Plants and animals share functionally common bacterial virulence factors

By exploiting the ability of Pseudomonas aeruginosa to infect a variety of vertebrate and nonvertebrate hosts, we have developed model systems that use plants and nematodes as adjuncts to mammalian models to help elucidate the molecular basis of P. aeruginosa pathogenesis. Our studies reveal a remarkable degree of conservation in the virulence mechanisms used by P. aeruginosa to infect hosts of divergent evolutionary origins.

From symmetry to asymmetry: Phylogenetic patterns of asymmetry variation in animals and their evolutionary significance

Phylogenetic analyses of asymmetry variation offer a powerful tool for exploring the interplay between ontogeny and evolution because (i) conspicuous asymmetries exist in many higher metazoans with widely varying modes of development, (ii) patterns of bilateral variation within species may identify genetically and environmentally triggered asymmetries, and (iii) asymmetries arising at different times during development may be more sensitive to internal cytoplasmic inhomogeneities compared to external environmental stimuli. Using four broadly comparable asymmetry states (symmetry, antisymmetry, dextral, and sinistral), and two stages at which asymmetry appears developmentally (larval and postlarval), I evaluated relations between ontogenetic and phylogenetic patterns of asymmetry variation. Among 140 inferred phylogenetic transitions between asymmetry states, recorded from 11 classes in five phyla, directional asymmetry (dextral or sinistral) evolved directly from symmetrical ancestors proportionally more frequently among larval asymmetries. In contrast, antisymmetry, either as an end state or as a transitional stage preceding directional asymmetry, was confined primarily to postlarval asymmetries. The ontogenetic origin of asymmetry thus significantly influences its subsequent evolution. Furthermore, because antisymmetry typically signals an environmentally triggered asymmetry, the phylogenetic transition from antisymmetry to directional asymmetry suggests that many cases of laterally fixed asymmetries evolved via genetic assimilation.

Positive selection of an MHC class-I restricted TCR in the absence of classical MHC class I molecules

The H-2Ld alloreactive 2C T cell receptor (TCR) is commonly considered as being positively selected on the H-2Kb molecule. Surprisingly, 2C TCR+ CD8+ single-positive T cells emerge in massive numbers in fetal thymic organ culture originating from 2C transgenic, H-2KbDb−/− (2C+KbDb−/−) but not in fetal thymic organ culture from β2-microglobulin−/− 2C transgenic animals. Mature CD8+ T cells are observed in newborn but not in adult 2C+KbDb−/− mice. These CD8+ T cells express the α4β7 integrin, which allows them to populate the intestine, a pattern of migration visualized by intrathymic injection of FITC and subsequent accrual of FITC-labeled lymphocytes in the gut. We conclude that the 2C TCR is reactive not only with H-2Ld and H-2Kb, but also with nonclassical MHC class I products to enable positive selection of 2C+ T cells in the fetal and newborn thymus and to support their maintenance in the intestine.

Polypeptide signaling for plant defensive genes exhibits analogies to defense signaling in animals.

The activation of plant defensive genes in leaves of tomato plants in response to herbivore damage or mechanical wounding is mediated by a mobile 18-amino acid polypeptide signal called systemin. Systemin is derived from a larger, 200-amino acid precursor called prosystemin, similar to polypeptide hormones and soluble growth factors in animals. Systemin activates a lipid-based signaling cascade, also analogous to signaling systems found in animals. In plants, linolenic acid is released from membranes and is converted to the oxylipins phytodienoic acid and jasmonic acid through the octadecanoid pathway. Plant oxylipins are structural analogs of animal prostaglandins which are derived from arachidonic acid in response to various signals, including polypeptide factors. Constitutive overexpression of the prosystemin gene in transgenic tomato plants resulted in the overproduction of prosystemin and the abnormal release of systemin, conferring a constitutive overproduction of several systemic wound-response proteins (SWRPs). The data indicate that systemin is a master signal for defense against attacking herbivores. The same defensive proteins induced by wounding are synthesized in response to oligosaccharide elicitors that are generated in leaf cells in response to pathogen attacks. Inhibitors of the octadecanoid pathway, and a mutation that interrupts this pathway, block the induction of SWRPs by wounding, systemin, and oligosaccharide elicitors, indicating that the octadecanoid pathway is essential for the activation of defense genes by all of these signals. The tomato mutant line that is functionally deficient in the octadecanoid pathway is highly susceptible to attacks by Manduca sexta larvae. The similarities between the defense signaling pathway in tomato leaves and those of the defense signaling pathways of macrophages and mast cells of animals suggests that both the plant and animal pathways may have evolved from a common ancestral origin.

A family of lysozyme-like virulence factors in bacterial pathogens of plants and animals.

We describe a conserved family of bacterial gene products that includes the VirB1 virulence factor encoded by tumor-inducing plasmids of Agrobacterium spp., proteins involved in conjugative DNA transfer of broad-host-range bacterial plasmids, and gene products that may be involved in invasion by Shigella spp. and Salmonella enterica. Sequence analysis and structural modeling show that the proteins in this group are related to chicken egg white lysozyme and are likely to adopt a lysozyme-like structural fold. Based on their similarity to lysozyme, we predict that these proteins have glycosidase activity. Iterative data base searches with three conserved sequence motifs from this protein family detect a more distant relationship to bacterial and bacteriophage lytic transglycosylases, and goose egg white lysozyme. Two acidic residues in the VirB1 protein of Agrobacterium tumefaciens form a putative catalytic dyad, Each of these residues was changed into the corresponding amide by site-directed mutagenesis. Strains of A. tumefaciens that express mutated VirB1 proteins have a significantly reduced virulence. We hypothesize that many bacterial proteins involved in export of macromolecules belong to a widespread class of hydrolases and cleave beta-1,4-glycosidic bonds as part of their function.

Successful expression of human factor IX following repeat administration of adenoviral vector in mice.

Adenoviral vectors can direct high-level expression of a transgene, but, due to a host immune response to adenoviral antigens, expression is of limited duration, and repetitive administration has generally been unsuccessful. Exposure to foreign proteins beginning in the neonatal period may alter or ablate the immune response. We injected adult and neonatal (immunocompetent) CD-1 mice intravenously with an adenoviral vector expressing human blood coagulation factor IX. In both groups of mice, expression of human factor IX persisted for 12-16 weeks. However, in mice initially injected as adults, repeat administration of the vector resulted in no detectable expression of the transgene, whereas in mice initially injected in the neonatal period, repeat administration resulted in high-level expression of human factor IX. We show that animals that fail to express the transgene on repeat administration have developed high-titer neutralizing antibodies to adenovirus, whereas those that do express factor IX have not. This experimental model suggests that newborn mice can be tolerized to adenoviral vectors and demonstrates that at least one repeat injection of the adenoviral vector is possible; the model will be useful in elucidating the immunologic mechanisms underlying successful repeat administration of adenoviral vectors.

Cyp1a2(-/-) null mutant mice develop normally but show deficient drug metabolism.

Cytochrome P450 1A2 (CYP1A2) is a predominantly hepatic enzyme known to be important in the metabolism of numerous foreign chemicals of pharmacologic, toxicologic, and carcinogenic significance. CYP1A2 substrates include aflatoxin B1, acetaminophen, and a variety of environmental arylamines. To define better the developmental and metabolic functions of this enzyme, we developed a CYP1A2-deficient mouse line by homologous recombination in embryonic stem cells. Mice homozygous for the targeted Cyp1a2 gene, designated Cyp1a2(-/-), are completely viable and fertile; histologic examination of 15-day embryos, newborn pups, and 3-week-old mice revealed no abnormalities. No CYP1A2 mRNA was detected by Northern blot analysis. Moreover, mRNA levels of Cyp1a1, the other gene in the same subfamily, appear unaffected by loss of the Cyp1a2 gene. Because the muscle relaxant zoxazolamine is a known substrate for CYP1A2, we studied the Cyp1a2(-/-) genotype by using the zoxazolamine paralysis test: the Cyp1a2(-/-) mice exhibited dramatically lengthened paralysis times relative to the Cyp1a2(+/+) wild-type animals, and the Cyp1a2(+/-) heterozygotes showed an intermediate effect. Availability of a viable and fertile CYP1A2-deficient mouse line will provide a valuable tool for researchers wishing to define the precise role of CYP1A2 in numerous metabolic and pharmacokinetic processes.

Protective immune responses induced by secretion of a chimeric soluble protein from a recombinant Mycobacterium bovis bacillus Calmette-Guérin vector candidate vaccine for human immunodeficiency virus type 1 in small animals.

A recombinant Mycobacterium bovis bacillus Calmette-Guérin (BCG) vector-based vaccine that secretes the V3 principal neutralizing epitope of human immunodeficiency virus (HIV) could induce immune response to the epitope and prevent the viral infection. By using the Japanese consensus sequence of HIV-1, we successfully constructed chimeric protein secretion vectors by selecting an appropriate insertion site of a carrier protein and established the principal neutralizing determinant (PND)-peptide secretion system in BCG. The recombinant BCG (rBCG)-inoculated guinea pigs were initially screened by delayed-type hypersensitivity (DTH) skin reactions to the PND peptide, followed by passive transfer of the DTH by the systemic route. Further, immunization of mice with the rBCG resulted in induction of cytotoxic T lymphocytes. The guinea pig immune antisera showed elevated titers to the PND peptide and neutralized HIVMN, and administration of serum IgG from the vaccinated guinea pigs was effective in completely blocking the HIV infection in thymus/liver transplanted severe combined immunodeficiency (SCID)/hu or SCID/PBL mice. In addition, the immune serum IgG was shown to neutralize primary field isolates of HIV that match the neutralizing sequence motif by a peripheral blood mononuclear cell-based virus neutralization assay. The data support the idea that the antigen-secreting rBCG system can be used as a tool for development of HIV vaccines.

[Leu5]enkephalin-encoding sequences are targets for a specific DNA-binding factor.

A DNA-binding factor with high affinity and specificity for the [Leu5]enkephalin-encoding sequences in the prodynorphin and proenkephalin genes has been characterized. The factor has the highest affinity for the [Leu5]-enkephalin-encoding sequence in the dynorphin B-encoding region of the prodynorphin gene, has relatively high affinity for other [Leu5]enkephalin-encoding sequences in the prodynorphin and proenkephalin genes, but has no apparent affinity for similar DNA sequences coding for [Met5]-enkephalin in the prodynorphin or proopiomelanocortin genes. The factor has been named [Leu5]enkephalin-encoding sequence DNA-binding factor (LEF). LEF has a nuclear localization and is composed of three subunits of about 60, 70, and 95 kDa, respectively. The highest levels were observed in rat testis, cerebellum, and spleen and were generally higher in late embryonal compared to newborn or adult animals. LEF activity was also recorded in human clonal tumor cell lines. LEF inhibited the transcription of reporter genes in artificial gene constructs where a [Leu5]enkephalin-encoding DNA fragment had been inserted between the transcription initiation site and the coding region of the reporter genes. These observations suggest that the [Leu5]enkephalin-encoding sequences in the prodynorphin and proenkephalin genes also have regulatory functions realized through interaction with a specific DNA-binding factor.

Apolipoprotein B mRNA-editing protein induces hepatocellular carcinoma and dysplasia in transgenic animals.

Apolipoprotein (apo-) B mRNA editing is the deamination of cytidine that creates a new termination codon and produces a truncated version of apo-B (apo-B48). The cytidine deaminase catalytic subunit [apo-B mRNA-editing enzyme catalytic polypeptide 1 (APOBEC-1)] of the multiprotein editing complex has been identified. We generated transgenic rabbits and mice expressing rabbit APOBEC-1 in their livers to determine whether hepatic expression would lower low density lipoprotein cholesterol concentrations. The apo-B mRNA from the livers of the transgenic mice and rabbit was extensively edited, and the transgenic animals had reduced concentrations of apo-B100 and low density lipoproteins compared with control animals. Unexpectedly, all of the transgenic mice and a transgenic rabbit had liver dysplasia, and many transgenic mice developed hepatocellular carcinomas. Many of the mouse livers were hyperplastic and filled with lipid. Other hepatic mRNAs with sequence motifs similar to apo-B mRNA were examined for this type of editing (i.e., cytidine deamination). One of these, tyrosine kinase, was edited in livers of transgenic mice but not of controls. This result demonstrates that other mRNAs can be edited by the overexpressed editing enzyme and suggests that aberrant editing of hepatic mRNAs involved in cell growth and regulation is the cause of the tumorigenesis. Finally, these findings compromise the potential use of APOBEC-1 for gene therapy to lower plasma levels of low density lipoproteins.

Targeted disruption of the surfactant protein B gene disrupts surfactant homeostasis, causing respiratory failure in newborn mice.

Surfactant protein B (SP-B) is an 8.7-kDa, hydrophobic protein that enhances the spreading and stability of surfactant phospholipids in the alveolus. To further assess the role of SP-B in lung function, the SP-B gene was disrupted by homologous recombination in murine mouse embryonic stem cells. Mice with a single mutated SP-B allele (+/-) were unaffected, whereas homozygous SP-B -/- offspring died of respiratory failure immediately after birth. Lungs of SP-B -/- mice developed normally but remained atelectatic in spite of postnatal respiratory efforts. SP-B protein and mRNA were undetectable and tubular myelin figures were lacking in SP-B -/- mice. Type II cells of SP-B -/- mice contained no fully formed lamellar bodies. While the abundance of SP-A and SP-C mRNAs was not altered, an aberrant form of pro-SP-C, 8.5 kDa, was detected, and fully processed SP-C peptide was markedly decreased in lung homogenates of SP-B -/- mice. Ablation of the SP-B gene disrupts the routing, storage, and function of surfactant phospholipids and proteins, causing respiratory failure at birth.

Evolutionary importance for the membrane enhancement of the production of vitamin D3 in the skin of poikilothermic animals.

The photoproduction of vitamin D in the skin was essential for the evolutionary development of terrestrial vertebrates. During exposure to sunlight, previtamin D3 formed in the skin is isomerized to vitamin D3 (calciol) by a temperature-dependent process. Since early land vertebrates were poikilothermic, the relatively slow conversion of previtamin D3 to vitamin D3 at ambient temperature put them at serious risk for developing vitamin D deficiency, thus leading to a poorly mineralized skeleton that could have ultimately halted further evolutionary development of vertebrates on land. We evaluated the rate of isomerization of previtamin D3 to vitamin D3 in the skin of iguanas and found the isomerization rate was enhanced by 1100% and 1700% at 25 degrees C and 5 degrees C, respectively. It is likely that the membrane entrapment of previtamin D3 in its s-cis,s-cis conformation is responsible for the markedly enhanced conversion of previtamin D3 to vitamin D3. The membrane-enhanced production of vitamin D3 ensures the critical supply of vitamin D3 to poikilothermic animals such as iguanas.

La riproduzione nei rettili: nuove prospettive e sviluppi futuri

L’allevamento in cattività dei rettili è in costante crescita negli ultimi anni e richiede conoscenze mediche sempre più specialistiche per far fronte ai numerosi problemi legati a questi animali. Il corretto approccio medico prevede una profonda conoscenza delle specie prese in esame dal momento che la maggior parte delle problematiche riproduttive di questi animali sono legate ad una non corretta gestione dei riproduttori. L’apparato riproduttore dei rettili è estremamente vario a seconda delle specie prese in considerazione. Sauri ed ofidi possiedono due organi copulatori denominati emipeni e posizionati alla base della coda caudalmente alla cloaca che vengono estroflessi alternativamente durante l’accoppiamento per veicolare lo spera all’interno della cloaca della femmina. In questi animali il segmento posteriore renale è chiamato segmento sessuale, perché contribuisce alla formazione del fluido seminale. Tale porzione, durante la stagione dell’accoppiamento, diventa più voluminosa e cambia drasticamente colore, tanto che può essere confusa con una manifestazione patologica. I cheloni al contrario possiedono un unico pene che non viene coinvolto nella minzione. In questi animali. I testicoli sono due e sono situati all’interno della cavità celomatica in posizione cranioventrale rispetto ai reni. I testicoli possono variare notevolmente sia come forma che come dimensione a seconda del periodo dell’anno. Il ciclo estrale dei rettili è regolato, come pure nei mammiferi, dagli ormoni steroidei. La variazione di questi ormoni a livello ematico è stata studiato da diversi autori con il risultato di aver dimostrato come la variazione dei dosaggi degli stessi determini l’alternanza delle varie fasi del ciclo riproduttivo. La relazione tra presenza di uova (anche placentari) ed alti livelli di progesterone suggerisce che questo ormone gioca un ruolo importante nelle riproduzione delle specie ovipare per esempio stimolando la vascolarizzazione degli ovidutti durante i tre mesi in cui si ha lo sviluppo delle uova. Il 17-beta estradiolo è stato descritto come un ormone vitellogenico grazie alla sua capacità di promuovere lo sviluppo dei follicoli e la formazione di strati protettivi dell’uovo. L’aumento del livello di estradiolo osservato esclusivamente nelle femmine in fase vitellogenica è direttamente responsabile della mobilizzazione delle riserve materne in questa fase del ciclo. Va sottolineato come il progesterone sia in effetti un antagonista dell’estradiolo, riducendo la vitellogenesi e intensificando gli scambi materno fetali a livello di ovidutto. Le prostaglandine (PG) costituiscono un gruppo di molecole di origine lipidica biologicamente attive, sintetizzate sotto varie forme chimiche. Sono noti numerosi gruppi di prostaglandine ed è risputo che pesci, anfibi, rettili e mammiferi sintetizzano una o più prostaglandine partendo da acidi grassi precursori. Queste sostanze anche nei rettili agiscono sulla mucosa dell’utero aumentandone le contrazioni e sui corpi lutei determinandone la lisi. La maturità sessuale dei rettili, dipende principalmente dalla taglia piuttosto che dall’età effettiva dell’animale. In cattività, l’alimentazione e le cure dell’allevatore, possono giocare un ruolo fondamentale nel raggiungimento della taglia necessaria all’animale per maturare sessualmente. Spesso, un animale d’allevamento raggiunge prima la maturità sessuale rispetto ai suoi simili in natura. La maggior parte dei rettili sono ovipari, ovvero depongono uova con guscio sulla sabbia o in nidi creati appositamente. La condizione di ovoviviparità è riscontrabile in alcuni rettili. Le uova, in questo caso, vengono ritenute all’interno del corpo, fino alla nascita della progenie. Questa può essere considerata una strategia evolutiva di alcuni animali, che in condizioni climatiche favorevoli effettuano l’ovo deposizione, ma se il clima non lo permette, ritengono le uova fino alla nascita della prole. Alcuni serpenti e lucertole sono vivipari, ciò significa che l’embrione si sviluppa all’interno del corpo dell’animale e che è presente una placenta. I piccoli fuoriescono dal corpo dell’animale vivi e reattivi. La partenogenesi è una modalità di riproduzione asessuata, in cui si ha lo sviluppo dell’uovo senza che sia avvenuta la fecondazione. Trenta specie di lucertole e alcuni serpenti possono riprodursi con questo metodo. Cnemidophorus uniparens, C. velox e C. teselatus alternano la partenogenesi a una riproduzione sessuata, a seconda della disponibilità del maschio. La maggior parte dei rettili non mostra alcuna cura materna per le uova o per i piccoli che vengono abbandonati al momento della nascita. Esistono tuttavia eccezioni a questa regola generale infatti alcune specie di pitoni covano le uova fino al momento della schiusa proteggendole dai predatori e garantendo la giusta temperatura e umidità. Comportamenti di guardia al nido sono poi stati documentati in numerosi rettili, sia cheloni che sauri che ofidi. Nella maggior parte delle tartarughe, la riproduzione è legata alla stagione. Condizioni favorevoli, possono essere la stagione primaverile nelle zone temperate o la stagione umida nelle aree tropicali. In cattività, per riprodurre queste condizioni, è necessario fornire, dopo un periodo di ibernazione, un aumento del fotoperiodo e della temperatura. L’ atteggiamento del maschio durante il corteggiamento è di notevole aggressività, sia nei confronti degli altri maschi, con i quali combatte copiosamente, colpendoli con la corazza e cercando di rovesciare sul dorso l’avversario, sia nei confronti della femmina. Infatti prima della copulazione, il maschio insegue la femmina, la sperona, la morde alla testa e alle zampe e infine la immobilizza contro un ostacolo. Il comportamento durante la gravidanza è facilmente riconoscibile. La femmina tende ad essere molto agitata, è aggressiva nei confronti delle altre femmine e inizia a scavare buche due settimane prima della deposizione. La femmina gravida costruisce il nido in diverse ore. Scava, con gli arti anteriori, buche nel terreno e vi depone le uova, ricoprendole di terriccio e foglie con gli arti posteriori. A volte, le tartarughe possono trattenere le uova, arrestando lo sviluppo embrionale della prole per anni quando non trovano le condizioni adatte a nidificare. Lo sperma, inoltre, può essere immagazzinato nell’ovidotto fino a sei anni, quindi la deposizione di uova fertilizzate può verificarsi senza che sia avvenuto l’accoppiamento durante quel ciclo riproduttivo. I comportamenti riproduttivi di tutte le specie di lucertole dipendono principalmente dalla variazione stagionale, correlata al cambiamento di temperatura e del fotoperiodo. Per questo, se si vuole far riprodurre questi animali in cattività, è necessario valutare per ogni specie una temperatura e un’illuminazione adeguata. Durante il periodo riproduttivo, un atteggiamento caratteristico di diverse specie di lucertole è quello di riprodurre particolari danze e movimenti ritmici della testa. In alcune specie, possiamo notare il gesto di estendere e retrarre il gozzo per mettere in evidenza la sua brillante colorazione e richiamare l’attenzione della femmina. L’aggressività dei maschi, durante la stagione dell’accoppiamento, è molto evidente, in alcuni casi però, anche le femmine tendono ad essere aggressive nei confronti delle altre femmine, specialmente durante l’ovo deposizione. La fertilizzazione è interna e durante la copulazione, gli spermatozoi sono depositati nella porzione anteriore della cloaca femminile, si spostano successivamente verso l’alto, dirigendosi nell’ovidotto, in circa 24-48 ore; qui, fertilizzano le uova che sono rilasciate nell’ovidotto dall’ovario. Negli ofidi il corteggiamento è molto importante e i comportamenti durante questa fase possono essere diversi da specie a specie. I feromoni specie specifici giocano un ruolo fondamentale nell’attrazione del partner, in particolar modo in colubridi e crotalidi. La femmina di queste specie emette una traccia odorifera, percepita e seguita dal maschio. Prima dell’accoppiamento, inoltre, il maschio si avvicina alla femmina e con la sua lingua bifida o con il mento, ne percorre tutto il corpo per captare i feromoni. Dopo tale comportamento, avviene la copulazione vera e propria con la apposizione delle cloache; gli emipeni vengono utilizzati alternativamente e volontariamente dal maschio. Durante l’ovulazione, il serpente aumenterà di volume nella sua metà posteriore e contrazioni muscolari favoriranno lo spostamento delle uova negli ovidotti. In generale, se l’animale è oviparo, avverrà una muta precedente alla ovo deposizione, che avviene prevalentemente di notte. Gli spermatozoi dei rettili sono morfologicamente simili a quelli di forme superiori di invertebrati. La fecondazione delle uova, da parte di spermatozoi immagazzinati nel tratto riproduttivo femminile, è solitamente possibile anche dopo mesi o perfino anni dall’accoppiamento. La ritenzione dei gameti maschili vitali è detta amphigonia retardata e si ritiene che questa caratteristica offra molti benefici per la sopravvivenza delle specie essendo un adattamento molto utile alle condizioni ambientali quando c’è una relativa scarsità di maschi conspecifici disponibili. Nell’allevamento dei rettili in cattività un accurato monitoraggio dei riproduttori presenta una duplice importanza. Permette di sopperire ad eventuali errori di management nel caso di mancata fertilizzazione e inoltre permette di capire quale sia il grado di sviluppo del prodotto del concepimento e quindi di stabilire quale sia il giorno previsto per la deposizione. Le moderne tecniche di monitoraggio e l’esperienza acquisita in questi ultimi anni permettono inoltre di valutare in modo preciso lo sviluppo follicolare e quindi di stabilire quale sia il periodo migliore per l’accoppiamento. Il dimorfismo sessuale nei serpenti è raro e anche quando presente è poco evidente. Solitamente nei maschi, la coda risulta essere più larga rispetto a quella della femmina in quanto nel segmento post-cloacale vi sono alloggiati gli emipeni. Il maschio inoltre, è generalmente più piccolo della femmina a parità di età. Molti cheloni sono sessualmente dimorfici sebbene i caratteri sessuali secondari siano poco apprezzabili nei soggetti giovani e diventino più evidenti dopo la pubertà. In alcune specie si deve aspettare per più di 10 anni prima che il dimorfismo sia evidente. Le tartarughe di sesso maschile tendono ad avere un pene di grosse dimensioni che può essere estroflesso in caso di situazioni particolarmente stressanti. I maschi sessualmente maturi di molte specie di tartarughe inoltre tendono ad avere una coda più lunga e più spessa rispetto alle femmine di pari dimensioni e la distanza tra il margine caudale del piastrone e l’apertura cloacale è maggiore rispetto alle femmine. Sebbene la determinazione del sesso sia spesso difficile nei soggetti giovani molti sauri adulti hanno dimorfismo sessuale evidente. Nonostante tutto comunque anche tra i sauri esistono molte specie come per esempio Tiliqua scincoides, Tiliqua intermedia, Gerrhosaurus major e Pogona vitticeps che anche in età adulta non mostrano alcun carattere sessuale secondario evidente rendendone molto difficile il riconoscimento del sesso. Per garantire un riconoscimento del sesso degli animali sono state messe a punto diverse tecniche di sessaggio che variano a seconda della specie presa in esame. L’eversione manuale degli emipeni è la più comune metodica utilizzata per il sessaggio dei giovani ofidi ed in particolare dei colubridi. I limiti di questa tecnica sono legati al fatto che può essere considerata attendibile al 100% solo nel caso di maschi riconosciuti positivi. L’eversione idrostatica degli emipeni esattamente come l’eversione manuale degli emipeni si basa sull’estroflessione di questi organi dalla base della coda, pertanto può essere utilizzata solo negli ofidi e in alcuni sauri. La procedura prevede l’iniezione di fluido sterile (preferibilmente soluzione salina isotonica) nella coda caudalmente all’eventuale posizione degli emipeni. Questa tecnica deve essere eseguita solo in casi eccezionali in quanto non è scevra da rischi. L’utilizzo di sonde cloacali è il principale metodo di sessaggio per gli ofidi adulti e per i sauri di grosse dimensioni. Per questa metodica si utilizzano sonde metalliche dello spessore adeguato al paziente e con punta smussa. Nei soggetti di genere maschile la sonda penetra agevolmente al contrario di quello che accade nelle femmine. Anche gli esami radiografici possono rendersi utili per il sessaggio di alcune specie di Varani (Varanus achanturus, V. komodoensis, V. olivaceus, V. gouldi, V. salvadorii ecc.) in quanto questi animali possiedono zone di mineralizzazione dei tessuti molli (“hemibacula”) che possono essere facilmente individuate nei maschi. Diversi studi riportano come il rapporto tra estradiolo e androgeni nel plasma o nel liquido amniotico sia un possibile metodo per identificare il genere sessuale delle tartarughe. Per effettuare il dosaggio ormonale, è necessario prelevare un campione di sangue di almeno 1 ml ad animale aspetto che rende praticamente impossibile utilizzare questo metodo di sessaggio nelle tartarughe molto piccole e nei neonati. L’ecografia, volta al ritrovamento degli emipeni, sembra essere un metodo molto preciso, per la determinazione del sesso nei serpenti. Uno studio compiuto presso il dipartimento di Scienze Medico Veterinarie dell’Università di Parma, ha dimostrato come questo metodo abbia una sensibilità, una specificità e un valore predittivo positivo e negativo pari al 100%. La radiografia con mezzo di contrasto e la tomografia computerizzata possono essere utilizzate nel sessaggio dei sauri, con buoni risultati. Uno studio, compiuto dal dipartimento di Scienze Medico Veterinarie, dell’Università di Parma, ha voluto mettere a confronto diverse tecniche di sessaggio nei sauri, tra cui l’ecografia, la radiografia con e senza mezzo di contrasto e la tomografia computerizzata con e senza mezzo di contrasto. I risultati ottenuti, hanno dimostrato come l’ecografia non sia il mezzo più affidabile per il riconoscimento degli emipeni e quindi del sesso dell’animale, mentre la radiografia e la tomografia computerizza con mezzo di contrasto siano tecniche affidabili e accurate in queste specie. Un metodo valido e facilmente realizzabile per il sessaggio dei cheloni anche prepuberi è la cistoscopia. In un recente studio la cistoscopia è stata effettuata su quindici cheloni deceduti e venticinque cheloni vivi, anestetizzati. In generale, questo metodo si è dimostrato non invasivo per le tartarughe, facilmente ripetibile in diversi tipi di tartarughe e di breve durata. Tra le principali patologie riproduttive dei rettili le distocie sono sicuramente quelle che presentano una maggior frequenza. Quando si parla di distocia nei rettili, si intendono tutte quelle situazioni in cui si ha una mancata espulsione e deposizione del prodotto del concepimento entro tempi fisiologici. Questa patologia è complessa e può dipendere da diverse cause. Inoltre può sfociare in malattie sistemiche a volte molto severe. Le distocie possono essere classificate in ostruttive e non ostruttive in base alle cause. Si parla di distocia ostruttiva quando si verificano delle condizioni per cui viene impedito il corretto passaggio delle uova lungo il tratto riproduttivo (Fig.13). Le cause possono dipendere dalla madre o dalle caratteristiche delle uova. Nel caso di distocia non ostruttiva le uova rinvenute sono solitamente di dimensioni normali e la conformazione anatomica della madre è fisiologica. L’eziologia è da ricercare in difetti comportamentali, ambientali e patologici. Non esistono sintomi specifici e patognomonici di distocia. La malattia diviene evidente e conclamata solamente in presenza di complicazioni. Gli approcci terapeutici possibili sono vari a seconda della specie animale e della situazione. Fornire un’area adeguata per la nidiata: se la distocia non è ostruttiva si può cercare di incoraggiare l’animale a deporre autonomamente le uova creando un idoneo luogo di deposizione. Il trattamento medico prevede la stimolazione della deposizione delle uova ritenute mediante l’induzione con ossitocina. L’ossitocina viene somministrata alle dosi di 1/3 UI/kg per via intramuscolare. Uno studio condotto presso l’Università veterinaria di Parma ha comparato le somministrazioni di ossitocina per via intramuscolare e per via intravenosa, confrontando le tempistiche con le quali incominciano le contrazioni e avviene la completa ovodeposizione e dimostrando come per via intravenosa sia possibile somministrare dosi più basse rispetto a quelle riportate solitamente in letteratura ottenendo comunque un ottimo risultato. Nel caso in cui il trattamento farmacologico dovesse fallire o non fosse attuabile, oppure in casi di distocia ostruttiva è possibile ricorrere alla chirurgia. Per stasi follicolare si intende la incapacità di produrre sufficiente quantità di progesterone da corpi lutei perfettamente funzionanti. Come per la distocia, l’eziologia della stasi follicolare è variegata e molto ampia: le cause possono essere sia ambientali che patologiche. La diagnosi clinica viene fatta essenzialmente per esclusione. Come per la distocia, anche in questo caso l’anamnesi e la raccolta del maggior quantitativo di informazioni è fondamentale per indirizzarsi verso il riconoscimento della patologia. Per prolasso si intende la fuoriuscita di un organo attraverso un orifizio del corpo. Nei rettili, diversi organi possono prolassare attraverso la cloaca: la porzione terminale dell’apparato gastroenterico, la vescica urinaria, il pene nel maschio (cheloni) e gli ovidutti nella femmina. In sauri e ofidi gli emipeni possono prolassare dalle rispettive tasche in seguito ad eccesiva attività sessuale97. La corretta identificazione del viscere prolassato è estremamente importante e deve essere effettuata prima di decidere qualsiasi tipologia di trattamento ed intervento. Nei casi acuti e non complicati è possibile la riduzione manuale dell’organo, dopo un accurato lavaggio e attenta pulizia. Se questo non dovesse essere possibile, l’utilizzo di lubrificanti e pomate antibiotiche garantisce all’organo una protezione efficiente. Nel caso in cui non si sia potuto intervenire celermente e l’organo sia andato incontro a infezione e congestione venosa prolungata con conseguente necrosi, l’unica soluzione è l’amputazione

Intermediate hosts of Toxoplasma gondii and food safety:epidemiology, genetics and parasite survival in meat-producing animals in Italy

Toxoplasma gondii is a coccidian parasite with a global distribution. The definitive host is the cat (and other felids). All warm-blooded animals can act as intermediate hosts, including humans. Sexual reproduction (gametogony) takes place in the final host and oocysts are released in the environment, where they then sporulate to become infective. In intermediate hosts the cycle is extra-intestinal and results in the formation of tachyzoites and bradyzoites. Tachyzoites represent the invasive and proliferative stage and on entering a cell it multiplies asexually by endodyogeny. Bradyzoites within tissue cysts are the latent form. T. gondii is a food-borne parasite causing toxoplasmosis, which can occur in both animals and humans. Infection in humans is asymptomatic in more than 80% of cases in Europe and North-America. In the remaining cases patients present fever, cervical lymphadenopathy and other non-specific clinical signs. Nevertheless, toxoplasmosis is life threatening if it occurs in immunocompromised subjects. The main organs involved are brain (toxoplasmic encephalitis), heart (myocarditis), lungs (pulmonary toxoplasmosis), eyes, pancreas and parasite can be isolated from these tissues. Another aspect is congenital toxoplasmosis that may occur in pregnant women and the severity of the consequences depends on the stage of pregnancy when maternal infection occurs. Acute toxoplasmosis in developing foetuses may result in blindness, deformation, mental retardation or even death. The European Food Safety Authority (EFSA), in recent reports on zoonoses, highlighted that an increasing numbers of animals resulted infected with T. gondii in EU (reported by the European Member States for pigs, sheep, goats, hunted wild boar and hunted deer, in 2011 and 2012). In addition, high prevalence values have been detected in cats, cattle and dogs, as well as several other animal species, indicating the wide distribution of the parasite among different animal and wildlife species. The main route of transmission is consumption of food and water contaminated with sporulated oocysts. However, infection through the ingestion of meat contaminated with tissue cysts is frequent. Finally, although less frequent, other food products contaminated with tachyzoites such as milk, may also pose a risk. The importance of this parasite as a risk for human health was recently highlighted by EFSA’s opinion on modernization of meat inspection, where Toxoplasma gondii was identified as a relevant hazard to be addressed in revised meat inspection systems for pigs, sheep, goats, farmed wild boar and farmed deer (Call for proposals -GP/EFSA/BIOHAZ/2013/01). The risk of infection is more highly associated to animals reared outside, also in free-range or organic farms, where biohazard measure are less strict than in large scale, industrial farms. Here, animals are kept under strict biosecurity measures, including barriers, which inhibit access by cats, thus making soil contamination by oocysts nearly impossible. A growing demand by the consumer for organic products, coming from free-range livestock, in respect of animal-welfare, and the desire for the best quality of derived products, have all led to an increase in the farming of free-range animals. The risk of Toxoplasma gondii infection increases when animals have access to environment and the absence of data in Italy, together with need for in depth study of both the prevalence and genotypes of Toxoplasma gondii present in our country were the main reasons for the development of this thesis project. A total of 152 animals have been analyzed, including 21 free-range pigs (Suino Nero race), 24 transhumant Cornigliese sheep, 77 free-range chickens and 21 wild animals. Serology (on meat juice) and identification of T. gondii DNA through PCR was performed on all samples, except for wild animals (no serology). An in-vitro test was also applied with the aim to find an alternative and valid method to bioassay, actually the gold standard. Meat samples were digested and seeded onto Vero cells, checked every day and a RT-PCR protocol was used to determine an eventual increase in the amount of DNA, demonstrating the viability of the parasite. Several samples were alos genetically characterized using a PCR-RFLP protocol to define the major genotypes diffused in the geographical area studied. Within the context of a project promoted by Istituto Zooprofilattico of Pavia and Brescia (Italy), experimentally infected pigs were also analyzed. One of the aims was to verify if the production process of cured “Prosciutto di Parma” is able to kill the parasite. Our contribution included the digestion and seeding of homogenates on Vero cells and applying the Elisa test on meat juice. This thesis project has highlighted widespread diffusion of T. gondii in the geographical area taken into account. Pigs, sheep, chickens and wild animals showed high prevalence of infection. The data obtained with serology were 95.2%, 70.8%, 36.4%, respectively, indicating the spread of the parasite among numerous animal species. For wild animals, the average value of parasite infection determined through PCR was 44.8%. Meat juice serology appears to be a very useful, rapid and sensitive method for screening carcasses at slaughterhouse and for marketing “Toxo-free” meat. The results obtained on fresh pork meat (derived from experimentally infected pigs) before (on serum) and after (on meat juice) slaughter showed a good concordance. The free-range farming put in evidence a marked risk for meat-producing animals and as a consequence also for the consumer. Genotyping revealed the diffusion of Type-II and in a lower percentage of Type-III. In pigs is predominant the Type-II profile, while in wildlife is more diffused a Type-III and mixed profiles (mainly Type-II/III). The mixed genotypes (Type-II/III) could be explained by the presence of mixed infections. Free-range farming and the contact with wildlife could facilitate the spread of the parasite and the generation of new and atypical strains, with unknown consequences on human health. The curing process employed in this study appears to produce hams that do not pose a serious concern to human health and therefore could be marketed and consumed without significant health risk. Little is known about the diffusion and genotypes of T. gondii in wild animals; further studies on the way in which new and mixed genotypes may be introduced into the domestic cycle should be very interesting, also with the use of NGS techniques, more rapid and sensitive than PCR-RFLP. Furthermore wildlife can become a valuable indicator of environmental contamination with T. gondii oocysts. Other future perspectives regarding pigs include the expansion of the number of free-range animals and farms and for Cornigliese sheep the evaluation of other food products as raw milk and cheeses. It should be interesting to proceed with the validation of an ELISA test for infection in chickens, using both serum and meat juice on a larger number of animals and the same should be done also for wildlife (at the moment no ELISA tests are available and MAT is the reference method for them). Results related to Parma ham do not suggest a concerning risk for consumers. However, further studies are needed to complete the risk assessment and the analysis of other products cured using technological processes other than those investigated in the present study. For example, it could be interesting to analyze products such as salami, produced with pig meat all over the Italian country, with very different recipes, also in domestic and rural contexts, characterized by a very short period of curing (1 to 6 months). Toxoplasma gondii is one of the most diffuse food-borne parasites globally. Public health safety, improved animal production and protection of endangered livestock species are all important goals of research into reliable diagnostic tools for this infection. Future studies into the epidemiology, parasite survival and genotypes of T. gondii in meat producing animals should continue to be a research priority.

Vigor, variação na concentração de metabólitos sanguíneos e avaliação da transferência de imunidade passiva em bezerros leiteiros neonatos

O objetivo deste trabalho foi identificar o padrão de vigor e status metabólico através da determinação da frequência dos sinais objetivos e metabólitos sanguíneos após o nascimento, possivelmente associados à transferência de imunidade passiva, além de determinar o melhor horário para o uso do refratômetro de Brix na avaliação da transferência de imunidade passiva em bezerros neonatos após a ingestão de colostro. No primeiro experimento foram utilizados 46 bezerros neonatos de ambos os sexos, nascidos entre setembro de 2013 e julho de 2014. A avaliação do vigor dos animais foi realizada entre 15 e 30 minutos após o nascimento com o auxílio da escala APGAR modificada pela Universidade de Guelph. A colheita de sangue para análise de metabólitos seguiu os horários de 0h (antes da ingestão), 1h, 2h, 4h, 6h, 12h, 24h, 48h contadas a partir da ingestão do colostro. Os parâmetros sanguíneos foram determinados por kit enzimático específico para cada parâmetro em Sistema Automático para Bioquímica. Todos os animais utilizados neste estudo foram oriundos de partos eutócicos e apresentaram, de acordo com a escala APGAR, vigor satisfatório. As concentrações de metabólicos sanguíneos dos neonatos mostraram que o consumo de colostro aumentou a disponibilidade de energia e a concentração de frações proteicas, comumente utilizadas como indicativos da transferência de imunidade passiva. No segundo experimento foram utilizados 47 bezerros neonatos de ambos os sexos, nascidos entre março e julho de 2014. O colostro foi ordenhado após o parto e a qualidade determinada com auxílio do colostrômetro e do refratômetro digital. A colheita do sangue para a análise dos parâmetros sanguíneos seguiu os horários de 0h (antes da ingestão), 1h, 2h, 4h, 6h, 12h, 24h, 48h, 72h, 96 e 120h, contadas a partir da ingestão do colostro. A concentração de proteína total foi determinada por refratômetro de Brix e por kit enzimático em Sistema Automático para Bioquímica. Os demais parâmetros sanguíneos foram determinados por kit enzimático específico para cada parâmetro em Sistema Automático para Bioquímica. A contagem global e diferenciada das células sanguíneas foi realizada nos tempos 0, 12 e 24h após o fornecimento do colostro. O colostro se manteve na faixa de boa qualidade, segundo os critérios de classificação de medidas pelo colostrômetro e refratômetro digital de Brix. O consumo de colostro foi o principal fator de variação dos parâmetros estudados neste trabalho. A avaliação da transferência de imunidade passiva em bezerros recém-nascidos deve ser realizada por volta das 24 horas após a ingestão do colostro, pois neste momento a absorção de macromoléculas colostrais já está encerrada e a PT alcança estabilidade. A partir deste período, não é possível determinar se as frações proteicas avaliadas são de origem colostral ou endógena, o que não garante avaliação segura sobre a transferência de imunidade passiva.