Phenotypic consequences of lung-specific inducible expression of FGF-3

Members of the fibroblast growth factor (FGF) family play a critical role in embryonic lung development and adult lung physiology. The in vivo investigation of the role FGFs play in the adult lung has been hampered because the constitutive pulmonary expression of these factors often has deleterious effects and frequently results in neonatal lethality. To circumvent these shortcomings, we expressed FGF-3 in the lungs under the control of the progesterone antagonist-responsive binary transgenic system. Four binary transgenic lines were obtained that showed ligand-dependent induction of FGF-3 with induced levels of FGF-3 expression dependent on the levels of expression of the GLp65 regulator as well as the dose of the progesterone antagonist, RU486, administered. FGF-3 expression in the adult mouse lung resulted in two phenotypes depending on the levels of induction of FGF-3. Low levels of FGF-3 expression resulted in massive free alveolar macrophage infiltration. High levels of FGF-3 expression resulted in diffuse alveolar type II cell hyperplasia. Both phenotypes were reversible after the withdrawal of RU486. This system will be a valuable means of investigating the diverse roles of FGFs in the adult lung.

Evolvability

Evolvability is an organism’s capacity to generate heritable phenotypic variation. Metazoan evolution is marked by great morphological and physiological diversification, although the core genetic, cell biological, and developmental processes are largely conserved. Metazoan diversification has entailed the evolution of various regulatory processes controlling the time, place, and conditions of use of the conserved core processes. These regulatory processes, and certain of the core processes, have special properties relevant to evolutionary change. The properties of versatile protein elements, weak linkage, compartmentation, redundancy, and exploratory behavior reduce the interdependence of components and confer robustness and flexibility on processes during embryonic development and in adult physiology. They also confer evolvability on the organism by reducing constraints on change and allowing the accumulation of nonlethal variation. Evolvability may have been generally selected in the course of selection for robust, flexible processes suitable for complex development and physiology and specifically selected in lineages undergoing repeated radiations.

Phenotypic variation and intracellular parasitism by Histoplasma capsulatum

The success of Histoplasma capsulatum as an intracellular pathogen depends completely on successful conversion of the saprophytic mycelial (mold) form of this fungus to a parasitic yeast form. It is therefore not surprising that yeast phase-specific genes and gene products are proving to be important for survival and proliferation of H. capsulatum within macrophages. In this study, we have focused on the role and regulation of two yeast-specific characteristics: α-(1,3)-glucan, a cell wall polysaccharide modulated by cell-density (quorum) sensing, and a secreted calcium-binding protein (CBP) that is essential for pathogenicity.

Leukemia inhibitory factor induces differentiation of pituitary corticotroph function: an immuno-neuroendocrine phenotypic switch.

Leukemia inhibitory factor (LIF) promotes differentiated cell function in several systems. We recently reported LIF and LIF receptor expression in human fetal pituitary corticotrophs in vivo and demonstrated LIF stimulation of adrenocorticotrophin (ACTH) transcription in vitro, suggesting a role for LIF in corticotroph development. We therefore assessed the action of LIF on proliferating murine corticotroph cells (AtT20). LIF impairs proliferation of AtT20 cells (25% reduction versus control, P < 0.03), while simultaneously enhancing ACTH secretion (2-fold, P < 0.001) and augmenting ACTH responsiveness to corticotrophin-releasing hormone (CRH) action (4-fold, P < 0.001). This attenuation of cell growth is due to a block of cell cycle progression from G1 into S phase, as measured by flow cytometric analysis (24 +/- 0.8 versus 11.57 +/- 1.5, P < 0.001). Using bromodeoxyuridine incorporation assays, loss of cells in S phase was confirmed (25 +/- 0.08 to 9.4 +/- 1.4, P < 0.008). In contrast, CRH induced the G2/M phase (3.6 +/- 0.2 to 15.4 +/- 3, P < 0.001). This effect was blunted by LIF (P < 0.001 versus CRH alone). Cyclin A mRNA levels, which decline in S phase, were stimulated 3.5-fold by LIF and markedly suppressed by CRH. These results indicate a LIF-induced cell cycle block occurring at G1/S in corticotroph cells. Thus, LIF reduces proliferation, enhances ACTH secretion, and potentiates effects of CRH on ACTH secretion while blocking effects of CRH on the cell cycle. Responses of these three markers of differentiated corticotroph function indicate LIF to be a differentiation factor for pituitary corticotroph cells by preferential phenotypic switching from proliferative to synthetic.

Forced expression of tropomyosin 2 or 3 in v-Ki-ras-transformed fibroblasts results in distinct phenotypic effects.

Transformation of cells in tissue culture results in a variety of cellular changes including alterations in cell growth, adhesiveness, motility, morphology, and organization of the cytoskeleton. Morphological and cytoskeletal changes are perhaps the most readily apparent features of transformed cells. Although a number of studies have documented a decrease in the expression of specific tropomyosin (TM) isoforms in transformed cells, it remains to be determined if the suppression of TM synthesis is essential in the establishment and maintenance of the transformed pheno-type. To address the roles of different TM isoforms in transformed cells we have examined the effects of expressing specific TM isoforms in transformed cells using a Kirsten virus-transformed cell line (ATCC NRK1569) as a model system. In contrast to normal fibroblasts, the NRK 1569 cells contain reduced levels of TM-1 and undetectable levels of TM-2 and TM-3. These cells have a rounded morphology and are devoid of stress fibers. Employing expression plasmids for TM-2 and TM-3, stable cell lines were established from the NRK 1569 cells that express these isoforms individually. We demonstrate that expression of TM-2 or TM-3 leads to increased cell spreading accompanied by the formation of identifiable microfilament bundles, as well as significant restoration of well-defined vinculin-containing focal adhesion plaques, although expression of each isoform exhibited distinct properties. In addition, cells expressing TM-2, but not TM-3, exhibited contact-inhibited cell growth and a requirement for serum.

Internal molecular motions of bacteriorhodopsin: hydration-induced flexibility studied by quasielastic incoherent neutron scattering using oriented purple membranes.

Quasielastic incoherent neutron scattering from hydrogen atoms, which are distributed nearly homogeneously in biological molecules, allows the investigation of diffusive motions occurring on the pico- to nanosecond time scale. A quasielastic incoherent neutron scattering study was performed on the integral membrane protein bacteriorhodopsin (BR), which is a light-driven proton pump in Halobacterium salinarium. BR is embedded in lipids, forming patches in the cell membrane of the organism, which are the so called purple membranes (PMs). Measurements were carried out at room temperature on oriented PM-stacks hydrated at two different levels (low hydration, h = 0.03 g of D2O per g of PM; high hydration, h = 0.28 g of D2O per g of PM) using time-of-flight spectrometers. From the measured spectra, different diffusive components were identified and analyzed with respect to the influence of hydration. This study supports the idea that a decrease in hydration results in an appreciable decrease in internal molecular flexibility of the protein structure. Because it is known from studies on the function of BR that the pump activity is reduced if the hydration level of the protein is insufficient, we conclude that the observed diffusive motions are essential for the function of this protein. A detailed analysis and classification of the different kinds of diffusive motions, predominantly occurring in PMs under physiological conditions, is presented.

Phenotypic and physiologic characterization of transgenic mice expressing interleukin 4 in the lung: lymphocytic and eosinophilic inflammation without airway hyperreactivity.

To investigate the contribution of interleukin-4 (IL-4) to airway inflammation in vivo and to explore directly its relationship to airway reactivity, we created transgenic mice in which the murine cDNA for IL-4 was regulated by the rat Clara cell 10 protein promoter. Expression was detected only in the lung and not in thymus, heart, liver, spleen, kidney, or uterus. The expression of IL-4 elicited hypertrophy of epithelial cells of the trachea, bronchi, and bronchioles. Hypertrophy is due, at least in part, to the accumulation of mucus glycoprotein. Histologic examination of parenchyma revealed multinucleated macrophages and occasional islands of cells consisting largely of eosinophils or lymphocytes. Analysis of lung lavage fluid revealed the presence of a leukocytic infiltrate consisting of lymphocytes, neutrophils and eosinophils. Mice expressing IL-4 had greater baseline airway resistance but did not demonstrate hyperreactivity to methacholine. Thus, the expression of IL-4 selectively within the lung elicits an inflammatory response characterized by epithelial cell hypertrophy, and the accumulation of macrophages, lymphocytes, eosinophils, and neutrophils without resulting in an alteration in airway reactivity to inhaled methacholine.

Phenotypic analysis of mice expressing exclusively apolipoprotein B48 or apolipoprotein B100.

Apolipoprotein (apo)-B is found in two forms in mammals: apo-B100, which is made in the liver and the yolk sac, and apo-B48, a truncated protein made in the intestine. To provide models for understanding the physiologic purpose for the two forms of apo-B, we used targeted mutagenesis of the apo-B gene to generate mice that synthesize exclusively apo-B48 (apo-B48-only mice) and mice that synthesize exclusively apo-B100 (apo-B100-only mice). Both the apo-B48-only mice and apo-B100-only mice developed normally, were healthy, and were fertile. Thus, apo-B48 synthesis was sufficient for normal embryonic development, and the synthesis of apo-B100 in the intestines of adult mice caused no readily apparent adverse effects on intestinal function or nutrition. Compared with wild-type mice fed a chow diet, the levels of low density lipoprotein (LDL)-cholesterol and very low density lipoprotein- and LDL-triacylglycerols were lower in apo-B48-only mice and higher in the apo-B100-only mice. In the setting of apo-E-deficiency, the apo-B100-only mutation lowered cholesterol levels, consistent with the fact that apo-B100-lipoproteins can be cleared from the plasma via the LDL receptor, whereas apo-B48-lipoproteins lacking apo-E cannot. The apo-B48-only and apo-B100-only mice should prove to be valuable models for experiments designed to understand the purpose for the two forms of apo-B in mammalian metabolism.

Phenotypic variations among paternal centrosomes expressed within the zygote as disparate microtubule lengths and sperm aster organization: correlations between centrosome activity and developmental success.

This study describes a paternal effect on sperm aster size and microtubule organization during bovine fertilization. Immunocytochemistry using tubulin antibodies quantitated with confocal microscopy was used to measure the diameter of the sperm aster and assign a score (0-3) based on the degree of radial organization (0, least organized; 3, most organized). Three bulls (A-C) were chosen based on varying fertility (A, lowest fertility; C, highest fertility) as assessed by nonreturn to estrus after artificial insemination and in vitro embryonic development to the blastocyst stage. The results indicate a statistically significant bull-dependent difference in diameter of the sperm aster and in the organization of the sperm astral microtubules. Insemination from bull A resulted in an average sperm aster diameter of 101.4 microm (76.3% of oocyte diameter). This significantly differs (P < or = 0.0001) from the average sperm aster diameters produced after inseminations from bull B (78.2 microm; 60.8%) or bull C (77.9 microm; 57.8%), which themselves displayed no significant differences. The degree of radial organization of the sperm aster was also bull-dependent. Sperm asters organized by bull A-derived sperm had an average quality score of 1.8, which was higher than that of bull B (1.4; P < or = 0.0005) or bull C (1.2; P < or = 0.0001). Results with bulls B and C were also significantly different (P < or = 0.025). These results indicate that the paternally derived portion of the centrosome varies among males and that this variation affects male fertility, the outcome of early development, and, therefore, reproductive success.

Complex flexibility of the transforming growth factor beta superfamily.

The transforming growth factors beta (TGF-beta s) are important modulators of growth and differentiation. They are intermolecular disulfide-bonded homodimeric molecules. The monomer fold has a conserved cystine knot and lacks a hydrophobic core. The biological specificity of a given member of the family is believed to be determined by the conformational flexibility of the variable loop regions of the monomer. The monomer subunit assembly in the dimer is stabilized mainly by hydrophobic contacts and a few hydrogen bonds. Since these interactions are nondirectional, we examined subunit assemblies of TGF-beta by using conformational analysis. The different subunit assemblies in TGF-beta 2 dimer were characterized in terms of the intersubunit disulfide torsion. Our analyses show that the subunit assemblies fall into two states: the crystallographically observed gauche+conformation and the previously not reported gauche--conformation, both having almost identical interaction energies. Furthermore, there is significant flexibility in the subunit assembly within the gauche+ and the gauche- states of the disulfide bond. The monomer subunit assembly is independent of the variations about the loop regions. The variations in the loop regions, coupled with flexibility in the monomer assembly, lead to a complex flexibility in the dimer of the TGF-beta superfamily. For the TGF-beta superfamily, the cystine knot acts as a scaffold and complex flexibility provides for biological selectivity. Complex flexibility might provide an explanation for the diverse range of biological activities that these important molecules display.

Phenotypic knockout of the high-affinity human interleukin 2 receptor by intracellular single-chain antibodies against the alpha subunit of the receptor.

The experimental manipulation of peptide growth hormones and their cellular receptors is central to understanding the pathways governing cellular signaling and growth control. Previous work has shown that intracellular antibodies targeted to the endoplasmic reticulum (ER) can be used to capture specific proteins as they enter the ER, preventing their transport to the cell surface. Here we have used this technology to inhibit the cell surface expression of the alpha subunit of the high-affinity interleukin 2 receptor (IL-2R alpha). A single-chain variable-region fragment of the anti-Tac monoclonal antibody was constructed with a signal peptide and a C-terminal ER retention signal. Intracellular expression of the single-chain antibody was found to completely abrogate cell surface expression of IL-2R alpha in stimulated Jurkat T cells. IL-2R alpha was detectable within the Jurkat cells as an immature 40-kDa form that was sensitive to endoglycosidase H, consistent with its retention in a pre- or early Golgi compartment. A single-chain antibody lacking the ER retention signal was also able to inhibit cell surface expression of IL-2R alpha although the mechanism appeared to involve rapid degradation of the receptor chain within the ER. These intracellular antibodies will provide a valuable tool for examining the role of IL-2R alpha in T-cell activation, IL-2 signal transduction, and the deregulated growth of leukemic cells which overexpress IL-2R alpha.

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.

Mechanistic Importance of Redox Potentials and Conformational Flexibility in Electron-Transferring Flavoproteins

The mitochondrial matrix flavoproteins electron transfer flavoprotein (ETF) and electron transfer flavoprotein-ubiquinone oxidoreductase (ETF-QO) are responsible for linking fatty acid β-oxidation with the main mitochondrial respiratory chain. Electrons derived from flavoprotein dehydrogenases are transferred sequentially through ETF and ETF-QO to ubiquinone and then into the respiratory chain via complex III. In this study, the effects of changes in ETF-QO redox potentials on its activity and the conformational flexibility of ETF were investigated. ETF-QO contains one [4Fe-4S]2+,1+ and one flavin adenine dinucleotide (FAD). In the porcine protein, threonine 367 is hydrogen bonded to N1 and O2 of the flavin ring of the FAD. The analogous site in Rhodobacter sphaeroides ETF-QO is asparagine 338. Mutations N338T and N338A were introduced into the R. sphaeroides protein by site-directed mutagenesis to determine the impact of hydrogen bonding at this site on redox potentials and activity. FAD redox potentials were measured by potentiometric titration probed by electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. The N338T and N338A mutations lowered the midpoint potentials, which resulted in a decrease in the quinone reductase activity and negligible impact on disproportionation of ETF1e- catalyzed by ETF-QO. These observations indicate that the FAD is involved in electron transfer to ubiquinone, but not in electron transfer from ETF to ETF-QO. Therefore it is proposed that the iron-sulfur cluster is the immediate acceptor from ETF. It has been proposed that the αII domain of ETF is mobile, allowing promiscuous interactions with structurally different partners. Double electron-electron resonance (DEER) was used to measure the distance between spin labels at various sites and an enzymatically reduced FAD cofactor in Paracoccus denitrificans ETF. Two or three interspin distance distributions were observed for spin-labels in the αI (A43C) and βIII (A111C) domains, but only one is observed for a label in the βII (A210C) domain. This suggests that the αII domain adopts several stable conformations which may correspond to a closed/inactive conformation and an open/active conformation. An additional mutation, E162A, was introduced to increase the mobility of the αII domain. The E162A mutation doubled the activity compared to wild-type and caused the distance distributions to become wider. The DEER method has the potential to characterize conformational changes in ETF that occur when it interacts with various redox partners.

Enrichment of the Phenotypic and Genotypic Data Warehouse analysis using Question Answering systems to facilitate the decision making process in cereal breeding programs

Currently there are an overwhelming number of scientific publications in Life Sciences, especially in Genetics and Biotechnology. This huge amount of information is structured in corporate Data Warehouses (DW) or in Biological Databases (e.g. UniProt, RCSB Protein Data Bank, CEREALAB or GenBank), whose main drawback is its cost of updating that makes it obsolete easily. However, these Databases are the main tool for enterprises when they want to update their internal information, for example when a plant breeder enterprise needs to enrich its genetic information (internal structured Database) with recently discovered genes related to specific phenotypic traits (external unstructured data) in order to choose the desired parentals for breeding programs. In this paper, we propose to complement the internal information with external data from the Web using Question Answering (QA) techniques. We go a step further by providing a complete framework for integrating unstructured and structured information by combining traditional Databases and DW architectures with QA systems. The great advantage of our framework is that decision makers can compare instantaneously internal data with external data from competitors, thereby allowing taking quick strategic decisions based on richer data.