DNA sequencing and genotyping by transcriptional synthesis of chain-terminated RNA ladders and MALDI-TOF mass spectrometry

Sets of RNA ladders can be synthesized by transcription of a bacteriophage-encoded RNA polymerase using 3′-deoxynucleotides as chain terminators. These ladders can be used for sequencing of DNA. Using a nicked form of phage SP6 RNA polymerase in this study substantially enhanced yields of transcriptional sequencing ladders. Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) of chain-terminated RNA ladders allowed DNA sequence determination of up to 56 nt. It is also demonstrated that A→G and C→T variations in heterozygous and homozygous samples can be unambiguously identified by the mass spectrometric analysis. As a step towards single-tube sequencing reactions, α-thiotriphosphate nucleotide analogs were used to overcome problems caused by chain terminator-independent, premature termination and by the small mass difference between natural pyrimidine nucleotides.

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.

Uso de espectrometria de massa por ionização e dessorção a laser assistida por matriz : tempo de voo (MALDI-TOF MS) para formação de bibliotecas e caracterização da ocupação nodular em soja por estirpes de Bradyrhizobium

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Biologia Microbiana, 2016.

Assessment of MALDI-TOF MS as Alternative Tool for Streptococcus suis Identification

The accuracy of matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) for identifying Streptococcus suis isolates obtained from pigs, wild animals, and humans was evaluated using a PCR-based identification assay as the gold standard. In addition, MALDI-TOF MS was compared with the commercial multi-tests Rapid ID 32 STREP system. From the 129 S. suis isolates included in the study and identified by the molecular method, only 31 isolates (24.03%) had score values ≥2.300 and 79 isolates (61.24%) gave score values between 2.299 and 2.000. After updating the currently available S. suis MALDI Biotyper database with the spectra of three additional clinical isolates of serotypes 2, 7, and 9, most isolates had statistically significant higher score values (mean score: 2.65) than those obtained using the original database (mean score: 2.182). Considering the results of the present study, we suggest using a less restrictive threshold score of ≥2.000 for reliable species identification of S. suis. According to this cut-off value, a total of 125 S. suis isolates (96.9%) were correctly identified using the updated database. These data indicate an excellent performance of MALDI-TOF MS for the identification of S. suis.

Descripción del análisis microbológico realizado mediante maldi-tof en muestras de la fundación santa fe de Bogotá.

Introducción: La rápida detección e identificación bacteriana es fundamental para el manejo de los pacientes críticos que presentan una patología infecciosa, esto requiere de métodos rápidos para el inicio de un correcto tratamiento. En Colombia se usan pruebas microbiología convencional. No hay estudios de espectrofotometría de masas en análisis de muestras de pacientes críticos en Colombia. Objetivo general: Describir la experiencia del análisis microbiológico mediante la tecnología MALDI-TOF MS en muestras tomadas en la Fundación Santa Fe de Bogotá. Materiales y Métodos: Entre junio y julio de 2013, se analizaron 147 aislamientos bacterianos de muestras clínicas, las cuales fueron procesadas previamente por medio del sistema VITEK II. Los aislamientos correspondieron a 88 hemocultivos (60%), 28 urocultivos (19%), y otros cultivos 31 (21%). Resultados: Se obtuvieron 147 aislamientos con identificación adecuada a nivel de género y/o especie así: en el 88.4% (130 muestras) a nivel de género y especie, con una concordancia del 100% comparado con el sistema VITEK II. El porcentaje de identificación fue de 66% en el grupo de bacilos gram negativos no fermentadores, 96% en enterobacterias, 100% en gérmenes fastidiosos, 92% en cocos gram positivos, 100% bacilos gram negativos móviles y 100% en levaduras. No se encontró ninguna concordancia en bacilos gram positivos y gérmenes del genero Aggregatibacter. Conclusiones: El MALDI-TOF es una prueba rápida para la identificación microbiológica de género y especie que concuerda con los resultados obtenidos de manera convencional. Faltan estudios para hacer del MALDI-TOF MS la prueba oro en identificación de gérmenes.

HPLC与MALDI-TOFMS联用技术分析蛋黄中的磷脂

蛋黄中含有大量磷脂,其中磷脂酰胆碱(PC)和磷脂酰乙醇胺(PE)最为丰富。本研究采用高效液相色谱法(HPLC)与基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)联用技术分析了蛋黄中磷脂粗提物。将从蛋黄中提取的多种磷脂通过HPLC预先分离,收集各组分后分别进行MALDI-TOF MS分析得到比较清晰的质谱图。通过质谱图解析确定了蛋黄中磷脂酰胆碱、神经鞘磷脂(SM)的脂肪酸组成。

Desenvolvimento da técnica de MALDI Imaging utilizando tecidos animais

Currently the study of important molecular compounds present in low abundance in some tissues has been a challenge for proteomic analysis classic. An analysis requires more exploratory investigation of small regions of a tissue or a group of cells. MALDI Imaging Technology (MSI) is an application of mass spectrometry facing the chemical analysis of intact tissues. Thus, advances in mass spectrometry MALDI being obtained by the integration of histology, the best methods and automation are the main tools of data analysis. This tool has become essential to analyze the spatial distribution of peptides and proteins throughout the tissue sections, providing an enormous amount of data with minimum sample preparation. Thus, the aim of this study was to develop the technique of MALDI Imaging using tissue from glioblastoma multiforme (GBM), a form of most common malignant tumor in the brain. For this we used the printer chemical ChIP-1000 (Chemical Inkjet Printer, Shimadzu) and mass spectrometer type Maldi-ToF-ToF (Axima Performance, Shimadzu), a search of the identifications were performed in databases such as SwissProt. We identified more than forty proteins with diverse functions such as proteins F-actin-capping and Thymosin to the structure and organization cellular and proteins such several Tumor necrosis factor receptor development-related pathology. The development of this technique will permit to carry-out proteomic analysis directly into the tissue, enabling earlier diagnosis of diseases, as well as the identification and characterization of potential biomarkers of disease.

Genomic organisation, activity and distribution analysis of the microbial putrescine oxidase degradation pathway

The catalytic action of putrescine specific amine oxidases acting in tandem with 4-aminobutyraldehyde dehydrogenase is explored as a degradative pathway in Rhodococcus opacus. By limiting the nitrogen source, increased catalytic activity was induced leading to a coordinated response in the oxidative deamination of putrescine to 4-aminobutyraldehyde and subsequent dehydrogenation to 4-aminobutyrate. Isolating the dehydrogenase by ion exchange chromatography and gel filtration revealed that the enzyme acts principally on linear aliphatic aldehydes possessing an amino moiety. Michaelis-Menten kinetic analysis delivered a Michaelis constant (KM=0.014mM) and maximum rate (Vmax=11.2μmol/min/mg) for the conversion of 4-aminobutyraldehyde to 4-aminobutyrate. The dehydrogenase identified by MALDI-TOF mass spectrometric analysis (E value=0.031, 23% coverage) belongs to a functionally related genomic cluster that includes the amine oxidase, suggesting their association in a directed cell response. Key regulatory, stress and transport encoding genes have been identified, along with candidate dehydrogenases and transaminases for the further conversion of 4-aminobutyrate to succinate. Genomic analysis has revealed highly similar metabolic gene clustering among members of Actinobacteria, providing insight into putrescine degradation notably among Micrococcaceae, Rhodococci and Corynebacterium by a pathway that was previously uncharacterised in bacteria.

Identification, functional expression and kinetic analysis of two primary amine oxidases from Rhodococcus opacus

Two native copper-containing amine oxidases (EC 1.4.3.21) have been isolated from Rhodococcus opacus and reveal phenotypic plasticity and catalytic activity with respect to structurally diverse natural and synthetic amines. Altering the amine growth substrate has enabled tailored and targeted oxidase upreg-ulation, which with subsequent treatment by precipitation, ion exchange and gel filtration, achieved a 90–150 fold purification. MALDI-TOF mass spectrometric and genomic analysis has indicated multiple gene activation with complex biodegradation pathways and regulatory mechanisms. Additional post-purification characterisation has drawn on the use of carbonyl reagent and chelating agent inhibitors. Michaelis–Menten kinetics for common aliphatic and aromatic amine substrates and several structural analogues demonstrated a broad specificity and high affinity with Michaelis constants (K M) ranging from 0.1 to 0.9 mM for C 1 –C 5 aliphatic mono-amines and <0.2 mM for a range of aromatic amines. Potential exploitation of the enzymatic versatility of the two isolated oxidases in biosensing and bioprocessing is discussed.

Role of amine oxidase expression to maintain putrescine homeostasis in Rhodococcus opacus

While applications of amine oxidases are increasing, few have been characterised and our understanding of their biological role and strategies for bacteria exploitation are limited. By altering the nitrogen source (NH4Cl, putrescine and cadaverine (diamines) and butylamine (monoamine)) and concentration, we have identified a constitutive flavin dependent oxidase (EC 1.4.3.10) within Rhodococcus opacus. The activity of this oxidase can be increased by over two orders of magnitude in the presence of aliphatic diamines. In addition, the expression of a copper dependent diamine oxidase (EC 1.4.3.22) was observed at diamine concentrations>1mM or when cells were grown with butylamine, which acts to inhibit the flavin oxidase. A Michaelis-Menten kinetic treatment of the flavin oxidase delivered a Michaelis constant (KM)=190μM and maximum rate (kcat)=21.8s(-1) for the oxidative deamination of putrescine with a lower KM (=60μM) and comparable kcat (=18.2s(-1)) for the copper oxidase. MALDI-TOF and genomic analyses have indicated a metabolic clustering of functionally related genes. From a consideration of amine oxidase specificity and sequence homology, we propose a putrescine degradation pathway within Rhodococcus that utilises oxidases in tandem with subsequent dehydrogenase and transaminase enzymes. The implications of PUT homeostasis through the action of the two oxidases are discussed with respect to stressors, evolution and application in microbe-assisted phytoremediation or bio-augmentation.

Proteogenomics of selective susceptibility to endotoxin using circulating acute phase biomarkers and bioassay development in sheep: a review

Scientists have injected endotoxin into animals to investigate and understand various pathologies and novel therapies for several decades. Recent observations have shown that there is selective susceptibility to Escherichia coli lipopolysaccharide (LPS) endotoxin in sheep, despite having similar breed characteristics. The reason behind this difference is unknown, and has prompted studies aiming to explain the variation by proteogenomic characterisation of circulating acute phase biomarkers. It is hypothesised that genetic trait, biochemical, immunological and inflammation marker patterns contribute in defining and predicting mammalian response to LPS. This review discusses the effects of endotoxin and host responses, genetic basis of innate defences, activation of the acute phase response (APR) following experimental LPS challenge, and the current approaches employed in detecting novel biomarkers including acute phase proteins (APP) and micro-ribonucleic acids (miRNAs) in serum or plasma. miRNAs are novel targets for elucidating molecular mechanisms of disease because of their differential expression during pathological, and in healthy states. Changes in miRNA profiles during a disease challenge may be reflected in plasma. Studies show that gel-based two-dimensional electrophoresis (2-DE) coupled with either matrix-assisted laser desorption/ionisation time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) or liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS/MS) are currently the most used methods for proteome characterisation. Further evidence suggests that proteomic investigations are preferentially shifting from 2-DE to non-gel based LC-MS/MS coupled with data extraction by sequential window acquisition of all theoretical fragment-ion spectra (SWATH) approaches that are able to identify a wider range of proteins. Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), quantitative real-time polymerase chain reaction (qRT-PCR), and most recently proteomic methods have been used to quantify low abundance proteins such as cytokines. qRT-PCR and next generation sequencing (NGS) are used for the characterisation of miRNA. Proteogenomic approaches for detecting APP and novel miRNA profiling are essential in understanding the selective resistance to endotoxin in sheep. The results of these methods could help in understanding similar pathology in humans. It might also be helpful in the development of physiological and diagnostic screening assays for determining experimental inclusion and endpoints, and in clinical trials in future

Heat shock protein 70 on Neuro2a cells is a putative receptor for Japanese encephalitis virus

Japanese encephalitis virus (JEV) envelope (E) protein has been shown to play a critical role in attachment to cells. However, the receptor interacting with envelope protein has not been conclusively identified. Using mouse neuroblastoma (Neuro2a) cells and purified JEV-E protein in `Virus Overlay Protein Binding Assay' followed by MALDI-TOF analysis, we identified `heat shock protein 70' (Hsp70) as a possible receptor for JEV. Indirect immunofluorescence and flow-cytometry analysis demonstrated localization of Hsp70 on Neuro2a cell surface. Co-immunoprecipitation followed by Western blot analysis reconfirmed the interaction between Hsp70 and JEV-E protein. Further, anti-Hsp70 polyclonal-antibodies were able to block JEV entry into Neuro2a cells. Additionally, using the bioinformatic tool - FTDOCK, clocking between the proteins was performed. Amongst six interacting structural poses studied one pose involving RGD motif on JEV-E and leucine(539) on Hsp70 displayed stable interaction. These observations indicate that Hsp70 serves as putative receptor for JEV in Neuro2A cells.

Association of microRNA 17–92 cluster host gene (MIR17HG) polymorphisms with breast cancer

Breast cancer incidence and mortality rates are increasing despite our current knowledge on the disease. Ninety-five percent of breast cancer cases correspond to sporadic forms of the disease and are believed to involve an interaction between environmental and genetic determinants. The microRNA 17–92 cluster host gene (MIR17HG) has been shown to regulate expression of genes involved in breast cancer development and progression. Study of single-nucleotide polymorphisms (SNPs) located in this cluster gene could help provide a further understanding of its role in breast cancer. Therefore, this study investigated six SNPs in the MIR17HG using two independent Australian Caucasian case–control populations (GRC-BC and GU-CCQ BB populations) to determine association to breast cancer susceptibility. Genotyping was undertaken using chip-based matrix assisted laser desorption ionisation time-of-flight (MALDI-TOF) mass spectrometry (MS). We found significant association between rs4824505 and breast cancer at the allelic level in both study cohorts (GRC-BC p = 0.01 and GU-CCQ BB p = 0.03). Furthermore, haplotypic analysis of results from our combined population determined a significant association between rs4824505/rs7336610 and breast cancer susceptibility (p = 5 × 10−4). Our study is the first to show that the A allele of rs4824505 and the AC haplotype of rs4824505/rs7336610 are associated with risk of breast cancer development. However, definitive validation of this finding requires larger cohorts or populations in different ethnical backgrounds. Finally, functional studies of these SNPs could provide a deeper understanding of the role that MIR17HG plays in the pathophysiology of breast cancer.

Genetic association analysis of miRNA SNPs implicates MIR145 in breast cancer susceptibility

Background MicroRNAs (miRNAs) are important small non-coding RNA molecules that regulate gene expression in cellular processes related to the pathogenesis of cancer. Genetic variation in miRNA genes could impact their synthesis and cellular effects and single nucleotide polymorphisms (SNPs) are one example of genetic variants studied in relation to breast cancer. Studies aimed at identifying miRNA SNPs (miR-SNPs) associated with breast malignancies could lead towards further understanding of the disease and to develop clinical applications for early diagnosis and treatment. Methods We genotyped a panel of 24 miR-SNPs using multiplex PCR and chip-based matrix assisted laser desorption ionization time-of-flight (MALDI-TOF) mass spectrometry (MS) analysis in two Caucasian breast cancer case control populations (Primary population: 173 cases and 187 controls and secondary population: 679 cases and 301 controls). Association to breast cancer susceptibility was determined using chi-square (X 2 ) and odds ratio (OR) analysis. Results Statistical analysis showed six miR-SNPs to be non-polymorphic and twelve of our selected miR-SNPs to have no association with breast cancer risk. However, we were able to show association between rs353291 (located in MIR145) and the risk of developing breast cancer in two independent case control cohorts (p = 0.041 and p = 0.023). Conclusions Our study is the first to report an association between a miR-SNP in MIR145 and breast cancer risk in individuals of Caucasian background. This finding requires further validation through genotyping of larger cohorts or in individuals of different ethnicities to determine the potential significance of this finding as well as studies aimed to determine functional significance. Keywords: Association analysis; Breast cancer; microRNA; miR-SNPs; MIR145