Crotamine toxicity and efficacy in mouse models of melanoma

Objectives: Selective anticancer cell activity for both cell-penetrating and cationic antimicrobial peptides has previously been reported. As crotamine possesses activities similar to both of these, this study investigates crotamine`s anticancer toxicity in vitro and in vivo. Research design and methods: In vitro cancer cell viability was evaluated after treatment with 1 and 5 mu g/ml of crotamine. In vivo crotamine cytotoxic effects in C57Bl/6J mice bearing B16-F10 primary cutaneous melanoma were tested, with two groups each containing 35 mice. The crotamine-treated group received 1 mu g/day of crotamine per animal, subcutaneously which was well tolerated; the untreated group received a placebo. Results: Crotamine at 5 mu g/ml was lethal to B16-F10, Mia PaCa-2 and SK-Mel-28 cells and inoffensive to normal cells. In vivo crotamine treatment over 21 days significantly delayed tumor implantation, inhibited tumor growth and prolonged the lifespan of the mice. Mice in the crotamine-treated group survived at significantly higher rates (n = 30/35) than those in the untreated group (n = 7/35) (significance calculated with the Kaplan-Meier estimator). The average tumor weight in the untreated group was 4.60 g but was only about 0.27 g in the crotamine-treated mice, if detectable. Conclusions: These data warrant further exploration of crotamine as a tumor inhibition compound.

Molecular basis and regulation of insect pathogenicity in plant-beneficial pseudomonads

Les bactéries du genre Pseudomonas ont la capacité étonnante de s'adapter à différents habitats et d'y survivre, ce qui leur a permis de conquérir un large éventail de niches écologiques et d'interagir avec différents organismes hôte. Les espèces du groupe Pseudomonas fluorescens peuvent être facilement isolées de la rhizosphère et sont communément connues comme des Pseudomonas bénéfiques pour les plantes. Elles sont capables d'induire la résistance systémique des plantes, d'induire leur croissance et de contrer des phytopathogènes du sol. Un sous-groupe de ces Pseudomonas a de plus développé la capacité d'infecter et de tuer certaines espèces d'insectes. Approfondir les connaissances sur l'interaction de ces bactéries avec les insectes pourraient conduire au développement de nouveaux biopesticides pour la protection des cultures. Le but de cette thèse est donc de mieux comprendre la base moléculaire, l'évolution et la régulation de la pathogénicité des Pseudomonas plante-bénéfiques envers les insectes. Plus spécifiquement, ce travail a été orienté sur l'étude de la production de la toxine insecticide appelée Fit et sur l'indentification d'autres facteurs de virulence participant à la toxicité de la bactérie envers les insectes. Dans la première partie de ce travail, la régulation de la production de la toxine Fit a été évaluée par microscopie à épifluorescence en utilisant des souches rapportrices de Pseudomonas protegens CHA0 qui expriment la toxine insecticide fusionnée à une protéine fluorescente rouge, au site natif du gène de la toxine. Celle-ci a été détectée uniquement dans l'hémolymphe des insectes et pas sur les racines des plantes, ni dans les milieux de laboratoire standards, indiquant une production dépendante de l'hôte. L'activation de la production de la toxine est contrôlée par trois protéines régulatrices dont l'histidine kinase FitF, essentielle pour un contrôle précis de l'expression et possédant un domaine "senseur" similaire à celui de la kinase DctB qui régule l'absorption de carbone chez les Protéobactéries. Il est donc probable que, durant l'évolution de FitF, un réarrangement de ce domaine "senseur" largement répandu ait contribué à une production hôte-spécifique de la toxine. Les résultats de cette étude suggèrent aussi que l'expression de la toxine Fit est plutôt réprimée en présence de composés dérivés des plantes qu'induite par la perception d'un signal d'insecte spécifique. Dans la deuxième partie de ce travail, des souches mutantes ciblant des facteurs de virulence importants identifiés dans des pathogènes connus ont été générées, dans le but d'identifier ceux avec une virulence envers les insectes atténuée. Les résultats ont suggéré que l'antigène O du lipopolysaccharide (LPS) et le système régulateur à deux composantes PhoP/PhoQ contribuent significativement à la virulence de P. protegens CHA0. La base génétique de la biosynthèse de l'antigène O dans les Pseudomonas plante-bénéfiques et avec une activité insecticide a été élucidée et a révélé des différences considérables entre les lignées suite à des pertes de gènes ou des acquisitions de gènes par transfert horizontal durant l'évolution de certaines souches. Les chaînes latérales du LPS ont été montrées comme vitales pour une infection des insectes réussie par la souche CHA0, après ingestion ou injection. Les Pseudomonas plante-bénéfiques, avec une activité insecticide sont naturellement résistants à la polymyxine B, un peptide antimicrobien modèle. La protection contre ce composé antimicrobien particulier dépend de la présence de l'antigène O et de la modification du lipide A, une partie du LPS, avec du 4-aminoarabinose. Comme les peptides antimicrobiens cationiques jouent un rôle important dans le système immunitaire des insectes, l'antigène O pourrait être important chez les Pseudomonas insecticides pour surmonter les mécanismes de défense de l'hôte. Le système PhoP/PhoQ, connu pour contrôler les modifications du lipide A chez plusieurs bactéries pathogènes, a été identifié chez Pseudomonas chlororaphis PCL1391 et P. protegens CHA0. Pour l'instant, il n'y a pas d'évidence que des modifications du lipide A contribuent à la pathogénicité de cette bactérie envers les insectes. Cependant, le senseur-kinase PhoQ est requis pour une virulence optimale de la souche CHA0, ce qui suggère qu'il régule aussi l'expression des facteurs de virulence de cette bactérie. Les découvertes de cette thèse démontrent que certains Pseudomonas associés aux plantes sont de véritables pathogènes d'insectes et donnent quelques indices sur l'évolution de ces microbes pour survivre dans l'insecte-hôte et éventuellement le tuer. Les résultats suggèrent également qu'une recherche plus approfondie est nécessaire pour comprendre comment ces bactéries sont capables de contourner ou surmonter la réponse immunitaire de l'hôte et de briser les barrières physiques pour envahir l'insecte lors d'une infection orale. Pour cela, les futures études ne devraient pas uniquement se concentrer sur le côté bactérien de l'interaction hôte-microbe, mais aussi étudier l'infection du point de vue de l'hôte. Les connaissances gagnées sur la pathogénicité envers les insectes des Pseudomonas plante-bénéfiques donnent un espoir pour une future application en agriculture, pour protéger les plantes, non seulement contre les maladies, mais aussi contre les insectes ravageurs. -- Pseudomonas bacteria have the astonishing ability to survive within and adapt to different habitats, which has allowed them to conquer a wide range of ecological niches and to interact with different host organisms. Species of the Pseudomonas fluorescens group can readily be isolated from plant roots and are commonly known as plant-beneficial pseudomonads. They are capable of promoting plant growth, inducing systemic resistance in the plant host and antagonizing soil-borne phytopathogens. A defined subgroup of these pseudomonads evolved in addition the ability to infect and kill certain insect species. Profound knowledge about the interaction of these particular bacteria with insects could lead to the development of novel biopesticides for crop protection. This thesis thus aimed at a better understanding of the molecular basis, evolution and regulation of insect pathogenicity in plant-beneficial pseudomonads. More specifically, it was outlined to investigate the production of an insecticidal toxin termed Fit and to identify additional factors contributing to the entomopathogenicity of the bacteria. In the first part of this work, the regulation of Fit toxin production was probed by epifluorescence microscopy using reporter strains of Pseudomonas protegens CHAO that express a fusion between the insecticidal toxin and a red fluorescent protein in place of the native toxin gene. The bacterium was found to express its insecticidal toxin only in insect hemolymph but not on plant roots or in common laboratory media. The host-dependent activation of Fit toxin production is controlled by three local regulatory proteins. The histidine kinase of this regulatory system, FitF, is essential for the tight control of toxin expression and shares a sensing domain with DctB, a sensor kinase regulating carbon uptake in Proteobacteria. It is therefore likely that shuffling of a ubiquitous sensor domain during the evolution of FitF contributed to host- specific production of the Fit toxin. Findings of this study additionally suggest that host-specific expression of the Fit toxin is mainly achieved by repression in the presence of plant-derived compounds rather than by induction upon perceiving an insect-specific signal molecule. In the second part of this thesis, mutant strains were generated that lack factors previously shown to be important for virulence in prominent pathogens. A screening for attenuation in insect virulence suggested that lipopolysaccharide (LPS) O-antigen and the PhoP-PhoQ two-component regulatory system significantly contribute to virulence of P. protegens CHAO. The genetic basis of O-antigen biosynthesis in plant-beneficial pseudomonads displaying insect pathogenicity was elucidated and revealed extensive differences between lineages due to reduction and horizontal acquisition of gene clusters during the evolution of several strains. Specific 0 side chains of LPS were found to be vital for strain CHAO to successfully infect insects by ingestion or upon injection. Insecticidal pseudomonads with plant-beneficial properties were observed to be naturally resistant to polymyxin B, a model antimicrobial peptide. Protection against this particular antimicrobial compound was dependent on the presence of O-antigen and modification of the lipid A portion of LPS with 4-aminoarabinose. Since cationic antimicrobial peptides play a major role in the immune system of insects, O-antigenic polysaccharides could be important for insecticidal pseudomonads to overcome host defense mechanisms. The PhoP-PhoQ system, which is well-known to control lipid A modifications in several pathogenic bacteria, was identified in Pseudomonas chlororaphis PCL1391 and P. protegens CHAO. No evidence was found so far that lipid A modifications contribute to insect pathogenicity in this bacterium. However, the sensor kinase PhoQ was required for full virulence of strain CHAO suggesting that it additionally regulates the expression of virulence factors in this bacterium. The findings of this thesis demonstrate that certain plant-associated pseudomonads are true insect pathogens and give some insights into how these microbes evolved to survive within and eventually kill the insect host. Results however also point out that more in-depth research is needed to know how exactly these fascinating bacteria manage to bypass or overcome host immune responses and to breach physical barriers to invade insects upon oral infection. To achieve this, future studies should not only focus on the bacterial side of the microbe-host interactions but also investigate the infection from a host-oriented view. The knowledge gained about the entomopathogenicity of plant-beneficial pseudomonads gives hope for their future application in agriculture to protect plants not only against plant diseases but also against insect pests.

Two isoforms of anti-lipopolysaccharide factors identified and characterized from the hemocytes of portunid crabs, Portunus pelagicus and Scylla tranquebarica

Anti-lipopolysaccharide factors (ALFs), a type of cationic antimicrobial peptides (AMPs), and their derivatives are becoming predominant candidates for potential drugs in viral and bacterial diseases. This study reports the first ALF from the mud crab Scylla tranquebarica (StALF, JQ899453) and the second ALF isoform from the blue swimmer crab Portunus pelagicus (PpALF2, JQ899452). Both sequences encoded for precursor molecules, starting with a signal peptide containing 26 amino acid residues, followed by a highly cationic mature peptide, containing two conserved cysteine residues flanking a putative lipopolysaccharide (LPS)-binding domain. BLAST analysis revealed that both PpALF2 and StALF exhibited significant similarity with crustacean ALF sequences. The predicted molecular mass of the mature ALFs was 11.2 kDa with an estimated pI of 10.0. PpALF2 and StALF also showed the typical pattern of alternating hydrophobic and hydrophilic residues in their putative disulphide loop, suggesting that they comprise the same functional domain. Phylogenetic analysis showed that PpALF2 and StALF have similar evolutionary status and they were phylogenetically ancient immune effector molecules which may play an essential role in the host defense mechanism. The spatial structures of PpALF2 and StALF possessed four beta-strands and two alpha-helices. The results indicated that there were more than one ALF involved in crab immunity against various pathogens. ALFs would provide candidate promising therapeutic or prophylactic agents in health management and diseases control in crustacean aquaculture

Simulações por dinâmica molecular fine-e coarse-grained das interações intermoleculares entre peptídeos antimicrobianos da família Mastoparano e membranas modelo

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Influência do tabagismo nos níveis de catelicidina e alfadefensinas no fluido gengival de pacientes com periodontite crônica

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Nuclear localization of HBD-1 in human keratinocytes.

OBJECTIVE: Human defensins and cathelicidins are a family of cationic antimicrobial peptides (AMPs), which play multiple roles in both innate and adaptive immune systems. They have direct antimicrobial activity against several microorganisms including burn pathogens. The majority of components of innate and adaptive immunity either express naturally occurring defensins or are otherwise chemoattracted or functionally affected by them. They also enhance adaptive immunity and wound healing and alter antibody production. All mechanisms to explain multiple functions of AMPs are not clearly understood. Prior studies to localize defensins in normal and burned skin using deconvolution fluorescence scanning microscopy indicate localization of defensins in the nucleus, perinuclear regions, and cytoplasm. The objective of this study is to further confirm the identification of HBD-1 in the nucleus by deconvolution microscopic studies involving image reconstruction and wire frame modeling. RESULTS: Our study demonstrated the presence of intranuclear HBD-1 in keratinocytes throughout the stratum spinosum by costaining with the nuclear probe DAPI. In addition, HBD-1 sequence does show some homology with known cationic nuclear localization signal sequences. CONCLUSION: To our knowledge, this is the first report to localize HBD-1 in the nuclear region, suggesting a role for this peptide in gene expression and providing new data that may help determine mechanisms of defensin functions.

Étude des mécanismes d’extraction lipidique par le peptide mélittine et la protéine BSP1

Les peptides et protéines extracteurs de lipides (PEL) se lient aux membranes lipidiques puis en extraient des lipides en formant de plus petits auto-assemblages, un phénomène qui peut aller jusqu'à la fragmentation des membranes. Dans la nature, cette extraction se produit sur une gamme de cellules et entraîne des conséquences variées, comme la modification de la composition de la membrane et la mort de la cellule. Cette thèse se penche sur l’extraction lipidique, ou fragmentation, induite par le peptide mélittine et la protéine Binder-of-SPerm 1 (BSP1) sur des membranes lipidiques modèles. Pour ce faire, des liposomes de différentes compositions sont préparés et incubés avec la mélittine ou la BSP1. L'association aux membranes est déterminée par la fluorescence intrinsèque des PEL, tandis que l'extraction est caractérisée par une plateforme analytique combinant des tests colorimétriques et des analyses en chromatographie en phase liquide et spectrométrie de masse (LCMS). La mélittine fait partie des peptides antimicrobiens cationiques, un groupe de PEL très répandu chez les organismes vivants. Ces peptides sont intéressants du point du vue médical étant donné leur mode d’action qui vise directement les lipides des membranes. Plusieurs de ceux-ci agissent sur les membranes des bactéries selon le mécanisme dit « en tapis », par lequel ils s’adsorbent à leur surface, forment des pores et ultimement causent leur fragmentation. Dans cette thèse, la mélittine est utilisée comme peptide modèle afin d’étudier le mécanisme par lequel les peptides antimicrobiens cationiques fragmentent les membranes. Les résultats montrent que la fragmentation des membranes de phosphatidylcholines (PC) est réduite par une déméthylation graduelle de leur groupement ammonium. L'analyse du matériel fragmenté révèle que les PC sont préférentiellement extraites des membranes, dû à un enrichissement local en PC autour de la mélittine à l'intérieur de la membrane. De plus, un analogue de la mélittine, dont la majorité des résidus cationiques sont neutralisés, est utilisé pour évaluer le rôle du caractère cationique de la mélittine native. La neutralisation augmente l'affinité du peptide pour les membranes neutres et anioniques, réduit la fragmentation des membranes neutres et augmente la fragmentation des membranes anioniques. Malgré les interactions électrostatiques entre le peptide cationique et les lipides anioniques, aucune spécificité lipidique n'est observée dans l'extraction. La BSP1 est la protéine la plus abondante du liquide séminal bovin et constitue un autre exemple de PEL naturel important. Elle se mélange aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et extrait des lipides de leur membrane, notamment le cholestérol et les phosphatidylcholines. Cette étape cruciale modifie la composition lipidique de la membrane du spermatozoïde, ce qui faciliterait par la suite la fécondation de l’ovule. Cependant, le contact prolongé de la protéine avec les spermatozoïdes endommagerait la semence. Cette thèse cherche donc à approfondir notre compréhension de ce délicat phénomène en étudiant le mécanisme moléculaire par lequel la protéine fragmente les membranes lipidiques. Les résultats des présents travaux permettent de proposer un mécanisme d’extraction lipidique en 3 étapes : 1) L'association à l’interface des membranes; 2) La relocalisation de l’interface vers le cœur lipidique; 3) La fragmentation des membranes. La BSP1 se lie directement à deux PC à l'interface; une quantité suffisante de PC dans les membranes est nécessaire pour permettre l'association et la fragmentation. Cette liaison spécifique ne mène généralement pas à une extraction lipidique sélective. L'impact des insaturations des chaînes lipidiques, de la présence de lysophosphatidylcholines, de phosphatidyléthanolamine, de cholestérol et de lipides anioniques est également évalué. Les présentes observations soulignent la complexe relation entre l'affinité d'un PEL pour une membrane et le niveau de fragmentation qu'il induit. L'importance de la relocalisation des PEL de l'interface vers le cœur hydrophobe des membranes pour permettre leur fragmentation est réitérée. Cette fragmentation semble s'accompagner d'une extraction lipidique préférentielle seulement lorsqu'une séparation de phase est induite au niveau de la membrane, nonobstant les interactions spécifiques PEL-lipide. Les prévalences des structures amphiphiles chez certains PEL, ainsi que de la fragmentation en auto-assemblages discoïdaux sont discutées. Finalement, le rôle des interactions électrostatiques entre les peptides antimicrobiens cationiques et les membranes bactériennes anioniques est nuancé : les résidus chargés diminueraient l'association des peptides aux membranes neutres suite à l'augmentation de leur énergie de solvatation.

Étude des mécanismes d’extraction lipidique par le peptide mélittine et la protéine BSP1

Les peptides et protéines extracteurs de lipides (PEL) se lient aux membranes lipidiques puis en extraient des lipides en formant de plus petits auto-assemblages, un phénomène qui peut aller jusqu'à la fragmentation des membranes. Dans la nature, cette extraction se produit sur une gamme de cellules et entraîne des conséquences variées, comme la modification de la composition de la membrane et la mort de la cellule. Cette thèse se penche sur l’extraction lipidique, ou fragmentation, induite par le peptide mélittine et la protéine Binder-of-SPerm 1 (BSP1) sur des membranes lipidiques modèles. Pour ce faire, des liposomes de différentes compositions sont préparés et incubés avec la mélittine ou la BSP1. L'association aux membranes est déterminée par la fluorescence intrinsèque des PEL, tandis que l'extraction est caractérisée par une plateforme analytique combinant des tests colorimétriques et des analyses en chromatographie en phase liquide et spectrométrie de masse (LCMS). La mélittine fait partie des peptides antimicrobiens cationiques, un groupe de PEL très répandu chez les organismes vivants. Ces peptides sont intéressants du point du vue médical étant donné leur mode d’action qui vise directement les lipides des membranes. Plusieurs de ceux-ci agissent sur les membranes des bactéries selon le mécanisme dit « en tapis », par lequel ils s’adsorbent à leur surface, forment des pores et ultimement causent leur fragmentation. Dans cette thèse, la mélittine est utilisée comme peptide modèle afin d’étudier le mécanisme par lequel les peptides antimicrobiens cationiques fragmentent les membranes. Les résultats montrent que la fragmentation des membranes de phosphatidylcholines (PC) est réduite par une déméthylation graduelle de leur groupement ammonium. L'analyse du matériel fragmenté révèle que les PC sont préférentiellement extraites des membranes, dû à un enrichissement local en PC autour de la mélittine à l'intérieur de la membrane. De plus, un analogue de la mélittine, dont la majorité des résidus cationiques sont neutralisés, est utilisé pour évaluer le rôle du caractère cationique de la mélittine native. La neutralisation augmente l'affinité du peptide pour les membranes neutres et anioniques, réduit la fragmentation des membranes neutres et augmente la fragmentation des membranes anioniques. Malgré les interactions électrostatiques entre le peptide cationique et les lipides anioniques, aucune spécificité lipidique n'est observée dans l'extraction. La BSP1 est la protéine la plus abondante du liquide séminal bovin et constitue un autre exemple de PEL naturel important. Elle se mélange aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et extrait des lipides de leur membrane, notamment le cholestérol et les phosphatidylcholines. Cette étape cruciale modifie la composition lipidique de la membrane du spermatozoïde, ce qui faciliterait par la suite la fécondation de l’ovule. Cependant, le contact prolongé de la protéine avec les spermatozoïdes endommagerait la semence. Cette thèse cherche donc à approfondir notre compréhension de ce délicat phénomène en étudiant le mécanisme moléculaire par lequel la protéine fragmente les membranes lipidiques. Les résultats des présents travaux permettent de proposer un mécanisme d’extraction lipidique en 3 étapes : 1) L'association à l’interface des membranes; 2) La relocalisation de l’interface vers le cœur lipidique; 3) La fragmentation des membranes. La BSP1 se lie directement à deux PC à l'interface; une quantité suffisante de PC dans les membranes est nécessaire pour permettre l'association et la fragmentation. Cette liaison spécifique ne mène généralement pas à une extraction lipidique sélective. L'impact des insaturations des chaînes lipidiques, de la présence de lysophosphatidylcholines, de phosphatidyléthanolamine, de cholestérol et de lipides anioniques est également évalué. Les présentes observations soulignent la complexe relation entre l'affinité d'un PEL pour une membrane et le niveau de fragmentation qu'il induit. L'importance de la relocalisation des PEL de l'interface vers le cœur hydrophobe des membranes pour permettre leur fragmentation est réitérée. Cette fragmentation semble s'accompagner d'une extraction lipidique préférentielle seulement lorsqu'une séparation de phase est induite au niveau de la membrane, nonobstant les interactions spécifiques PEL-lipide. Les prévalences des structures amphiphiles chez certains PEL, ainsi que de la fragmentation en auto-assemblages discoïdaux sont discutées. Finalement, le rôle des interactions électrostatiques entre les peptides antimicrobiens cationiques et les membranes bactériennes anioniques est nuancé : les résidus chargés diminueraient l'association des peptides aux membranes neutres suite à l'augmentation de leur énergie de solvatation.

Synthesis and evaluation of cyclic cationic peptides as antimicrobial agents for use in plant protection

Aquesta tesi doctoral se centra en l'estudi de l'aplicació de pèptids antimicrobians en la lluita contra agents patògens de cultius de plantes d'interès econòmic.L'estratègia sintètica s'ha portat a terme utilitzant metodologies convencionals de síntesi de pèptids en fase sòlida com l'estratègia tridimensional ortogonal Fmoc/tBut/Allyl. Ha calgut fer la recerca de les condicions òptimes per a l'eliminació del grup Allyl i la ciclació. D'entre els pèptids cíclics de 4-10 aminoacids sintetitzats, el decapèptid c(Lys-Leu-Lys-Leu-Lys-Phe-Lys-Lys-Leu-Gln) ha resultat ésser el més efectiu i s'ha pres com a base per al disseny d'una quimioteca de 56 pèptids. Dels resultats obtinguts s'ha sintetitzat una segona quimioteca basada en l'estructura general c(X1-X2-X3-X4-Lys-Phe-Lys-Lys-Leu-Gln) determinada com la que posseix el millor perfil d'activitat. Els pèptids més efectius obtinguts constituixen els primers exemples de pèptids cíclics actius contra E. amylovora i poden ser considerats com a bons candidats pel desenvolupament d'agents antimicrobians efectius en protecció vegetal.

Interaction between a cationic surfactant-like peptide and lipid vesicles and its relationship to antimicrobial activity

We investigate the properties of an antimicrobial surfactant-like peptide (Ala)6(Arg), A6R, containing a cationic headgroup. The interaction of this peptide with zwitterionic (DPPC) lipid vesicles is investigated using a range of microscopic, X-ray scattering, spectroscopic, and calorimetric methods. The β-sheet structure adopted by A6R is disrupted in the presence of DPPC. A strong effect on the small-angle X-ray scattering profile is observed: the Bragg peaks from the DPPC bilayers in the vesicle walls are eliminated in the presence of A6R and only bilayer form factor peaks are observed. All of these observations point to the interaction of A6R with DPPC bilayers. These studies provide insight into interactions between a model cationic peptide and vesicles, relevant to understanding the action of antimicrobial peptides on lipid membranes. Notably, peptide A6R exhibits antimicrobial activity without membrane lysis.

Three-dimensional structure of RTD-1, a cyclic antimicrobial defensin from rhesus macaque leukocytes

Most mammalian defensins are cationic peptides of 29-42 amino acids long, stabilized by three disulfide bonds. However, recently Tang et al. (1999, Science 286, 498-502) reported the isolation of a new defensin type found in the leukocytes of rhesus macaques. In contrast to all the other defensins found so far, rhesus theta defensin-1 (RTD-1) is composed of just 18 amino acids with the backbone cyclized through peptide bonds. Antibacterial activities of both the native cyclic peptide and a linear form were examined, showing that the cyclic form was 3-fold more active than the open chain analogue [Tang et al. (1999) Science 286, 498-502]. To elucidate the three-dimensional structure of RTD-1 and its open chain analogue, both peptides were synthesized using solid-phase peptide synthesis and tert-butyloxycarbonyl chemistry. The structures of both peptides in aqueous solution were determined from two-dimensional H-1 NMR data recorded at 500 and 750 MHz. Structural constraints consisting of interproton distances and dihedral angles were used as input for simulated-annealing calculations and water refinement with the program CNS. RTD-1 and its open chain analogue oRTD-1 adopt very similar structures in water. Both comprise an extended beta -hairpin structure with turns at one or both ends. The turns are well defined within themselves and seem to be flexible with respect to the extended regions of the molecules. Although the two strands of the beta -sheet are connected by three disulfide bonds, this region displays a degree of flexibility. The structural similarity of RTD-1 and its open chain analogue oRTD-1, as well as their comparable degree of flexibility, support the theory that the additional charges at the termini of the open chain analogue rather than overall differences in structure or flexibility are the cause for oRTD-1's lower antimicrobial activity. In contrast to numerous other antimicrobial peptides, RTD-1 does not display any amphiphilic character, even though surface models of RTD-1 exhibit a certain clustering of positive charges. Some amide protons of RTD-1 that should be solvent-exposed in monomeric beta -sheet structures show low-temperature coefficients, suggesting the possible presence of weak intermolecular hydrogen bonds.

The Molecular Basis for Antimicrobial Activity of Pore-Forming Cyclic Peptides

The mechanism of action of antimicrobial peptides is, to our knowledge, still poorly understood. To probe the biophysical characteristics that confer activity, we present here a molecular-dynamics and biophysical study of a cyclic antimicrobial peptide and its inactive linear analog. In the simulations, the cyclic peptide caused large perturbations in the bilayer and cooperatively opened a disordered toroidal pore, 1–2 nm in diameter. Electrophysiology measurements confirm discrete poration events of comparable size. We also show that lysine residues aligning parallel to each other in the cyclic but not linear peptide are crucial for function. By employing dual-color fluorescence burst analysis, we show that both peptides are able to fuse/aggregate liposomes but only the cyclic peptide is able to porate them. The results provide detailed insight on the molecular basis of activity of cyclic antimicrobial peptides

Liquid-crystalline ordering of antimicrobial peptide-DNA complexes controls TLR9 activation.

Double-stranded DNA (dsDNA) can trigger the production of type I interferon (IFN) in plasmacytoid dendritic cells (pDCs) by binding to endosomal Toll-like receptor-9 (TLR9; refs , , , , ). It is also known that the formation of DNA-antimicrobial peptide complexes can lead to autoimmune diseases via amplification of pDC activation. Here, by combining X-ray scattering, computer simulations, microscopy and measurements of pDC IFN production, we demonstrate that a broad range of antimicrobial peptides and other cationic molecules cause similar effects, and elucidate the criteria for amplification. TLR9 activation depends on both the inter-DNA spacing and the multiplicity of parallel DNA ligands in the self-assembled liquid-crystalline complex. Complexes with a grill-like arrangement of DNA at the optimum spacing can interlock with multiple TLR9 like a zipper, leading to multivalent electrostatic interactions that drastically amplify binding and thereby the immune response. Our results suggest that TLR9 activation and thus TLR9-mediated immune responses can be modulated deterministically.

Membrane interaction of a new synthetic antimicrobial lipopetide sp-85 with broad spectrum activity

Antimicrobial peptides offer a new class of therapeutic agents to which bacteria may not be able todevelop genetic resistance, since their main activity is in the lipid component of the bacterial cell mem-brane. We have developed a series of synthetic cationic cyclic lipopeptides based on natural polymyxin,and in this work we explore the interaction of sp-85, an analog that contains a C12 fatty acid at theN-terminus and two residues of arginine. This analog has been selected from its broad spectrum antibac-terial activity in the micromolar range, and it has a disruptive action on the cytoplasmic membrane ofbacteria, as demonstrated by TEM. In order to obtain information on the interaction of this analog withmembrane lipids, we have obtained thermodynamic parameters from mixed monolayers prepared withPOPG and POPE/POPG (molar ratio 6:4), as models of Gram positive and Gram negative bacteria, respec-tively. LangmuirBlodgett films have been extracted on glass plates and observed by confocal microscopy,and images are consistent with a strong destabilizing effect on the membrane organization induced bysp-85. The effect of sp-85 on the membrane is confirmed with unilamelar lipid vesicles of the same com-position, where biophysical experiments based on fluorescence are indicative of membrane fusion andpermeabilization starting at very low concentrations of peptide and only if anionic lipids are present.Overall, results described here provide strong evidence that the mode of action of sp-85 is the alterationof the bacterial membrane permeability barrier.

Activité antimicrobienne de peptides provenant d’hydrolysats de protéines de babeurre, de lactoferrine et de pois

Les antibiotiques sont fréquemment utilisés dans l’alimentation de la volaille afin de prévenir certaines maladies, dont l’entérite nécrotique, ce qui occasionne l’émergence de souches bactériennes résistantes aux antibiotiques. Une alternative prometteuse est l’utilisation de peptides antimicrobiens (AMPs) comme suppléments alimentaires, tels les AMPs provenant des produits laitiers. L’objectif du projet était de développer une méthode de production d’extraits peptidiques à partir de coproduits de la transformation alimentaire (babeurre, lactoferrine, isolat de protéines de pois), afin de tester si ces extraits peptidiques possédaient une activité antimicrobienne sur les pathogènes spécifiques aviaires suivants : Salmonella Enteritidis, Salmonella Typhimurium, Escherichia coli et Staphylococcus aureus. Les protéines ont été mises en suspension dans l’eau (5% p/p) et hydrolysées par la pepsine, 6 heures, pH de 2.5. Les peptides furent récupérés par ultrafiltration (< 10 kDa), puis fractionnés selon leur charge nette : totaux, cationiques, anioniques et non liés. L’effet antimicrobien a été évalué surmicroplaques, par la survie bactérienne en présence de concentrations croissantes d’extraits peptidiques. Les extraits cationiques de babeurre ont démontré une efficacité à une concentration inférieure ou égale à 5 mg/mL; perte de 3 log pour Escherichia coli O78 :H80. En comparaison, la lactoferrine cationique a été efficace à une concentration inférieure ou égale à 0.6 mg/mL; perte de 6 log pour E. coli O78 :H80. Les extraits peptidiques du pois ont démontré une efficacité faible. Cette méthode s’avère prometteuse pour le développement d’une alternative ou d’un complément pour la réduction de l’utilisation des antibiotiques dans l’alimentation de la volaille.