Development of micro-electrospray mass spectrometry for ultra high sensitivity and application in the study of drugs of abuse on endogenous \lbrack Met\rbrack $\sp5$-enkephalin release

A micro-electrospray interface was developed specifically for the neurobiological applications described in this dissertation. Incorporation of a unique nano-flow liquid chromatography micro-electrospray "needle" into the micro-electrospray interface (micro-ES/MS) increased the sensitivity of the mass spectrometric assay by $\sim$1000 fold and thus permitted the first analysis of specific neuroactive compounds in brain extracellular fluid collected by in vivo microdialysis (Md).^ Initial in vivo data presented deals with the pharmacodynamics of a novel GABA$\sb{\rm B}$ antagonist and the availability of the compound in its parent (unmetabolized) form to the brain of the anesthetized rat. Next, the first structurally specific endogenous release of (Met) $\sp5$-enkephalin was demonstrated in unanesthetized freely-moving animals (release of $\sim$6.5 fmole of (Met) $\sp5$-enkephalin into the dialysate by direct neuronal depolarization). The Md/micro-ES/MS system was used to test the acute effects of drugs of abuse on the endogenous release of (Met) $\sp5$-enkephalin from the globus pallidus/ventral pallidum brain region in rats. Four drugs known to be abused by man (morphine, cocaine, methamphetamine and diazepam) were tested. Morphine and cocaine both elicited a two-fold or more increase in the release of (Met) $\sp5$-enkephalin over vehicle controls. Diazepam elicited a small decrease in (Met) $\sp5$-enkephalin levels and methamphetamine showed no significant effect on (Met) $\sp5$-enkephalin. These results imply that (Met) $\sp5$-enkephalin may be involved in the reward pathway of certain drugs of abuse. ^

Development of combined micro -preparation, separation, and mass spectrometry methods and application in the microdialysis study of neuropeptide metabolism

Two sets of mass spectrometry-based methods were developed specifically for the in vivo study of extracellular neuropeptide biochemistry. First, an integrated micro-concentration/desalting/matrix-addition device was constructed for matrix-assisted laser desorption ionization mass spectrometry (MALDI MS) to achieve attomole sensitivity for microdialysis samples. Second, capillary electrophoresis (CE) was incorporated into the above micro-liquid chromatography (LC) and MALDI MS system to provide two-dimensional separation and identification (i.e. electrophoretic mobility and molecular mass) for the analysis of complex mixtures. The latter technique includes two parts of instrumentation: (1) the coupling of a preconcentration LC column to the inlet of a CE capillary, and (2) the utilization of a matrix-precoated membrane target for continuous CE effluent deposition and for automatic MALDI MS analysis (imaging) of the CE track.^ Initial in vivo data reveals a carboxypeptidase A (CPA) activity in rat brain involved in extracellular neurotensin metabolism. Benzylsuccinic acid, a CPA inhibitor, inhibited neurotensin metabolite NT1-12 formation by 70%, while inhibitors of other major extracellular peptide metabolizing enzymes increased NT1-12 formation. CPA activity has not been observed in previous in vitro experiments. Next, the validity of the methodology was demonstrated in the detection and structural elucidation of an endogenous neuropeptide, (L)VV-hemorphin-7, in rat brain upon ATP stimulation. Finally, the combined micro-LC/CE/MALDI MS was used in the in vivo metabolic study of peptide E, a mu-selective opioid peptide with 25 amino acid residues. Profiles of 88 metabolites were obtained, their identity being determined by their mass-to-charge ratio and electrophoretic mobility. The results indicate that there are several primary cleavage sites in vivo for peptide E in the release of its enkephalin-containing fragments. ^

Comparison of metaheuristic strategies for peakbin selection in proteomic mass spectrometry data

Mass spectrometry (MS) data provide a promising strategy for biomarker discovery. For this purpose, the detection of relevant peakbins in MS data is currently under intense research. Data from mass spectrometry are challenging to analyze because of their high dimensionality and the generally low number of samples available. To tackle this problem, the scientific community is becoming increasingly interested in applying feature subset selection techniques based on specialized machine learning algorithms. In this paper, we present a performance comparison of some metaheuristics: best first (BF), genetic algorithm (GA), scatter search (SS) and variable neighborhood search (VNS). Up to now, all the algorithms, except for GA, have been first applied to detect relevant peakbins in MS data. All these metaheuristic searches are embedded in two different filter and wrapper schemes coupled with Naive Bayes and SVM classifiers.

DNA-bound transcription factor complexes analysed by mass-spectrometry: binding of novel proteins to the human c-fos SRE and related sequences

Transcription factors control eukaryotic polymerase II function by influencing the recruitment of multiprotein complexes to promoters and their subsequent integrated function. The complexity of the functional ‘transcriptosome’ has necessitated biochemical fractionation and subsequent protein sequencing on a grand scale to identify individual components. As a consequence, much is now known of the basal transcription complex. In contrast, less is known about the complexes formed at distal promoter elements. The c-fos SRE, for example, is known to bind Serum Response Factor (SRF) and ternary complex factors such as Elk-1. Their interaction with other factors at the SRE is implied but, to date, none have been identified. Here we describe the use of mass-spectrometric sequencing to identify six proteins, SRF, Elk-1 and four novel proteins, captured on SRE duplexes linked to magnetic beads. This approach is generally applicable to the characterisation of nucleic acid-bound protein complexes and the post-translational modification of their components.

Direct measurement of oligonucleotide binding stoichiometry of gene V protein by mass spectrometry.

The binding stoichiometry of gene V protein from bacteriophage f1 to several oligonucleotides was studied using electrospray ionization-mass spectrometry (ESI-MS). Using mild mass spectrometer interface conditions that preserve noncovalent associations in solution, gene V protein was observed as dimer ions from a 10 mM NH4OAc solution. Addition of oligonucleotides resulted in formation of protein-oligonucleotide complexes with stoichiometry of approximately four nucleotides (nt) per protein monomer. A 16-mer oligonucleotide gave predominantly a 4:1 (protein monomer: oligonucleotide) complex while oligonucleotides shorter than 15 nt showed stoichiometries of 2:1. Stoichiometries and relative binding constants for a mixture of oligonucleotides were readily measured using mass spectrometry. The binding stoichiometry of the protein with the 16-mer oligonucleotide was measured independently using size-exclusion chromatography and the results were consistent with the mass spectrometric data. These results demonstrate, for the first time, the observation and stoichiometric measurement of protein-oligonucleotide complexes using ESI-MS. The sensitivity and high resolution of ESI-MS should make it a useful too] in the study of protein-DNA interactions.

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.

Innovative analytical strategies for the development of sensor devices and mass spectrometry methods

Il lavoro presentato in questa tesi di Dottorato è incentrato sullo sviluppo di strategie analitiche innovative basate sulla sensoristica e su tecniche di spettrometria di massa in ambito biologico e della sicurezza alimentare. Il primo capitolo tratta lo studio di aspetti metodologici ed applicativi di procedure sensoristiche per l’identificazione e la determinazione di biomarkers associati alla malattia celiaca. In tale ambito, sono stati sviluppati due immunosensori, uno a trasduzione piezoelettrica e uno a trasduzione amperometrica, per la rivelazione di anticorpi anti-transglutaminasi tissutale associati a questa malattia. L’innovazione di questi dispositivi riguarda l’immobilizzazione dell’enzima tTG nella conformazione aperta (Open-tTG), che è stato dimostrato essere quella principalmente coinvolta nella patogenesi. Sulla base dei risultati ottenuti, entrambi i sistemi sviluppati si sono dimostrati una valida alternativa ai test di screening attualmente in uso per la diagnosi della celiachia. Rimanendo sempre nel contesto della malattia celiaca, ulteriore ricerca oggetto di questa tesi di Dottorato, ha riguardato lo sviluppo di metodi affidabili per il controllo di prodotti “gluten-free”. Il secondo capitolo tratta lo sviluppo di un metodo di spettrometria di massa e di un immunosensore competitivo per la rivelazione di prolammine in alimenti “gluten-free”. E’ stato sviluppato un metodo LC-ESI-MS/MS basato su un’analisi target con modalità di acquisizione del segnale selected reaction monitoring per l’identificazione di glutine in diversi cereali potenzialmente tossici per i celiaci. Inoltre ci si è focalizzati su un immunosensore competitivo per la rivelazione di gliadina, come metodo di screening rapido di farine. Entrambi i sistemi sono stati ottimizzati impiegando miscele di farina di riso addizionata di gliadina, avenine, ordeine e secaline nel caso del sistema LC-MS/MS e con sola gliadina nel caso del sensore. Infine i sistemi analitici sono stati validati analizzando sia materie prime (farine) che alimenti (biscotti, pasta, pane, etc.). L’approccio sviluppato in spettrometria di massa apre la strada alla possibilità di sviluppare un test di screening multiplo per la valutazione della sicurezza di prodotti dichiarati “gluten-free”, mentre ulteriori studi dovranno essere svolti per ricercare condizioni di estrazione compatibili con l’immunosaggio competitivo, per ora applicabile solo all’analisi di farine estratte con etanolo. Terzo capitolo di questa tesi riguarda lo sviluppo di nuovi metodi per la rivelazione di HPV, Chlamydia e Gonorrhoeae in fluidi biologici. Si è scelto un substrato costituito da strips di carta in quanto possono costituire una valida piattaforma di rivelazione, offrendo vantaggi grazie al basso costo, alla possibilità di generare dispositivi portatili e di poter visualizzare il risultato visivamente senza la necessità di strumentazioni. La metodologia sviluppata è molto semplice, non prevede l’uso di strumentazione complessa e si basa sull’uso della isothermal rolling-circle amplification per l’amplificazione del target. Inoltre, di fondamentale importanza, è l’utilizzo di nanoparticelle colorate che, essendo state funzionalizzate con una sequenza di DNA complementare al target amplificato derivante dalla RCA, ne permettono la rivelazione a occhio nudo mediante l’uso di filtri di carta. Queste strips sono state testate su campioni reali permettendo una discriminazione tra campioni positivi e negativi in tempi rapidi (10-15 minuti), aprendo una nuova via verso nuovi test altamente competitivi con quelli attualmente sul mercato.

Identification and characterization of periplasmic proteins implicated in the adaptation of Helicobacter pylori to the human gastric niche

Helicobacter pylori è un batterio Gram-negativo in grado di colonizzare la mucosa gastrica umana e persistere per l'intero arco della vita dell'ospite. E' associato a patologie gastrointestinali, quali gastrite cronica, ulcere gastriche e duodenali, adenocarcinomi e linfomi gastrici. Si tratta di uno dei patogeni più diffusi, presente in circa metà della popolazione mondiale, e il solo che si è adattato a vivere nell'ambiente ostile dello stomaco umano. Molteplici sono i fattori di virulenza che permettono al batterio la colonizzazione della nicchia gastrica e contribuiscono, anche attraverso l' induzione di una risposta infiammatoria, a profonde modificazioni dell' omeostasi gastrica. Queste ultime si associano, ad esempio, all'iperproduzione di fattori proinfiammatori, ad alterazioni sia della regolazione della secrezione acida gastrica sia del ciclo cellulare e della morte cellulare programmata (apoptosi) delle cellule epiteliali gastriche, a disordini nel metabolismo del ferro e a carenze di elementi essenziali. Studi sulla diversità genetica di H. pylori osservata in ceppi isolati da varie regioni del mondo, dimostrano che tale batterio ha avuto una coevoluzione col genere umano attraverso la storia, ed è verosimile che H. pylori sia stato un costituente del microbiota gastrico per almeno 50.000 anni. Scopo della tesi è stato quello di identificare e caratterizzare proteine importanti per la colonizzazione e l'adattamento di H. pylori alla nicchia gastrica. In particolare gli sforzi si sono concentrati su due proteine periplasmatiche, la prima coinvolta nella difesa antiossidante (l'enzima catalasi-like, HP0485), e la seconda nel trasporto di nutrienti presenti nell'ambiente dello stomaco all'interno della cellula (la componente solubile di un ABC transporter, HP0298). La strategia utilizzata prevede un'analisi bioinformatica preliminare, l'ottenimento del gene per amplificazione, mediante PCR, dal genoma dell'organismo, la costruzione di un vettore per il clonaggio, l'espressione eterologa in E. coli e la successiva purificazione. La proteina così ottenuta viene caratterizzata mediante diverse tecniche, quali spettroscopia UV, dicroismo circolare, gel filtrazione analitica, spettrometria di massa. Il capitolo 1 contiene un'introduzione generale sul batterio, il capitolo 2 e il capitolo 3 descrivono gli studi relativi alle due proteine e sono entrambi suddivisi in un abstract iniziale, un'introduzione, la presentazione dei risultati, la discussione di questi ultimi, i materiali e i metodi utilizzati. La catalasi-like (HP0485) è una proteina periplasmatica con struttura monomerica, appartenente ad una famiglia di enzimi a funzione per la maggior parte sconosciuta, ma evolutivamente correlati alla ben nota catalasi, attore fondamentale nella difesa di H. pylori, grazie alla sua azione specifica di rimozione dell'acqua ossigenata. HP0485, pur conservando il fold catalasico e il legame al cofattore eme, non può compiere la reazione di dismutazione dell'acqua ossigenata; possiede invece un'attività perossidasica ad ampio spettro, essendo in grado di accoppiare la riduzione del perossido di idrogeno all'ossidazione di diversi substrati. Come la catalasi, lavora ad alte concentrazioni di aqua ossigenata e non arriva a saturazione a concentrazioni molto elevate di questo substrato (200 mM); la velocità di reazione catalizzata rimane lineare anche a questi valori, aspetto che la differenzia dalle perossidasi che vengono in genere inattivate da concentrazioni di perossido di idrogeno superiori a 10-50 mM. Queste caratteristiche di versatilità e robustezza suggeriscono che la catalasi-like abbia un ruolo di scavenger dell'acqua ossigenata e probabilmente anche un'altra funzione connessa al suo secondo substrato, ossia l'ossidazione di composti nello spazio periplasmatico cellulare. Oltre alla caratterizzazione dell'attività è descritta anche la presenza di un ponte disolfuro, conservato nelle catalasi-like periplasmatiche, con un ruolo nell'assemblaggio dell'eme per ottenere un enzima attivo e funzionale. La proteina periplasmatica HP0298, componente di un sistema di trasporto ABC, è classificata come trasportatore di dipeptidi e appartiene a una famiglia di proteine in grado di legare diversi substrati, tra cui di- e oligopeptidi, nichel, eme, glutatione. Benchè tutte associate a trasportatori di membrana batterici, queste proteine presentano un dominio di legame al substrato che risulta essere conservato nei domini extracellulari di recettori specifici di mammifero e uomo. Un esempio sono i recettori ionotropici e metabotropici del sistema nervoso. Per caratterizzare questa proteina è stato messo a punto un protocollo di ligand-fishing accoppiato alla spettrometria di massa. La proteina purificata, avente un tag di istidine, è stata incubata con un estratto cellulare di H. pylori per poter interagire con il suo substrato specifico all'interno dell'ambiente naturale in cui avviene il legame. Il complesso proteina-ligando è stato poi purificato per cromatografia di affinità e analizzato mediante HPLC-MS. L'identificazione dei picchi differenziali tra campioni con la proteina e 5 campioni di controllo ha portato alla caratterizzazione di pentapeptidi particolarmente ricchi in aminoacidi idrofobici e con almeno un residuo carico negativamente. Considerando che H. pylori necessita di alcuni aminoacidi essenziali, per la maggior parte idrofobici, e che lo stomaco umano è particolarmente ricco di peptidi prodotti dalla digestione delle proteine introdotte con il cibo, il ruolo fisiologico di HP0298 potrebbe essere l'internalizzazione di peptidi, con caratteristiche specifiche di lunghezza e composizione, che sono naturalmente presenti nella nicchia gastrica.