insights into the role of the dependent pathways of translation and protein folding in defining high-yielding recombinant membrane protein production experiments for the common prokaryotic and eukaryotic expression hosts. Rather than acting as isolated entities, many membrane proteins form complexes to carry out their functions. To understand their biological mechanisms, it is essential to study the molecular structure of the intact membrane protein assemblies. Recombinant production of membrane protein complexes is still a formidable, at times insurmountable, challenge. In these cases, extraction from natural sources is the only option to prepare samples for structural and functional studies. Zorman and co-workers, in our second contribution, provide an overview of recent advances in the production of multi-subunit membrane protein complexes and highlight recent achievements in membrane protein structural research brought about by state-of-the-art near-atomic resolution cryo-electron microscopy techniques. E. coli has been the dominant host cell for recombinant protein production. Nonetheless, eukaryotic expression systems, including yeasts, insect cells and mammalian cells, are increasingly gaining prominence in the field. The yeast species Pichia pastoris, is a well-established recombinant expression system for a number of applications, including the production of a range of different membrane proteins. Byrne reviews high-resolution structures that have been determined using this methylotroph as an expression host. Although it is not yet clear why P. pastoris is suited to producing such a wide range of membrane proteins, its ease of use and the availability of diverse tools that can be readily implemented in standard bioscience laboratories mean that it is likely to become an increasingly popular option in structural biology pipelines. The contribution by Columbus concludes the membrane protein section of this volume. In her overview of post-expression strategies, Columbus surveys the four most common biochemical approaches for the structural investigation of membrane proteins. Limited proteolysis has successfully aided structure determination of membrane proteins in many cases. Deglycosylation of membrane proteins following production and purification analysis has also facilitated membrane protein structure analysis. Moreover, chemical modifications, such as lysine methylation and cysteine alkylation, have proven their worth to facilitate crystallization of membrane proteins, as well as NMR investigations of membrane protein conformational sampling. Together these approaches have greatly facilitated the structure determination of more than 40 membrane proteins to date. It may be an advantage to produce a target protein in mammalian cells, especially if authentic post-translational modifications such as glycosylation are required for proper activity. Chinese Hamster Ovary (CHO) cells and Human Embryonic Kidney (HEK) 293 cell lines have emerged as excellent hosts for heterologous production. The generation of stable cell-lines is often an aspiration for synthesizing proteins expressed in mammalian cells, in particular if high volumetric yields are to be achieved. In his report, Buessow surveys recent structures of proteins produced using stable mammalian cells and summarizes both well-established and novel approaches to facilitate stable cell-line generation for structural biology applications. The ambition of many biologists is to observe a protein's structure in the native environment of the cell itself. Until recently, this seemed to be more of a dream than a reality. Advances in nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy techniques, however, have now made possible the observation of mechanistic events at the molecular level of protein structure. Smith and colleagues, in an exciting contribution, review emerging ‘in-cell NMR’ techniques that demonstrate the potential to monitor biological activities by NMR in real time in native physiological environments. A current drawback of NMR as a structure determination tool derives from size limitations of the molecule under investigation and the structures of large proteins and their complexes are therefore typically intractable by NMR. A solution to this challenge is the use of selective isotope labeling of the target protein, which results in a marked reduction of the complexity of NMR spectra and allows dynamic processes even in very large proteins and even ribosomes to be investigated. Kerfah and co-workers introduce methyl-specific isotopic labeling as a molecular tool-box, and review its applications to the solution NMR analysis of large proteins. Tyagi and Lemke next examine single-molecule FRET and crosslinking following the co-translational incorporation of non-canonical amino acids (ncAAs); the goal here is to move beyond static snap-shots of proteins and their complexes and to observe them as dynamic entities. The encoding of ncAAs through codon-suppression technology allows biomolecules to be investigated with diverse structural biology methods. In their article, Tyagi and Lemke discuss these approaches and speculate on the design of improved host organisms for ‘integrative structural biology research’. Our volume concludes with two contributions that resolve particular bottlenecks in the protein structure determination pipeline. The contribution by Crepin and co-workers introduces the concept of polyproteins in contemporary structural biology. Polyproteins are widespread in nature. They represent long polypeptide chains in which individual smaller proteins with different biological function are covalently linked together. Highly specific proteases then tailor the polyprotein into its constituent proteins. Many viruses use polyproteins as a means of organizing their proteome. The concept of polyproteins has now been exploited successfully to produce hitherto inaccessible recombinant protein complexes. For instance, by means of a self-processing synthetic polyprotein, the influenza polymerase, a high-value drug target that had remained elusive for decades, has been produced, and its high-resolution structure determined. In the contribution by Desmyter and co-workers, a further, often imposing, bottleneck in high-resolution protein structure determination is addressed: The requirement to form stable three-dimensional crystal lattices that diffract incident X-ray radiation to high resolution. Nanobodies have proven to be uniquely useful as crystallization chaperones, to coax challenging targets into suitable crystal lattices. Desmyter and co-workers review the generation of nanobodies by immunization, and highlight the application of this powerful technology to the crystallography of important protein specimens including G protein-coupled receptors (GPCRs). Recombinant protein production has come a long way since Peter Lobban's hypothesis in the late 1960s, with recombinant proteins now a dominant force in structural biology. The contributions in this volume showcase an impressive array of inventive approaches that are being developed and implemented, ever increasing the scope of recombinant technology to facilitate the determination of elusive protein structures. Powerful new methods from synthetic biology are further accelerating progress. Structure determination is now reaching into the living cell with the ultimate goal of observing functional molecular architectures in action in their native physiological environment. We anticipate that even the most challenging protein assemblies will be tackled by recombinant technology in the near future.