Anatomic and molecular characterization of the 1 endocrine pancreas of a teleostean fish: Atlantic wolffish (Anarhichas lupus)

Background: The biologic attributes of the endocrine pancreas and the comparative endocrinology of islet amyloid polypeptide (IAPP) of fish are not well described in the literature. This study describes the endocrine pancreas of one teleostean fish. Ten captive Atlantic wolffish (Anarhichas lupus) from the Montreal Biodome were submitted for necropsy and their pancreata were collected. Results: Grossly, all the fish pancreata examined contained 1-3 nodules of variable diameter (1-8 mm). Microscopically, the nodules were uniform, highly cellular, and composed of polygonal to elongated cells. Immunofluorescence for pancreatic hormones was performed. The nodules were immunoreactive for insulin most prominent centrally, but with IAPP and glucagon only in the periphery of the nodules. Exocrine pancreas was positive for chromogranin A. Not previously recognized in fish, IAPP immunoreactivity occurred in α, glucagon-containing, cells and did not co-localize with insulin in β cells. The islet tissues were devoid of amyloid deposits. IAPP DNA sequencing was performed to compare the sequence among teleost fish and the potency to form amyloid fibrils. In silico analysis of the amino acid sequences 19-34 revealed that it was not amyloidogenic. Conclusions: Amyloidosis of pancreatic islets would not be expected as a spontaneous disease in the Atlantic wolffish. Our study underlines that this teleost fish is a potential candidate for pancreatic xenograft research.

Modèle cellulaire de carcinogenèse pour les cancers de l’oropharynx induits par le VPH

Problématique: Le virus du papillome humain (VPH) est présent dans près de 50% des cancers de l’oropharynx. Le potentiel oncogénique du VPH est encodé dans les oncoprotéines E6 et E7, qui agissent en modulant différents gènes, dont les gènes suppresseurs de tumeur p53 et pRb. Les cellules VPH positives démontrent une altération au niveau de la signalisation de la réponse aux dommages à l’ADN (RDA), un mécanisme de contrôle dans l’arrêt de la croissance des cellules ayant subit des dommages au niveau de leur ADN. Hypothèse et objectifs : Nous croyons que les défauts au niveau de la RDA des cancers VPH positifs peuvent être exploités afin de sensibiliser préférentiellement les cellules cancéreuses aux traitements de radiothérapie. Cette stratégie de recherche nécessite l’élaboration d’un modèle cellulaire de carcinogenèse isogénique pour le cancer de l’oropharynx que nous proposons de développer et de caractériser. L’étude vise à dériver des lignées isogéniques à partir de kératinocytes primaires et cellules épithéliales de l’oropharynx pour ensuite valider la carcinogenèse de notre modèle in vitro & in vivo Méthodologie : Des lignées cellulaires de kératinocytes primaires et de cellules épithéliales de l’oropharynx ont été successivement modifiées par transduction afin de présenter les mutations associées aux cancers de l’oropharynx induits par le VPH. Les cellules ont été modifiées avec des lentivirus codants pour la télomérase (hTERT), les oncogènes E6, E7 et RasV12. Afin de valider la cancérogenèse in vitro de notre modèle, des études d’invasion en matrigel et de croissance sans ancrage en agar mou ont été réalisées. Les populations cellulaires transformées ont été ensuite introduites dans des souris immunodéficientes afin d’évaluer leur tumorogénicité in vivo. Résultats : À partir des plasmides recombinés construits par méthodes de clonage traditionnelle et de recombinaison « Gateway », nous avons produit des lentivirus codants pour la télomérase humaine (hTERT), les oncogènes viraux E6 et E7 et l’oncogène Ras. Les kératinocytes primaires et cellules épithéliales de l’oropharynx ont été infectés successivement par transduction et sélectionnés. Nous avons validé l’expression de nos transgènes par méthode d’immunofluorescence, de Western Blot et de réaction de polymérisation en chaîne quantitative en temps réel (qRT-PCR). Nous avons établi trois lignées des cellules épithéliales de l’oropharynx (HNOE) à partir d’échantillons tissulaires prélevés lors d’amygdalectomie (HNOE42, HNO45, HNOE46). Les cellules transduites avec le lentivirus exprimant le promoteur fort CMV/TO de l’oncogène RasV12 ont présenté un changement morphologique compatible avec une sénescence prématurée induite par l’oncogène Ras. En exprimant des quantités plus faibles du RasV12 mutant, la lignée cellulaire HEKn hTERT-E6-E7 PGK RasV12 a réussi à échapper à la sénescence induite par l’oncogène Ras. La population cellulaire exprimant HEKn hTERT-E6-E7-PGK RasV12 a présenté un phénotype malin en culture et à l’étude d'invasion, mais n’a pas démontré de résultats positifs à l’étude de croissance sans ancrage en agar mou ni en xénogreffe en souris immunodéficientes. Conclusion : Nos résultats démontrent qu’en présence des oncogènes viraux E6 et E7, il y a un troisième mécanisme suppresseur de tumeur qui médie la sénescence induite par l’oncogène Ras. Nous avons identifié que la présence de E6 seule ne suffit pas à immortaliser les kératinocytes primaires humains (HEKn). Nous n’avons pas réussi à créer un modèle in vitro de carcinogenèse pour les cancers de l’oropharynx induits par le VPH.

Les cellules endothéliales peuvent acquérir un phénotype mésenchymateux associé avec l’expression de la protéine nestine dans un modèle d’hypertrophie cardiaque et de fibrose réactive

L’hypertrophie cardiaque représente la réponse primaire du cœur dans le but d’améliorer la fonction cardiaque qui est compromise suite à un accident ischémique ou une surcharge hémodynamique. Cependant, l’hypertrophie cardiaque a pour conséquence pathologique la fibrose réactive, qui est caractérisée par la synthèse incontrôlée et le dépôt du collagène par les myofibroblastes. Ainsi, l’accumulation accrue du collagène dans le cœur hypertrophié mène à l’augmentation de la rigidité cardiaque et la détérioration progressive de la fonction contractile du cœur. Plusieurs études ont démontré que la protéine nestine, appartenant à la famille des filaments intermédiaires, est ré-exprimée dans les myofibroblastes durant la fibrose réparative et est impliquée dans la prolifération cellulaire. Basée sur ces observations, cette étude teste l’hypothèse selon laquelle nestine est induite dans les myofibroblastes suivant le développement de la fibrose réactive dans le cœur des rats ayant subi une constriction aortique supra-rénale. Deux semaines suivant une constriction aortique supra-rénale chez le rat, un patron d’hypertrophie concentrique cardiaque a été observé et associé avec une réponse de fibrose réactive caractérisée par le dépôt accru de collagène dans le tissu interstitiel et la région péri-vasculaire de nombreux vaisseaux sanguins cardiaques. De plus, les niveaux de la protéine nestine sont augmentés significativement dans les cœurs des rats hypertrophiés, et ce, de façon corrélative avec la pression artérielle moyenne et la pression systolique du ventricule gauche. Les techniques d’immunofluorescences ont révélé une apparition accrue des cellules immunoréactives à nestine, qui présentent un phénotype mésenchymateux caractérisé par la co-expression de collagène dans le tissu interstitiel et la région péri-vasculaire des cœurs hypertrophiés. Ces données suggèrent que les fibroblastes résidents peuvent exprimer la protéine nestine ou que l’expression de nestine est induite en réponse aux facteurs pro-fibrotiques impliqués dans la fibrose réactive. En effet, l’exposition des myofibroblastes normaux et des myofibroblastes isolés des cœurs hypertrophiés à l’AII, TGF-B1 et EGF augmente significativement l’expression de la protéine nestine, tandis que l’expression de l’α-SMA demeure inchangée. De plus, de manière prédominante dans le cœur hypertrophié, des cellules non-vasculaires CD31(+) ont été détectées dans le tissu interstitiel et la région péri-vasculaire. Ces cellules co-expriment nestine et collagène suggérant une transition des cellules endothéliales vers un phénotype mésenchymateux. Finalement, la protéine nestine, sous sa forme filamenteuse, a été détectée dans les cellules endothéliales de l’artère coronaire humaine et leur exposition au TGF-B1, induit l’expression de collagène. En revanche, l’expression de collagène a été détectée dans les cellules microvasculaires de rats CD31(+), alors que l’expression de nestine est absente. En réponse aux traitements de TGF-B1 et EGF, l’expression de nestine, sous sa forme non-filamenteuse, est détectée dans les cellules microvasculaires de rats. Collectivement, ces données supportent la prémisse selon laquelle la réponse de fibrose réactive dans les cœurs hypertrophiés, suite à une constriction aortique supra-rénale, est attribuée en partie à l’augmentation de l’apparition des cellules mésenchymateuses positives à l’expression de nestine qui proviennent des fibroblastes résidents du ventricule. De plus, les données in vivo et in vitro suggèrent que les cellules endothéliales déplacées représentent une source additionnelle des cellules mésenchymateuses nestine(+) dans le cœur hypertrophié et contribuent au développement de la fibrose réactive. Cibler la protéine nestine peut représenter une approche thérapeutique afin d’atténuer la réponse de fibrose réactive indépendamment de l’origine des cellules mésenchymateuses.

Relation entre CaMKII et les dynamiques calciques endothéliales : impact de l'hypertension arterielle.

L’endothélium vasculaire joue un rôle prépondérant dans la régulation du tonus vasculaire en générant l’oxyde nitrique (NO), la prostacycline (PGI2) et les facteurs hyperpolarisants dérivés de l’endothélium (EDHF) comme puissants vasodilatateurs. Ces mécanismes requièrent le calcium (Ca2+) à divers niveaux, démontrant l’importance des dynamiques calciques endothéliales. Une perturbation de l’homéostasie calcique est observée dans une dysfonction endothéliale liée à l’hypertension artérielle. Il est impératif d’approfondir nos connaissances sur les signalisations calciques endothéliales impliquées dans le contrôle du tonus vasculaire. Des études récentes ont montré qu’une variation locale de la concentration en Ca2+ libre intracellulaire ([Ca2+]i) est suffisante pour générer une réponse physiologique importante. Les pulsars calciques sont caractérisés par une augmentation de [Ca2+]i spontanée et transitoire spécifiquement localisée au niveau des projections myoendothéliales (PMEs). Ces PMEs sont des sites de communication privilégiés entre les cellules endothéliales (CEs) et les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLVs). Les pulsars calciques sont impliqués dans le mécanisme de l’EDHF via l’activation des canaux potassiques Ca2+-dépendant de moyenne conductance (KCa3.1 ou IKCa). Les travaux de cette thèse visent à améliorer nos connaissances sur les signalisations calciques locales en caractérisant une nouvelle voie de signalisation pouvant être impliquée dans la régulation du tonus vasculaire en condition physiopathologique. Outre les canaux KCa3.1 peu d’informations sont disponibles sur les cibles sensibles aux pulsars calciques. Une première étude a permis d’identifier la protéine kinase II dépendante du complexe Ca2+/calmoduline (CaMKII) sous ses isoformes α, β et δ dans les CEs d’artères natives de souris comme une cible pouvant être modulée par les pulsars calciques. Des études en immunofluorescence ont permis d’observer la localisation particulière de CaMKII endothéliale dans les PMEs, les sites des pulsars calciques. Une stimulation spécifique des pulsars calciques par la phényléphrine (PE) engendre un recrutement de CaMKII dans les PMEs. Sachant que CaMKII active l’oxyde nitrique synthase endothéliale (NOS3), nous avons évalué l’impact d’une stimulation des pulsars calciques sur la production de NO en présence d’un inhibiteur de CaMKII, le KN-93. Nous avons démontré que la production de NO est en partie dépendante de l’activation de CaMKII par les pulsars calciques. En utilisant un modèle d’hypertension induite par l’infusion chronique de PE, nous avons permis de mettre en évidence une perturbation dans la relation entre les pulsars calciques et CaMKII. Dans une seconde étude nous avons établi deux modèles (normo- et hypertendus) d’infusion chronique à l’angiotensine II (AngII) afin évaluer l’impact des ROS et de l’hypertension sur la voie de signalisation pulsars/CaMKII/NO. Nos résultats ont montré une augmentation des pulsars calciques accompagnée d’un recrutement de CaMKII dans les PMEs. Une stimulation aigue à l’AngII suggère que les ROS modulent les dynamiques calciques et que l’AngII stimule la production de NO. Cette étude propose que ces voies de signalisations impliquent les récepteurs de type 1 et 2 à l’AngII (AT1 et AT2). L’étude des pulsars calciques dépend fortement de la structure native des artères qui permet de conserver la formation des PMEs. La dernière étude présentée dans cette thèse a permis d’établir une relation entre les PMEs et les pulsars calciques dans trois lits vasculaires distincts (artères mésentériques, pulmonaires et coronariennes). Nos résultats ont montré que les paramètres cinétiques des pulsars calciques sont fortement conservés entre les différents lits vasculaires. Toutefois, la fréquence globale ainsi que le nombre de sites actifs des pulsars calciques diffèrent avec une proportion plus élevée dans les artères mésentériques et coronariennes comparativement aux artères pulmonaires. Ces résultats corrèlent avec le nombre plus élevé de PMEs retrouvé dans les artères mésentériques et coronariennes. Ces travaux suggèrent que les pulsars calciques sont fondamentaux pour les artères de résistance. Les études de cette thèse ont mené à l’identification d’une nouvelle voie de signalisation impliquant les pulsars calciques et CaMKII endothéliale dans la stimulation de la production de NO. Cette nouvelle voie de signalisation pourrait être impliquée dans la régulation du tonus vasculaire en condition physiopathologique. Les pulsars calciques semblent être fortement conservés entre les différentes artères de résistances et ce malgré la disparité dans les PMEs, suggérant un rôle prépondérant dans la fonction vasculaire. Ces travaux ouvrent une avenue pour le développement de potentielles cibles thérapeutiques pouvant contrer la dysfonction endothéliale associée à l’hypertension artérielle.

Biomarqueurs pronostiques dans le cancer de la prostate : mieux prédire pour mieux traiter

Le cancer de la prostate (CP) est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué en Amérique du Nord et est au troisième rang en termes de létalité chez les hommes. Suite aux traitements de première ligne, 20 à 30% des patients diagnostiqués avec un cancer localisé auront une récidive biochimique de la maladie. La déplétion androgénique mène fréquemment au développement du stade de résistance à la castration (RC). Ce dernier est associé avec une augmentation de la morbidité (métastases osseuses) et de la mortalité avec une survie moyenne inférieure à deux ans. L’évolution du CP est très hétérogène dans la population et il n’existe actuellement aucun biomarqueur pronostique permettant d’identifier les patients à risque de récurrence biochimique, de métastases osseuses et de développement d’une résistance à la castration. De nombreuses études ont démontré que les cytokines inflammatoires IL-6 et IL-8 jouent un rôle dans la pathogénèse du CP, notamment dans le développement de la résistance à la castration. Par ailleurs, les niveaux sériques élevés de ces cytokines ont été associés à un mauvais pronostic. Précédemment, notre laboratoire a démontré in vitro que la protéine IKKε entraîne une augmentation de la sécrétion de ces cytokines dans les cellules du CP et qu’elle est exprimée davantage dans les tissus de cancers plus avancés. Le premier objectif du présent mémoire fut d’évaluer dans des tissus humains la corrélation d’IKKε, IL-6 et IL-8 avec des paramètres cliniques. Nos résultats soulignent le potentiel d’IKKε comme biomarqueur tissulaire pronostique de récurrence biochimique et de métastases osseuses. Nous n’avons trouvé aucune association entre IL-6/IL-8 et les paramètres cliniques inclus dans l’étude. Le second objectif de ce projet fut d’évaluer la coexpression de ces trois molécules dans l’épithélium du CP. Nos résultats confirment les observations in vitro en mettant en évidence une forte association entre l’expression d’IKKε, IL-6 et IL-8. Le troisième objectif fut d’évaluer la relation entre les niveaux sériques et tissulaires d’IL-6 et d’IL-8. Aucune relation significative n’a été établie, suggérant que les cytokines sériques ne sont pas uniquement d’origine prostatique. En conclusion, mon projet de maîtrise aura permis de préciser le potentiel d’IKKε comme biomarqueur tissulaire pronostique et de valider pour la première fois dans des tissus humains sa co-expression avec les cytokines IL-6 et IL-8, dont le rôle dans la pathogénèse de la maladie est bien établi. Une étude plus exhaustive des voies de signalisation d’IKKε reste d’intérêt pour élucider notamment les mécanismes par lesquels IKKε stimule la production de cytokines et par quels moyens cette protéine pourrait être impliquée dans le développement d’un état résistant à la castration.

Primary hemocyte culture of Penaeus monodon as an in vitro model for white spot syndrome virus titration, viral and immune related gene expression and cytotoxicity assays

Immortal cell lines have not yet been reported from Penaeus monodon, which delimits the prospects of investigating the associated viral pathogens especially white spot syndrome virus (WSSV). In this context, a method of developing primary hemocyte culture from this crustacean has been standardized by employing modified double strength Leibovitz-15 (L-15) growth medium supplemented with 2% glucose, MEM vitamins (1 ), tryptose phosphate broth (2.95 g l 1), 20% FBS, N-phenylthiourea (0.2 mM), 0.06 lgml 1 chloramphenicol, 100 lgml 1 streptomycin and 100 IU ml 1 penicillin and hemolymph drawn from shrimp grown under a bio-secured recirculating aquaculture system (RAS). In this medium the hemocytes remained viable up to 8 days. 5-Bromo-20-deoxyuridine (BrdU) labeling assay revealed its incorporation in 22 ± 7% of cells at 24 h. Susceptibility of the cells to WSSV was confirmed by immunofluoresence assay using a monoclonal antibody against 28 kDa envelope protein of WSSV. A convenient method for determining virus titer as MTT50/ml was standardized employing the primary hemocyte culture. Expression of viral genes and cellular immune genes were also investigated. The cell culture could be demonstrated for determining toxicity of a management chemical (benzalkonium chloride) by determining its IC50. The primary hemocyte culture could serve as a model for WSSV titration and viral and cellular immune related gene expression and also for investigations on cytotoxicity of aquaculture drugs and chemicals

Lymphoid organ cell culture system from Penaeus monodon (Fabricius) as a platform for white spot syndrome virus and shrimp immune-related gene expression

Shrimp cell lines are yet to be reported and this restricts the prospects of investigating the associated viral pathogens, especially white spot syndrome virus (WSSV). In this context, development of primary cell cultures from lymphoid organs was standardized. Poly-l-lysine-coated culture vessels enhanced growth of lymphoid cells, while the application of vertebrate growth factors did not, except insulin-like growth factor-1 (IGF-1). Susceptibility of the lymphoid cells to WSSV was confirmed by immunofluoresence assay using monoclonal antibody against the 28 kDa envelope protein of WSSV. Expression of viral and immunerelated genes in WSSV-infected lymphoid cultures could be demonstrated by RT-PCR. This emphasizes the utility of lymphoid primary cell culture as a platform for research in virus–cell interaction, virus morphogenesis, up and downregulation of shrimp immune-related genes, and also for the discovery of novel drugs to combat WSSV in shrimp culture

Anti–white spot syndrome virus activity of Ceriops tagal aqueous extract in giant tiger shrimp Penaeus monodon

White spot syndrome virus (WSSV), the most contagious pathogen of cultured shrimp, causes mass mortality, leading to huge economic loss to the shrimp industry. The lack of effective therapeutic or prophylactic measures has aggravated the situation, necessitating the development of antiviral agents. With this objective, the antiviral activity in the aqueous extract of a mangrove plant Ceriops tagal in Penaeus monodon was evaluated. The Ceriops tagal aqueous extract (CTAE) was non-toxic to shrimps at 50 mg/ml when injected intramuscularly at a dosage of 10 lL/animal (0.5 mg/animal) and showed a protective effect against WSSV at 30 mg/ml when mixed with WSSV suspension at a 1:1 ratio. When the extract was administered along with the diet and the animals were challenged orally, there was a dose-dependent increase in survival, culminating in 100 % survival at a concentration of 500 mg/kg body weight/day. Neither hypertrophied nuclei nor the viral envelope protein VP28 could be demonstrated in surviving shrimps using histology and indirect immunofluorescence histochemistry (IIFH), respectively. To elucidate the mode of action, the temporal expression of WSSV genes and shrimp immune genes, including antimicrobial peptides, was attempted. None of the viral genes were found to be expressed in shrimps that were fed with the extract and challenged or in those that were administered CTAE-exposed WSSV. The overall results suggest that the aqueous extract from C. tagal can protect P. monodon from white spot syndrome virus infection.

Molecular studies on a Dictyostelium homolog of the tafazzin gene, the cause of Barth syndrome in humans

Der eukaryotische Mikroorganismus Dictyostelium discoideum lebt als einzellige Amöbe solange ausreichende Nahrungsressourcen zur Verfügung stehen. Sobald Nahrungsmangel eintritt, entwickeln sich die Zellen von einem einzelligen zu einem mehrzelligen Zustand, der mit einem multizellulären Fruchtkörper abschließt. Dieser Prozess wird durch eine Reihe aufeinanderfolgender Signale organisiert, die eine differentielle Genexpression regulieren. Die Gene der Discoidin I Familie gehören zu den Ersten, die im Laufe des Wachstums-Differenzierungs-Übergangs (engl. GDT) aktiviert werden. Sie eignen sich daher vorzüglich als Marker für den Beginn der Entwicklung. Mit Hilfe einer REMI-Mutagenese und Discoidin I als molekularem Marker sind verschiedene Komponenten des Wachstums-Differenzierungs-Übergangs in unserer Arbeitsgruppe identifiziert worden (Zeng et al., 2000 A und B; Riemann und Nellen, persönliche Mitteilung). Mit demselben Ansatz wurde in der vorliegenden Arbeit eine REMI-Mutante identifiziert, die eine Fehl-Expression von Discoidin zeigte und einen axenischen Wachstumsdefekt bei 15 °C aufwies. Das Gen wurde als Homolog zum humanen Tafazzin-Gen identifiziert. Dieses Gen wurde zur Rekonstruktion des Phänotyps über homologe Rekombination erneut disruptiert, was wie erwartet zu dem zuerst beschriebenen Phänotyp führte. Folgerichtig ergab eine Überexpression des Gens in den Mutanten eine Komplementation des Phänotyps. Immunfluoreszenz-Experimente zeigten eine mitochondriale Lokalisation des Dictyostelium discoideum Taffazzin Proteins. Dass ein mitochondriales Protein in Zusammenhang mit dem Wachstums-Differenzierungs-Übergang steht, ist ein unerwarteter Befund, der aber als Hinweis darauf gewertet werden kann, dass Mitochondrien einen direkten Einfluss auf die entwicklungsspezifische Signaltransduktion ausüben. Die Taffazzin Disruptions-Mutante in Dictyostelium führte zu einem abnormalen Cardiolipin Metabolismus. Dieses Phospholipid ist ein charakteristischer Bestandteil der inneren Mitochondrienmembran und für die Funktion verschiedener Enzyme erforderlich. Unsere vorläufigen Analysen des Phospholipid-Gehalts zeigten Übereinstimmung mit Daten von Patienten mit Barth-Syndrom, einer humanen Erkrankung, bei der das Taffazzin-Gen Mutationen aufweist, und mit Hefe-Mutanten dieses Gens. Dies zeigt den Wert von Dictyostelium discoideum als einen weiteren Modelorganismus zur Untersuchung des Barth-Syndroms und zur Erprobung möglicher Therapieansätze.

"A Sequence in Subdomain 2 of DBL1a of Plasmodium falciparum Erythrocyte Membrane Protein 1 Induces Strain Transcending Antibodies"

Immunity to severe malaria is the first level of immunity acquired to Plasmodium falciparum. Antibodies to the variant antigen PfEMP1 (P. falciparum erythrocyte membrane protein 1) present at the surface of the parasitized red blood cell (pRBC) confer protection by blocking microvascular sequestration. Here we have generated antibodies to peptide sequences of subdomain 2 of PfEMP1-DBL1a previously identified to be associated with severe or mild malaria. A set of sera generated to the amino acid sequence KLQTLTLHQVREYWWALNRKEVWKA, containing the motif ALNRKE, stained the live pRBC. 50% of parasites tested (7/14) were positive both in flow cytometry and immunofluorescence assays with live pRBCs including both laboratory strains and in vitro adapted clinical isolates. Antibodies that reacted selectively with the sequence REYWWALNRKEVWKA in a 15-mer peptide array of DBL1a-domains were also found to react with the pRBC surface. By utilizing a peptide array to map the binding properties of the elicited anti-DBL1a antibodies, the amino acids WxxNRx were found essential for antibody binding. Complementary experiments using 135 degenerate RDSM peptide sequences obtained from 93 Ugandan patient-isolates showed that antibody binding occurred when the amino acids WxLNRKE/D were present in the peptide. The data suggests that the ALNRKE sequence motif, associated with severe malaria, induces strain-transcending antibodies that react with the pRBC surface

Annotation and characterization of the Plasmodium vivax rhoptry neck protein 4 (PvRON4)

Background: The tight junction (TJ) is one of the most important structures established during merozoite invasion of host cells and a large amount of proteins stored in Toxoplasma and Plasmodium parasites’ apical organelles are involved in forming the TJ. Plasmodium falciparum and Toxoplasma gondii apical membrane antigen 1 (AMA-1) and rhoptry neck proteins (RONs) are the two main TJ components. It has been shown that RON4 plays an essential role during merozoite and sporozoite invasion to target cells. This study has focused on characterizing a novel Plasmodium vivax rhoptry protein, RON4, which is homologous to PfRON4 and PkRON4. Methods: The ron4 gene was re-annotated in the P. vivax genome using various bioinformatics tools and taking PfRON4 and PkRON4 amino acid sequences as templates. Gene synteny, as well as identity and similarity values between open reading frames (ORFs) belonging to the three species were assessed. The gene transcription of pvron4, and the expression and localization of the encoded protein were also determined in the VCG-1 strain by molecular and immunological studies. Nucleotide and amino acid sequences obtained for pvron4 in VCG-1 were compared to those from strains coming from different geographical areas. Results: PvRON4 is a 733 amino acid long protein, which is encoded by three exons, having similar transcription and translation patterns to those reported for its homologue, PfRON4. Sequencing PvRON4 from the VCG-1 strain and comparing it to P. vivax strains from different geographical locations has shown two conserved regions separated by a low complexity variable region, possibly acting as a “smokescreen”. PvRON4 contains a predicted signal sequence, a coiled-coil α-helical motif, two tandem repeats and six conserved cysteines towards the carboxyterminus and is a soluble protein lacking predicted transmembranal domains or a GPI anchor. Indirect immunofluorescence assays have shown that PvRON4 is expressed at the apical end of schizonts and co-localizes at the rhoptry neck with PvRON2.

Characterizing PvARP, a novel Plasmodium vivax antigen

Background Plasmodium vivax continues to be the most widely distributed malarial parasite species in tropical and sub-tropical areas, causing high morbidity indices around the world. Better understanding of the proteins used by the parasite during the invasion of red blood cells is required to obtain an effective vaccine against this disease. This study describes characterizing the P. vivax asparagine-rich protein (PvARP) and examines its antigenicity in natural infection. Methods The target gene in the study was selected according to a previous in silico analysis using profile hidden Markov models which identified P. vivax proteins that play a possible role in invasion. Transcription of the arp gene in the P. vivax VCG-1 strain was here evaluated by RT-PCR. Specific human antibodies against PvARP were used to confirm protein expression by Western blot as well as its subcellular localization by immunofluorescence. Recognition of recombinant PvARP by sera from P. vivax-infected individuals was evaluated by ELISA. Results VCG-1 strain PvARP is a 281-residue-long molecule, which is encoded by a single exon and has an N-terminal secretion signal, as well as a tandem repeat region. This protein is expressed in mature schizonts and is located on the surface of merozoites, having an apparent accumulation towards their apical pole. Sera from P. vivax-infected patients recognized the recombinant, thereby suggesting that this protein is targeted by the immune response during infection.

PvRON2, a new Plasmodium vivax rhoptry neck antigen

Background: Rhoptries are specialized organelles from parasites belonging to the phylum Apicomplexa; they secrete their protein content during invasion of host target cells and are sorted into discrete subcompartments within rhoptry neck or bulb. This distribution is associated with these proteins’ role in tight junction (TJ) and parasitophorous vacuole (PV) formation, respectively. Methods: Plasmodium falciparum RON2 amino acid sequence was used as bait for screening the codifying gene for the homologous protein in the Plasmodium vivax genome. Gene synteny, as well as identity and similarity values, were determined for ron2 and its flanking genes among P. falciparum, P. vivax and other malarial parasite genomes available at PlasmoDB and Sanger Institute databases. Pvron2 gene transcription was determined by RT-PCR of cDNA obtained from the P. vivax VCG-1 strain. Protein expression and localization were assessed by Western blot and immunofluorescence using polyclonal anti-PvRON2 antibodies. Co-localization was confirmed using antibodies directed towards specific microneme and rhoptry neck proteins. Results and discussion: The first P. vivax rhoptry neck protein (named here PvRON2) has been identified in this study. PvRON2 is a 2,204 residue-long protein encoded by a single 6,615 bp exon containing a hydrophobic signal sequence towards the amino-terminus, a transmembrane domain towards the carboxy-terminus and two coiled coil a-helical motifs; these are characteristic features of several previously described vaccine candidates against malaria. This protein also contains two tandem repeats within the interspecies variable sequence possibly involved in evading a host’s immune system. PvRON2 is expressed in late schizonts and localized in rhoptry necks similar to what has been reported for PfRON2, which suggests its participation during target cell invasion. Conclusions: The identification and partial characterization of the first P. vivax rhoptry neck protein are described in the present study. This protein is homologous to PfRON2 which has previously been shown to be associated with PfAMA-1, suggesting a similar role for PvRON2.

A sequence in subdomain 2 of DBL1 alpha of plasmodium falciparum erythrocyte membrane protein 1 induces strain transcending antibodies

Immunity to severe malaria is the first level of immunity acquired to Plasmodium falciparum. Antibodies to the variant antigen PfEMP1 (P. falciparum erythrocyte membrane protein 1) present at the surface of the parasitized red blood cell (pRBC) confer protection by blocking microvascular sequestration. Here we have generated antibodies to peptide sequences of subdomain 2 of PfEMP1-DBL1 alpha previously identified to be associated with severe or mild malaria. A set of sera generated to the amino acid sequence KLQTLTLHQVREYWWALNRKEVWKA, containing the motif ALNRKE, stained the live pRBC. 50% of parasites tested (7/14) were positive both in flow cytometry and immunofluorescence assays with live pRBCs including both laboratory strains and in vitro adapted clinical isolates. Antibodies that reacted selectively with the sequence REYWWALNRKEVWKA in a 15-mer peptide array of DBL1 alpha-domains were also found to react with the pRBC surface. By utilizing a peptide array to map the binding properties of the elicited anti-DBL1 alpha antibodies, the amino acids WxxNRx were found essential for antibody binding. Complementary experiments using 135 degenerate RDSM peptide sequences obtained from 93 Ugandan patient-isolates showed that antibody binding occurred when the amino acids WxLNRKE/D were present in the peptide. The data suggests that the ALNRKE sequence motif, associated with severe malaria, induces strain-transcending antibodies that react with the pRBC surface.

Identification, characterization and antigenicity of the Plasmodium vivax rhoptry neck protein 1 (PvRON1)

Background: Plasmodium vivax malaria remains a major health problem in tropical and sub-tropical regions worldwide. Several rhoptry proteins which are important for interaction with and/or invasion of red blood cells, such as PfRONs, Pf92, Pf38, Pf12 and Pf34, have been described during the last few years and are being considered as potential anti-malarial vaccine candidates. This study describes the identification and characterization of the P. vivax rhoptry neck protein 1 (PvRON1) and examine its antigenicity in natural P. vivax infections. Methods: The PvRON1 encoding gene, which is homologous to that encoding the P. falciparum apical sushi protein (ASP) according to the plasmoDB database, was selected as our study target. The pvron1 gene transcription was evaluated by RT-PCR using RNA obtained from the P. vivax VCG-1 strain. Two peptides derived from the deduced P. vivax Sal-I PvRON1 sequence were synthesized and inoculated in rabbits for obtaining anti-PvRON1 antibodies which were used to confirm the protein expression in VCG-1 strain schizonts along with its association with detergent-resistant microdomains (DRMs) by Western blot, and its localization by immunofluorescence assays. The antigenicity of the PvRON1 protein was assessed using human sera from individuals previously exposed to P. vivax malaria by ELISA. Results: In the P. vivax VCG-1 strain, RON1 is a 764 amino acid-long protein. In silico analysis has revealed that PvRON1 shares essential characteristics with different antigens involved in invasion, such as the presence of a secretory signal, a GPI-anchor sequence and a putative sushi domain. The PvRON1 protein is expressed in parasite's schizont stage, localized in rhoptry necks and it is associated with DRMs. Recombinant protein recognition by human sera indicates that this antigen can trigger an immune response during a natural infection with P. vivax. Conclusions: This study shows the identification and characterization of the P. vivax rhoptry neck protein 1 in the VCG-1 strain. Taking into account that PvRON1 shares several important characteristics with other Plasmodium antigens that play a functional role during RBC invasion and, as shown here, it is antigenic, it could be considered as a good vaccine candidate. Further studies aimed at assessing its immunogenicity and protection-inducing ability in the Aotus monkey model are thus recommended.