Biosynthesis and mode of action of ribosomally synthesized and post-translationally modified antimicrobial peptides

One of the greatest sources of biologically active compounds is natural products. Often these compounds serve as platforms for the design and development of novel drugs and therapeutics. The overwhelming amount of genomic information acquired in recent years has revealed that ribosomally synthesized and post-translationally modified natural products are much more widespread than originally anticipated. Identified in nearly all forms of life, these natural products display incredible structural diversity and possess a wide range of biological functions that include antimicrobial, antiviral, anti-inflammatory, antitumor, and antiallodynic activities. The unique pathways taken to biosynthesize these compounds offer exciting opportunities for the bioengineering of these complex molecules. The studies described herein focus on both the mode of action and biosynthesis of antimicrobial peptides. In Chapter 2, it is demonstrated that haloduracin, a recently discovered two-peptide lantibiotic, possesses nanomolar antimicrobial activity against a panel of bacteria strains. The potency of haloduracin rivals that of nisin, an economically and therapeutically relevant lantibiotic, which can be attributed to a similar dual mode of action. Moreover, it was demonstrated that this lantibiotic of alkaliphile origin has better stability at physiological pH than nisin. The molecular target of haloduracin was identified as the cell wall peptidoglycan precursor lipid II. Through the in vitro biosynthesis of haloduracin, several analogues of Halα were prepared and evaluated for their ability to inhibit peptidoglycan biosynthesis as well as bacterial cell growth. In an effort to overcome the limitations of in vitro biosynthesis strategies, a novel strategy was developed resulting in a constitutively active lantibiotic synthetase enzyme. This methodology, described in Chapter 3, enabled the production of fully-modified lacticin 481 products with proteinogenic and non-proteinogenic amino acid substitutions. A number of lacticin 481 analogues were prepared and their antimicrobial activity and ability to bind lipid II was assessed. Moreover, site-directed mutagenesis of the constitutively active synthetase resulted in a kinase-like enzyme with the ability to phosphorylate a number of peptide substrates. The hunt for a lantibiotic synthetase enzyme responsible for installing the presumed dehydro amino acids and a thioether ring in the natural product sublancin, led to the identification and characterization of a unique post-translational modification. The studies described in Chapter 4, demonstrate that sublancin is not a lantibiotic, but rather an unusual S-linked glycopeptide. Its structure was revised based on extensive chemical, biochemical, and spectroscopic characterization. In addition to structural investigation, bioinformatic analysis of the sublancin gene cluster led to the identification of an S-glycosyltransferase predicted to be responsible for the post-translational modification of the sublancin precursor peptide. The unprecedented glycosyltransferase was reconstituted in vitro and demonstrated remarkable substrate promiscuity for both the NDP-sugar co-substrate as well as the precursor peptide itself. An in vitro method was developed for the production of sublancin and analogues which were subsequently evaluated in bioactivity assays. Finally, a number of putative biosynthetic gene clusters were identified that appear to harbor the necessary genes for production of an S-glycopeptide. An additional S-glycosyltransferase with more favorable intrinsic properties including better expression, stability, and solubility was reconstituted in vitro and demonstrated robust catalytic abilities.

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

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

Real-time PCR investigation on the expression of sboA and ituD genes in Bacillus spp

Aims: To investigate the expression of sboA and ituD genes among strains of Bacillus spp. at different pH and temperature. Methods and Results: Different Bacillus strains from the Amazon basin and Bacillus subtilis ATCC 19659 were investigated for the production of subtilosin A and iturin A by qRT-PCR, analysing sboA and ituD gene expression under different culture conditions. Amazonian strains presented a general gene expression level lower than B. subtilis ATCC 19659 for sboA. In contrast, when analysing the expression of ituD gene, the strains from the Amazon, particularly P40 and P45B, exhibited higher levels of expression. Changes in pH (6 and 8) and temperature (37 and 42 degrees C) caused a decrease in sboA expression, but increased ituD expression among strains from Amazonian environment. Conclusions: Temperature and pH have an important influence on the expression of genes sboA (subtilosin A) and ituD (iturin A) among Bacillus spp. The strains P40 and P45B can be useful for the production of antimicrobial peptide iturin A. Significance and Impact of the Study: Monitoring the expression of essential biosynthetic genes by qRT-PCR is a valuable tool for optimization of the production of antimicrobial peptides.

Transgenic Sweet Orange (Citrus sinensis L. Osbeck) Expressing the attacin A Gene for Resistance to Xanthomonas citri subsp citri

Genetic transformation with genes that code for antimicrobial peptides has been an important strategy used to control bacterial diseases in fruit crops, including apples, pears, and citrus. Asian citrus canker (ACC) caused by Xanthomonas citri subsp. citri Schaad et al. (Xcc) is a very destructive disease, which affects the citrus industry in most citrus-producing areas of the world. Here, we report the production of genetically transformed Natal, Pera, and Valencia sweet orange cultivars (Citrus sinensis L. Osbeck) with the insect-derived attacin A (attA) gene and the evaluation of the transgenic plants for resistance to Xcc. Agrobacterium tumefaciens Smith and Towns-mediated genetic transformation experiments involving these cultivars led to the regeneration of 23 different lines. Genetically transformed plants were identified by polymerase chain reaction, and transgene integration was confirmed by Southern blot analyses. Transcription of attA gene was detected by Northern blot analysis in all plants, except for one Natal sweet orange transformation event. Transgenic lines were multiplied by grafting onto Rangpur lime rootstock plants (Citrus limonia Osbeck) and spray-inoculated with an Xcc suspension (10(6) cfu mL(-1)). Experiments were repeated three times in a completely randomized design with seven to ten replicates. Disease severity was determined in all transgenic lines and in the control (non-transgenic) plants 30 days after inoculation. Four transgenic lines of Valencia sweet orange showed a significant reduction in disease severity caused by Xcc. These reductions ranged from 58.3% to 77.8%, corresponding to only 0.16-0.30% of leaf diseased area as opposed to 0.72% on control plants. One transgenic line of Natal sweet orange was significantly more resistant to Xcc, with a reduction of 45.2% comparing to the control plants, with only 0.14% of leaf diseased area. Genetically transformed Pera sweet orange plants expressing attA gene did not show a significant enhanced resistance to Xcc, probably due to its genetic background, which is naturally more resistant to this pathogen. The potential effect of attacin A antimicrobial peptide to control ACC may be related to the genetic background of each sweet orange cultivar regarding their natural resistance to the pathogen.

Characterisation of an antiviral pediocin-like bacteriocin produced by Enterococcus faecium

The bacteriocin-producing strain Enterococcus faecium ST5Ha was isolated from smoked salmon and identified by biomolecular techniques. Ent. faecium ST5Ha produces a pediocin-like bacteriocin with activity against several lactic acid bacteria, Listeria spp. and some other human and food pathogens, and remarkably against HSV-1 virus. Bacteriocin ST5Ha was produced at high levels in MRS broth at 30 degrees C and 37 degrees C, reaching a maximum production of 1.0 x 10(9) AU/ml, checked against Listeria ivanovii ATCC19119 as target strain and surrogate of pathogenic strain Listeria monocytogenes. The molecular weight of bacteriocin ST5Ha was estimated to be 4.5 kDa according to tricine-SDS-PAGE data. Ent. faecium ST5Ha harbors a 1.044 kb chromosomal DNA fragment fitting in size to that of pediocin PA-1/AcH. In addition, the sequencing of bacteriocin ST5Ha gene indicated 99% of DNA homology to pediocin PA-1/AcH. The combined application of low levels (below MIC) of ciprofloxacin and bacteriocin ST5Ha resulted in a synergetic effect in the inhibition of target strain L ivanovii ATCC19119. Bacteriocin ST5Ha displayed antiviral activity against HSV-1, an important human pathogen, with a selectivity index of 173. To the best of our knowledge, this is the first report on Ent. faecium as a potential producer of pediocin-like bacteriocin with antiviral activity. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Lysozyme plays a dual role against the dimorphic fungus Paracoccidioides brasiliensis

In order to determine the role of lysozyme, an antimicrobial peptide belonging to the innate immune system, against the dimorphic fungus Paracoccidioides brasiliensis, co-cultures of the MH-S murine alveolar macrophages cell line with P. brasiliensis conidia were done; assays to evaluate the effect of physiological and inflammatory concentrations of lysozyme directly on the fungus life cycle were also undertaken. We observed that TNF-α-activated macrophages significantly inhibited the conidia to yeast transition (p = 0.0043) and exerted an important fungicidal effect (p = 0.0044), killing 27% more fungal propagules in comparison with controls. Nonetheless, after adding a selective inhibitor of lysozyme, the fungicidal effect was reverted. When P. brasiliensis propagules were exposed directly to different concentrations of lysozyme, a dual effect was observed. Physiologic concentrations of the enzyme facilitated the conidia-to-yeast transition process (p < 0.05). On the contrary, inflammatory concentrations impaired the normal temperature-dependant fungal transition (p < 0.0001). When yeast cells were exposed to lysozyme, irrespective of concentration, the multiple-budding ability was badly impaired (p < 0.0001). In addition, ultra-structural changes such as subcellular degradation, fusion of lipid vacuoles, lamellar structures and interruption of the fibrilar layer were observed in lysozyme exposed conidia. These results suggest that lysozyme appears to exert a dual role as part of the anti-P. brasiliensis defense mechanisms.

DEFB1 polymorphisms are involved in susceptibility to human papillomavirus infection in Brazilian gynaecological patients

The human beta defensin 1 (hBD-1) antimicrobial peptide is a member of the innate immune system known to act in the first line of defence against microorganisms, including viruses such as human papillomavirus (HPV). In this study, five functional polymorphisms (namely g-52G>A, g-44C>G and g-20G>A in the 5’UTR and c.*5G>A and c.*87A>G in the 3’UTR) in the DEFB1 gene encoding for hBD-1 were analysed to investigate the possible involvement of these genetic variants in susceptibility to HPV infection and in the development of HPV-associated lesions in a population of Brazilian women. The DEFB1 g-52G>A and c.*5G>A single-nucleotide polymorphisms (SNPs) and the GCAAA haplotype showed associations with HPV-negative status; in particular, the c.*5G>A SNP was significantly associated after multiple test corrections. These findings suggest a possible role for the constitutively expressed beta defensin-1 peptide as a natural defence against HPV in the genital tract mucosa.

Interplay between keratinocytes and immune cells--recent insights into psoriasis pathogenesis.

Psoriasis is one of the most common human inflammatory skin diseases characterised by hyperproliferation and aberrant differentiation of keratinocytes. The trigger of the typical epidermal changes seen in psoriasis was considered to be a dysregulated immune response with Th-1/Tc1 cells playing a central role. Recent studies have provided new insights into psoriasis pathogenesis in defining intraepidermal alpha(1)beta(1)+ T cells as key effectors driving keratinocyte changes. Critical roles for IFN-alpha secreted by plasmacytoid dendritic cells and the IL-23/Th-17 axis were postulated. Initially, these subsequent stages are at least partially driven by the endogenous antimicrobial peptide LL37 that converts inert self-DNA into a potent trigger of interferon production by binding and delivering the DNA into plasmacytoid dendritic cells to trigger toll-like receptor 9. As LL37 is expressed by keratinocytes upon various stimuli, keratinocytes might regain momentum as instigators of an aberrant immune response which then precedes the characteristic changes in the epidermis. Data from these new studies indicate a complex interplay between keratinocytes overexpressing antimicrobial peptides and immune cells driving epidermal hyperproliferation and aberrant keratinocyte differentiation in the pathogenesis of psoriasis.

Absence of intestinal PPARγ aggravates acute infectious colitis in mice through a lipocalin-2-dependent pathway.

To be able to colonize its host, invading Salmonella enterica serovar Typhimurium must disrupt and severely affect host-microbiome homeostasis. Here we report that S. Typhimurium induces acute infectious colitis by inhibiting peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARγ) expression in intestinal epithelial cells. Interestingly, this PPARγ down-regulation by S. Typhimurium is independent of TLR-4 signaling but triggers a marked elevation of host innate immune response genes, including that encoding the antimicrobial peptide lipocalin-2 (Lcn2). Accumulation of Lcn2 stabilizes the metalloproteinase MMP-9 via extracellular binding, which further aggravates the colitis. Remarkably, when exposed to S. Typhimurium, Lcn2-null mice exhibited a drastic reduction of the colitis and remained protected even at later stages of infection. Our data suggest a mechanism in which S. Typhimurium hijacks the control of host immune response genes such as those encoding PPARγ and Lcn2 to acquire residence in a host, which by evolution has established a symbiotic relation with its microbiome community to prevent pathogen invasion.

Genetic transformation of sweet oranges with the D4E1 gene driven by the AtPP2 promoter

The objective of this work was to produce transgenic 'Pêra' and 'Valência' sweet orange plants using the D4E1 gene driven by the Arabidopsis thaliana phloem protein (AtPP2) promoter and to quantify transgene expression in different transformation events. Genetic transformation experiments were carried out with epicotyl segments co‑cultivated with Agrobacterium tumefaciens. Six plants from 'Pêra' sweet orange and seven plants from 'Valência' sweet orange were confirmed as different transgenic events by means of the polymerase chain reaction (PCR) and the Southern blot techniques. Transgene expression was quantified using real‑time quantitative PCR. D4E1 gene expression levels vary from 5 up to 50 times among different transformation events.

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

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

Análise conformacional por cálculos teóricos da distinctina, peptídeo antimicrobiano isolado de anuros da espécie Phyllomedusa distincta

Various studies demonstrate that different frog species produce distinct classes of biologically active peptides. These peptides can act as alternative agents against pathogenic bacteria and fungi by membrane permeability. Although studies have recently demonstrated that this process is utterly related to the secondary structure adopted by the peptide (in this case, the a-helical structure) when in contact with the bacterial membrane, the detailed mechanism is still unknown. In this work we describe a conformational analysis of distinctin, a heterodimeric peptide isolated from the skin of Phyllomedusa distincta, an anuran found in the Brazilian Atlantic Forest. The study yielded a stable geometry with a high content of the a-helical structure both in chains 1 and 2 of distinctin, showing strong interaction between them.

La régulation de l’hepcidine à travers les récepteurs Toll-like dans les macrophages

L'interaction entre le système immunitaire et le métabolisme du fer est bien illustrée par l'anémie des maladies chroniques (ACD), qui est fréquemment rencontrée dans les infections chroniques, l'inflammation et le cancer. La majorité des modifications dans les paramètres du fer observées dans l’ACD tient compte des modifications de l’homéostasie du fer, avec la délocalisation du métal de la circulation et les sites de l'érythropoïèse au compartiment de stockage dans les macrophages. Les mécanismes de la réponse hyposidérémique impliquent des cytokines, notamment TNF-alpha et IL-6, qui régulent les niveaux de plusieurs gènes du métabolisme du fer, y compris les transporteurs de fer et de l'hepcidine, un régulateur négatif de l’absorption du fer, ce qui entraîne l'inhibition de l'exportation du fer à travers la ferroportine 1 (FPN1) au niveau de l'intestin et les macrophages. Des études antérieures ont montré que l'IL-6 induit l’expression d’hepcidine dans les hépatocytes, mais il y a très peu de données concernant la façon par laquelle l'hepcidine et la FPN1 sont régulées dans les macrophages. Récemment, nous avons constaté que l'induction de l'hepcidine dans le foie par le lipopolysaccharide (LPS) dépend de la voie de signalisation médiée par le récepteur Toll-like 4 (TLR4). Le but de ce travail est d’identifier les ligands des TLRs capables d'induire l'hepcidine dans les macrophages et de déterminer l’exigence des TLRs dans l’induction de l’hepcidine et le développement d’hyposidérémie. En plus, nous voulons étudier l’effet de l’inflammation causée par les ligands des TLRs sur le taux de fer sérique, la production des cytokines et l'expression de l’hepcidine et de la ferroportine. D’autre part nous voulons étudier l’effet du taux du fer sur la production d’IL-6 macrophagique en réponse à la stimulation par le TLR4. D'abord, pour identifier les ligands des TLRs capables d'induire l'hepcidine dans les macrophages, nous avons traité les macrophages RAW 264.7 et les macrophages péritonéaux de souris (MPMs) avec différents ligands TLRs et on a mesuré l’expression de l'hepcidine par qRT-PCR. Nous avons observé que Pam3CSK4 (Pam), un ligand de TLR2/1; LPS, un ligand de TLR-4 et FSL1 un ligand de TLR2/6 induisent l’expression de l'hepcidine dans les cellules RAW 264.7 et les MPMs, contrairement au polyinosinic: polycytidylic acid (Poly I: C), un ligand de TLR3. De plus, LPS était capable de réprimer l’expression de la ferroportine dans les cellules RAW 264.7. Afin de mieux définir la nécessité des TLRs pour assurer cette expression, nous avons utilisé les souris TLR-2 knock-out et on a établi que l'expression de l'hepcidine dans les macrophages par LPS, Pam ou FSL1 est dépendante du TLR2. En accord avec les expériences in vitro, les études effectuées in vivo ont montré que LPS réprime l’expression de la ferroportine, ainsi que PolyI:C n’est pas capable de stimuler l'expression d'hepcidine hépatique, par contre il était efficace pour déclencher une hyposidérémie. Ensuite, on voulait déterminer la voie de signalisation utilisée dans l’induction de l’hepcidine dans les macrophages. Comme il y deux voies majeures connues pour la signalisation des TLRs : une dépendante et l’autre indépendante de la protéine MyD88, on a étudié l’expression de l’hepcidine dans les MPMs isolés des souris MyD88-/- et nous avons constaté que l'absence de signalisation MyD88 abolit l'induction de l'hepcidine déclenchée par Pam, LPS et FSL1. D’autre part, la stimulation avec du LPS induisait in vivo la production d’IL-6 et de TNF-alpha, et la stimulation d’IL-6 était renforcée in vitro par la présence du fer. Ces observations indiquent que l’expression de HAMP (Hepcidin Antimicrobial Peptide) dans les macrophages peut être régulée par différents TLRs, ce qui suggère que la production d'hepcidine macrophagique fait partie d'une réponse immunitaire activées par les TLRs.

Régulation de l'hepcidine et le rôle de la lipocaline 2 dans l'homéostasie du fer / Novel insights into the regulation of hepcidin and the role of lipocalin 2 in iron homeostasis

Le fer, un métal de transition, est requis pour la survie de presque tout les organismes vivant à cause de son habilité à accepter ou donner un électron et donc à catalyser plusieurs réactions biochimique fondamentales. Cependant, la même propriété permet aussi au fer ionique d’accélérer la formation de radicaux libres et donc le fer peut potentiellement avoir des effets néfastes. Conséquemment, l’homéostasie du fer doit être étroitement régulé, tant au niveau cellulaire que systémique. Notre étude met l’emphase sur deux molécules importante pour régulation du métabolisme du fer : la lipocaline 2 (Lcn2) et l’hepcidine. Lcn2, une protéine de phase aiguë, est impliquée dans le transport du fer par les sidérophores. Lcn2 est un candidat potentiel comme transporteur du fer qui pourrait être responsable de l’accumulation excessive du fer non lié à la transferrine dans le foie des patients atteints d’hémochromatose héréditaire (HH). Nous avons généré des souris double-déficiente HfeLcn2 pour évaluer l’importance de Lcn2 dans la pathogenèse de surcharge en fer hépatique dans les souris knock-out Hfe (Hfe -/-). Notre étude révèle que la délétion de Lcn2 dans les souris Hfe-/- n’influence pas leur accumulation de fer hépatique ou leur réponse à une surcharge en fer. Le phénotype des souries HfeLcn2-/- demeure indiscernable de celui des souris Hfe-/-. Nos données impliquent que Lcn2 n’est pas essentiel pour la livraison du fer aux hépatocytes dans l’HH. L’hepcidine, un régulateur clé du métabolisme du fer, est un petit peptide antimicrobien produit par le foie et qui régule l’absorption intestinale du fer et son recyclage par les macrophages. L’expression de l’hepcidine est induite par la surcharge en fer et l’inflammation, tandis que, à l'inverse, elle est inhibée par l'anémie et l'hypoxie. Dans certaine situations pathologique, l’hepcidine est régulée dans des directions opposées par plus d’un régulateur. Nous avons, en outre, analysé comment les différents facteurs influencent l’expression de l’hepcidine in vivo en utilisant un modèle de souris avec un métabolisme du fer altéré. Nous avons examiné la régulation de l’hepcidine en présence de stimuli opposés, ainsi que la contribution des médiateurs et des voix de signalisation en aval de l’expression de l’hepcidine. Nous avons démontré que l'érythropoïèse, lorsque stimulé par l’érythropoïétine, mais pas par l’hypoxie, diminue l’expression de l’hepcidine d’une façon dépendante de la dose, même en présence de lipopolysaccharides ou de surcharge de fer alimentaire, qui peuvent agir de manière additive. De plus, l’entraînement érythropoïétique inhibe tant la voix inflammatoire que celle de détection du fer, du moins en partie, par la suppression du signal IL-6/STAT3 et BMP/SMAD4 in vivo. Au total, nos données suggèrent que le niveau d’expression de l’hepcidine en présence de signaux opposés est déterminé par la force du stimulus individuel plutôt que par une hiérarchie absolue. Ces découvertes sont pertinentes pour le traitement de l’anémie des maladies chronique et les désordres de surcharge en fer.

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

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