Molecular Cloning and Characterization of a Radial Spoke Head Protein of Sea Urchin Sperm Axonemes: Involvement of the Protein in the Regulation of Sperm Motility

Monoclonal antibodies raised against axonemal proteins of sea urchin spermatozoa have been used to study regulatory mechanisms involved in flagellar motility. Here, we report that one of these antibodies, monoclonal antibody D-316, has an unusual perturbating effect on the motility of sea urchin sperm models; it does not affect the beat frequency, the amplitude of beating or the percentage of motile sperm models, but instead promotes a marked transformation of the flagellar beating pattern which changes from a two-dimensional to a three-dimensional type of movement. On immunoblots of axonemal proteins separated by SDS-PAGE, D-316 recognized a single polypeptide of 90 kDa. This protein was purified following its extraction by exposure of axonemes to a brief heat treatment at 40°C. The protein copurified and coimmunoprecipitated with proteins of 43 and 34 kDa, suggesting that it exists as a complex in its native form. Using D-316 as a probe, a full-length cDNA clone encoding the 90-kDa protein was obtained from a sea urchin cDNA library. The sequence predicts a highly acidic (pI = 4.0) protein of 552 amino acids with a mass of 62,720 Da (p63). Comparison with protein sequences in databases indicated that the protein is related to radial spoke proteins 4 and 6 (RSP4 and RSP6) of Chlamydomonas reinhardtii, which share 37% and 25% similarity, respectively, with p63. However, the sea urchin protein possesses structural features distinct from RSP4 and RSP6, such as the presence of three major acidic stretches which contains 25, 17, and 12 aspartate and glutamate residues of 34-, 22-, and 14-amino acid long stretches, respectively, that are predicted to form α-helical coiled-coil secondary structures. These results suggest a major role for p63 in the maintenance of a planar form of sperm flagellar beating and provide new tools to study the function of radial spoke heads in more evolved species.

Rad18 Is Required for DNA Repair and Checkpoint Responses in Fission Yeast

To survive damage to the genome, cells must respond by activating both DNA repair and checkpoint responses. Using genetic screens in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe, we recently isolated new genes required for DNA damage checkpoint control. We show here that one of these strains defines a new allele of the previously described rad18 gene, rad18-74. rad18 is an essential gene, even in the absence of extrinsic DNA damage. It encodes a conserved protein related to the structural maintenance of chromosomes proteins. Point mutations in rad18 lead to defective DNA repair pathways responding to both UV-induced lesions and, as we show here, double-stranded breaks. Furthermore, rad18p is required to maintain cell cycle arrest in the presence of DNA damage, and failure of this leads to highly aberrant mitoses. A gene encoding a BRCT-containing protein, brc1, was isolated as an allele-specific high-copy suppressor of rad18-74. brc1 is required for mitotic fidelity and for cellular viability in strains with rad18 mutations but is not essential for DNA damage responses. Mutations in rad18 and brc1 are synthetically lethal with a topoisomerase II mutant (top2-191), indicating that these proteins play a role in chromatin organization. These studies show a role for chromatin organization in the maintenance or activation of responses to DNA damage.

Regulation of the Actin Cytoskeleton by Thrombin in Human Endothelial Cells: Role of Rho Proteins in Endothelial Barrier Function

Endothelial barrier function is regulated at the cellular level by cytoskeletal-dependent anchoring and retracting forces. In the present study we have examined the signal transduction pathways underlying agonist-stimulated reorganization of the actin cytoskeleton in human umbilical vein endothelial cells. Receptor activation by thrombin, or the thrombin receptor (proteinase-activated receptor 1) agonist peptide, leads to an early increase in stress fiber formation followed by cortical actin accumulation and cell rounding. Selective inhibition of thrombin-stimulated signaling systems, including Gi/o (pertussis toxin sensitive), p42/p44, and p38 MAP kinase cascades, Src family kinases, PI-3 kinase, or S6 kinase pathways had no effect on the thrombin response. In contrast, staurosporine and KT5926, an inhibitor of myosin light chain kinase, effectively blocked thrombin-induced cell rounding and retraction. The contribution of Rho to these effects was analyzed by using bacterial toxins that either activate or inhibit the GTPase. Escherichia coli cytotoxic necrotizing factor 1, an activator of Rho, induced the appearance of dense actin cables across cells without perturbing monolayer integrity. Accordingly, lysophosphatidic acid, an activator of Rho-dependent stress fiber formation in fibroblasts, led to reorganization of polymerized actin into stress fibers but failed to induce cell rounding. Inhibition of Rho with Clostridium botulinum exoenzyme C3 fused to the B fragment of diphtheria toxin caused loss of stress fibers with only partial attenuation of thrombin-induced cell rounding. The implication of Rac and Cdc42 was analyzed in transient transfection experiments using either constitutively active (V12) or dominant-interfering (N17) mutants. Expression of RacV12 mimicked the effect of thrombin on cell rounding, and RacN17 blocked the response to thrombin, whereas Cdc42 mutants were without effect. These observations suggest that Rho is involved in the maintenance of endothelial barrier function and Rac participates in cytoskeletal remodeling by thrombin in human umbilical vein endothelial cells.

The Dynamin-like Protein DLP1 Is Essential for Normal Distribution and Morphology of the Endoplasmic Reticulum and Mitochondria in Mammalian Cells

The dynamin family of large GTPases has been implicated in vesicle formation from both the plasma membrane and various intracellular membrane compartments. The dynamin-like protein DLP1, recently identified in mammalian tissues, has been shown to be more closely related to the yeast dynamin proteins Vps1p and Dnm1p (42%) than to the mammalian dynamins (37%). Furthermore, DLP1 has been shown to associate with punctate vesicles that are in intimate contact with microtubules and the endoplasmic reticulum (ER) in mammalian cells. To define the function of DLP1, we have transiently expressed both wild-type and two mutant DLP1 proteins, tagged with green fluorescent protein, in cultured mammalian cells. Point mutations in the GTP-binding domain of DLP1 (K38A and D231N) dramatically changed its intracellular distribution from punctate vesicular structures to either an aggregated or a diffuse pattern. Strikingly, cells expressing DLP1 mutants or microinjected with DLP1 antibodies showed a marked reduction in ER fluorescence and a significant aggregation and tubulation of mitochondria by immunofluorescence microscopy. Consistent with these observations, electron microscopy of DLP1 mutant cells revealed a striking and quantitative change in the distribution and morphology of mitochondria and the ER. These data support very recent studies by other authors implicating DLP1 in the maintenance of mitochondrial morphology in both yeast and mammalian cells. Furthermore, this study provides the first evidence that a dynamin family member participates in the maintenance and distribution of the ER. How DLP1 might participate in the biogenesis of two presumably distinct organelle systems is discussed.

Pax8 has a key role in thyroid cell differentiation

Transformation of rat thyroid cells with polyoma virus middle T antigen results in loss of the thyroid-differentiated phenotype, measured as the expression of the thyroglobulin (Tg), thyroperoxidase (TPO), and sodium/iodide symporter (NIS) genes. Among the transcription factors involved in the regulation of these genes, TTF-1 and TTF-2 were still detected at nearly wild-type levels, while a specific loss of the paired domain transcription factor Pax8 was observed. In this study, we used the PCPy cell line as a model system to study the role of Pax8 in thyroid differentiation. We demonstrate that the reintroduction of Pax8 in PCPy cells is sufficient to activate expression of the endogenous genes encoding thyroglobulin, thyroperoxidase, and sodium/iodide symporter. Thus, this cell system provides direct evidence for the ability of Pax8 to activate transcription of thyroid-specific genes at their chromosomal locus and strongly suggests a fundamental role of this transcription factor in the maintenance of functional differentiation in thyroid cells. Moreover, we show that Pax8 and TTF-1 cooperate in the activation of the thyroglobulin promoter and that additional thyroid-specific mechanism(s) are involved in such a cooperation. To identify the Pax8 domain able to mediate the specific activation of the thyroglobulin promoter, we transfected in PCPy cells three different Pax8 isoforms. The results of such experiments indicate that for the transcriptional activation of thyroid-specific genes, Pax8 uses an as yet unidentified functional domain.

Retinoic acid (RA) and As2O3 treatment in transgenic models of acute promyelocytic leukemia (APL) unravel the distinct nature of the leukemogenic process induced by the PML-RARα and PLZF-RARα oncoproteins

Acute promyelocytic leukemia (APL) is associated with chromosomal translocations always involving the RARα gene, which variably fuses to one of several distinct loci, including PML or PLZF (X genes) in t(15;17) or t(11;17), respectively. APL in patients harboring t(15;17) responds well to retinoic acid (RA) treatment and chemotherapy, whereas t(11;17) APL responds poorly to both treatments, thus defining a distinct syndrome. Here, we show that RA, As2O3, and RA + As2O3 prolonged survival in either leukemic PML-RARα transgenic mice or nude mice transplanted with PML-RARα leukemic cells. RA + As2O3 prolonged survival compared with treatment with either drug alone. In contrast, neither in PLZF-RARα transgenic mice nor in nude mice transplanted with PLZF-RARα cells did any of the three regimens induce complete disease remission. Unexpectedly, therapeutic doses of RA and RA + As2O3 can induce, both in vivo and in vitro, the degradation of either PML-RARα or PLZF-RARα proteins, suggesting that the maintenance of the leukemic phenotype depends on the continuous presence of the former, but not the latter. Our findings lead to three major conclusions with relevant therapeutic implications: (i) the X-RARα oncoprotein directly determines response to treatment and plays a distinct role in the maintenance of the malignant phenotype; (ii) As2O3 and/or As2O3 + RA combination may be beneficial for the treatment of t(15;17) APL but not for t(11;17) APL; and (iii) therapeutic strategies aimed solely at degrading the X-RARα oncoprotein may not be effective in t(11;17) APL.

Maintenance of Epstein–Barr virus (EBV) oriP-based episomes requires EBV-encoded nuclear antigen-1 chromosome-binding domains, which can be replaced by high-mobility group-I or histone H1

EBV-encoded nuclear antigen-1 (EBNA-1) binding to a cis-acting viral DNA element, oriP, enables plasmids to persist in dividing human cells as multicopy episomes that attach to chromosomes during mitosis. In investigating the significance of EBNA-1 binding to mitotic chromosomes, we identified the basic domains of EBNA-1 within amino acids 1–89 and 323–386 as critical for chromosome binding. In contrast, the EBNA-1 C terminus (amino acids 379–641), which includes the nuclear localization signal and DNA-binding domain, does not associate with mitotic chromosomes or retain oriP plasmid DNA in dividing cell nuclei, but does enable the accumulation of replicated oriP-containing plasmid DNA in transient replication assays. The importance of chromosome association in episome maintenance was evaluated by replacing EBNA-1 amino acids 1–378 with cell proteins that have similar chromosome binding characteristics. High-mobility group-I amino acids 1–90 or histone H1–2 could substitute for EBNA-1 amino acids 1–378 in mediating more efficient accumulation of replicated oriP plasmid, association with mitotic chromosomes, nuclear retention, and long-term episome persistence. These data strongly support the hypothesis that mitotic chromosome association is a critical factor for episome maintenance. The replacement of 60% of EBNA-1 with cell protein is a significant step toward eliminating the need for noncellular protein sequences in the maintenance of episomal DNA in human cells.

Polaris, a Protein Involved in Left-Right Axis Patterning, Localizes to Basal Bodies and Cilia

Mutations in Tg737 cause a wide spectrum of phenotypes, including random left-right axis specification, polycystic kidney disease, liver and pancreatic defects, hydrocephalus, and skeletal patterning abnormalities. To further assess the biological function of Tg737 and its role in the mutant pathology, we identified the cell population expressing Tg737 and determined the subcellular localization of its protein product called Polaris. Tg737 expression is associated with cells possessing either motile or immotile cilia and sperm. Similarly, Polaris concentrated just below the apical membrane in the region of the basal bodies and within the cilia or flagellar axoneme. The data suggest that Polaris functions in a ciliogenic pathway or in cilia maintenance, a role supported by the loss of cilia on the ependymal cell layer in ventricles of Tg737orpk brains and by the lack of node cilia in Tg737Δ2-3βGal mutants.

A Model for Signal Transduction during Gamete Release in the Fucoid Alga Pelvetia compressa1

Fucoid algae release gametes into seawater following an inductive light period (potentiation), and gamete expulsion from potentiated receptacles of Pelvetia compressa began about 2 min after a light-to-dark transition. Agitation of the medium reversed potentiation, with an exponential time course completed in about 3 h. Light regulated two signaling pathways during potentiation and gamete expulsion: a photosynthetic pathway and a photosynthesis-independent pathway in which red light was active but blue light was not. Uptake of K+ appears to have an important role in potentiation, because a 50% inhibition of potentiation occurred in the presence of the tetraethylammonium ion, a K+-channel blocker. A central role of anion channels in the maintenance of potentiation is suggested by the premature release of gametes in the light when receptacles were incubated with inhibitors of slow-type anion channels. An inhibitor of tyrosine kinases, tyrphostin A63, also inhibited potentiation. A model for gamete release from P. compressa is presented that proposes that illumination results in the accumulation of ions (e.g. K+) throughout the cells of the receptacle during potentiation, which then move into the extracellular matrix during gamete expulsion to generate osmomechanical force, resulting in gamete release.

On the role of antigen in maintaining cytotoxic T-cell memory.

This study evaluated whether T-cell memory reflects increased precursor frequencies of specific long-lived T cells and/or a low-level immune response against some form of persistent antigen. Antivirally protective CD8+ T-cell memory was analyzed mostly in the original vaccinated host to assess the role of antigen in its maintenance. T-cell mediated resistance against reinfection was measured in the spleen and in peripheral solid organs with protocols that excluded protection by antibodies. In vivo protection was compared with detectable cytotoxic T-lymphocyte precursor frequencies determined in vitro. In the spleen, in vitro detectable cytotoxic T-lymphocyte precursor frequencies remained stable independently of antigen, conferring resistance against viral replication in the spleen during reinfection. In contrast, T-cell mediated resistance against reinfection of peripheral solid organs faded away in an antigen-dependent fashion within a few days or weeks. We show that only memory T cells persistently or freshly activated with antigen efficiently extravasate into peripheral organs, where cytotoxic T lymphocytes must be able to exert effector function immediately; both the capacity to extravasate and to rapidly exert effector function critically depend on restimulation by antigen. Our experiments document that the duration of T-cell memory protective against peripheral reinfection depended on the antigen dose used for immunization, was prolonged when additional antigen was provided, and was abrogated after removal of antigen. We conclude that T-cell mediated protective immunity against the usual peripheral routes of reinfection is antigen-dependent.

Surface protein phosphorylation by ecto-protein kinase is required for the maintenance of hippocampal long-term potentiation.

During the induction of long-term potentiation (LTP) in hippocampal slices adenosine triphosphate (ATP) is secreted into the synaptic cleft, and a 48 kDa/50 kDa protein duplex becomes phosphorylated by extracellular ATP. All the criteria required as evidence that these two proteins serve as principal substrates of ecto-protein kinase activity on the surface of hippocampal pyramidal neurons have been fulfilled. This phosphorylation activity was detected on the surface of pyramidal neurons assayed after synaptogenesis, but not in immature neurons nor in glial cells. Addition to the extracellular medium of a monoclonal antibody termed mAb 1.9, directed to the catalytic domain of protein kinase C (PKC), inhibited selectively this surface protein phosphorylation activity and blocked the stabilization of LTP induced by high frequency stimulation (HFS) in hippocampal slices. This antibody did not interfere with routine synaptic transmission nor prevent the initial enhancement of synaptic responses observed during the 1-5 min period immediately after the application of HFS (the induction phase of LTP). However, the initial increase in the slope of excitatory postsynaptic potentials, as well as the elevated amplitude of the population spike induced by HFS, both declined gradually and returned to prestimulus values within 30-40 min after HFS was applied in the presence of mAb 1.9. A control antibody that binds to PKC but does not inhibit its activity had no effect on LTP. The selective inhibitory effects observed with mAb 1.9 provide the first direct evidence of a causal role for ecto-PK in the maintenance of stable LTP, an event implicated in the process of learning and the formation of memory in the brain.

Association of the Est1 protein with telomerase activity in yeast.

The est1 mutant was previously identified because it is defective in telomere maintenance and displays a senescent phenotype. To see if Est1 might be a component of yeast telomerase, we examined immunoprecipitated Est1. The yeast telomerase RNA Tlc1 specifically coprecipitated with Est1. Furthermore, the Est1 immunoprecipitates contained a telomerase-like activity. As expected for yeast telomerase, the activity elongated telomeric primers, it required dGTP and dTTP but not dATP or dCTP, and it was sensitive to RNase A. Further evidence suggesting that the activity was telomerase was obtained from experiments using a TLC1-1 mutant strain, which has a mutant telomerase template containing dG residues. The activity immunoprecipitated from TLC1-1 mutant strains incorporated 32P-labeled dCTP, while activity from TLC1 strains did not. Use of different telomeric primer substrates revealed two distinguishable telomerase-like activities: one was dependent on TLC1, and one was not. The TLC1-independent activity may be due to a second yeast telomerase RNA, or it may be some other kind of activity.

Polycystin, the polycystic kidney disease 1 protein, is expressed by epithelial cells in fetal, adult, and polycystic kidney.

Polycystic kidney disease 1 (PKD1) is the major locus of the common genetic disorder autosomal dominant polycystic kidney disease. We have studied PKD1 mRNA, with an RNase protection assay, and found widespread expression in adult tissue, with high levels in brain and moderate signal in kidney. Expression of the PKD1 protein, polycystin, was assessed in kidney using monoclonal antibodies to a recombinant protein containing the C terminus of the molecule. In fetal and adult kidney, staining is restricted to epithelial cells. Expression in the developing nephron is most prominent in mature tubules, with lesser staining in Bowman's capsule and the proximal ureteric bud. In the nephrogenic zone, detectable signal was observed in comma- and S-shaped bodies as well as the distal branches of the ureteric bud. By contrast, uninduced mesenchyme and glomerular tufts showed no staining. In later fetal (>20 weeks) and adult kidney, strong staining persists in cortical tubules with moderate staining detected in the loops of Henle and collecting ducts. These results suggest that polycystin's major role is in the maintenance of renal epithelial differentiation and organization from early fetal life. Interestingly, polycystin expression, monitored at the mRNA level and by immunohistochemistry, appears higher in cystic epithelia, indicating that the disease does not result from complete loss of the protein.

Coenzyme Q reductase from liver plasma membrane: purification and role in trans-plasma-membrane electron transport.

A specific requirement for coenzyme Q in the maintenance of trans-plasma-membrane redox activity is demonstrated. Extraction of coenzyme Q from membranes resulted in inhibition of NADH-ascorbate free radical reductase (trans electron transport), and addition of coenzyme Q10 restored the activity. NADH-cytochrome c oxidoreductase (cis electron transport) did not respond to the coenzyme Q status. Quinone analogs inhibited trans-plasma-membrane redox activity, and the inhibition was reversed by coenzyme Q. A 34-kDa coenzyme Q reductase (p34) has been purified from pig-liver plasma membranes. The isolated enzyme was sensitive to quinone-site inhibitors. p34 catalyzed the NADH-dependent reduction of coenzyme Q10 after reconstitution in phospholipid liposomes. When plasma membranes were supplemented with extra p34, NADH-ascorbate free radical reductase was activated but NADH-cytochrome c oxidoreductase was not. These results support the involvement of p34 as a source of electrons for the trans-plasma-membrane redox system oxidizing NADH and support coenzyme Q as an intermediate electron carrier between NADH and the external acceptor ascorbate free radical.

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.