Effect of psychological stress on the L-arginine-nitric oxide pathway and semen quality

It has been reported that mental stress causes abnormality of spermiogram parameters. We investigated the effect of psychological stress on the L-arginine-nitric oxide (NO) pathway. Semen samples were collected from 29 healthy fourth semester medical students just before (stress) and 3 months after (non-stress) the final examinations. Psychological stress was measured by the State Anxiety Inventory questionnaire. After standard semen analysis, arginase activity and NO concentration were measured spectrophotometrically in the seminal plasma. Measurements were made in duplicate. During the stress period, sperm concentration (41.28 ± 3.70 vs 77.62 ± 7.13 x 10(6)/mL), rapid progressive motility of spermatozoa (8.79 ± 1.66 vs 20.86 ± 1.63%) and seminal plasma arginase activity (0.12 ± 0.01 vs 0.22 ± 0.01 U/mL) were significantly lower than in the non-stress situation, whereas seminal plasma NO (17.28 ± 0.56 vs 10.02 ± 0.49 µmol/L) was higher compared to the non-stress period (P < 0.001 for all). During stress there was a negative correlation between NO concentration and sperm concentration, the percentage of rapid progressive motility and arginase activity (r = -0.622, P < 0.01; r = -0.425, P < 0.05 and r = -0.445, P < 0.05, respectively). These results indicate that psychological stress causes an increase of NO level and a decrease of arginase activity in the L-arginine-NO pathway. Furthermore, poor sperm quality may be due to excessive production of NO under psychological stress. In the light of these results, we suggest that the arginine-NO pathway, together with arginase and NO synthase, are involved in semen quality under stress conditions.

Estrogens and male reproduction: a new concept

The mammalian testis serves two main functions: production of spermatozoa and synthesis of steroids; among them estrogens are the end products obtained from the irreversible transformation of androgens by a microsomal enzymatic complex named aromatase. The aromatase is encoded by a single gene (cyp19) in humans which contains 18 exons, 9 of them being translated. In rats, the aromatase activity is mainly located in Sertoli cells of immature rats and then in Leydig cells of adult rats. We have demonstrated that germ cells represent an important source of estrogens: the amount of P450arom transcript is 3-fold higher in pachytene spermatocytes compared to gonocytes or round spermatids; conversely, aromatase activity is more intense in haploid cells. Male germ cells of mice, bank voles, bears, and monkeys express aromatase. In humans, we have shown the presence of a biologically active aromatase and of estrogen receptors (alpha and ß) in ejaculated spermatozoa and in immature germ cells in addition to Leydig cells. Moreover, we have demonstrated that the amount of P450arom transcripts is 30% lower in immotile than in motile spermatozoa. Alterations of spermatogenesis in terms of number and motility of spermatozoa have been described in men genetically deficient in aromatase. These last observations, together with our data showing a significant decrease of aromatase in immotile spermatozoa, suggest that aromatase could be involved in the acquisition of sperm motility. Thus, taking into account the widespread localization of aromatase and estrogen receptors in testicular cells, it is obvious that, besides gonadotrophins and androgens, estrogens produced locally should be considered to be physiologically relevant hormones involved in the regulation of spermatogenesis and spermiogenesis.

From epithelial to mesenchymal: regulation of invasive cancer cell motility

Metastasis is the main cause of death among cancer patients. In order to initiate the metastatic cascade cancer cells have to undergo epithelial-to-mesenchymal transition (EMT). In EMT epithelial cells lose their cell-cell and cell-extracellular matrix (ECM) contacts and become more motile. The expression of the transcription factor Slug and of the mesenchymal intermediate filament vimentin is induced during EMT. Vimentin is often overexpressed in malignant epithelial cancers but the functional role of vimentin remains incompletely understood. In addition, kinases such as AKT and ERK are known to be involved in the regulation of EMT and cancer cell motility but the mechanisms underlining their functions are often unclear. Integrins are heterodimeric receptors that attach cells to the surrounding tissue and participate in regulating cell migration and invasion. Changes in integrin activity are linked to increased cell motility and further cancer metastasis. The aim for my PhD studies was to investigate the role of cellular signalling pathways and vimentin in the regulation of cancer cell motility and EMT. Our results revealed that in prostate cancer the downregulation of AKT1 and AKT2, but not AKT3, induces activation of cell surface 1-integrins leading to enhanced cell adhesion, migration and invasion. In addition, our findings demonstrated a reciprocal regulatory interaction between vimentin and ERK2 facilitating ERK-mediated phosphorylation of Slug at serine-87 (S87) in breast cancer. Surprisingly, Slug S87 phosphorylation is dispensable for E-cadherin repression but essential for the induction of vimentin and Axl expression in early onset of EMT. Our findings reveal previously unknown mechanistic information of how prostate and breast cancer cell motility and disease progression is regulated

Comparaison de deux nouvelles méthodes d’évaluation de la fertilité masculine avec le spermogramme chez des patients ayant recours à la fécondation in vitro

Des facteurs masculins sont identifiés dans près de la moitié des cas d’infertilité. À ce jour, les tests évaluant la fertilité masculine demeurent peu prédictifs de la survenue d’une grossesse. Dans le but de pallier cette lacune, nous avons mis au point deux nouveaux tests mesurant l’intégrité de l’ADN et le temps de survie des spermatozoïdes. Nous avons effectué une étude prospective portant sur 42 couples infertiles suivis en fécondation in vitro (FIV). Le spermogramme a été effectué selon les critères de l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) et le temps de survie des spermatozoïdes exposés à un détergent cationique a été mesuré en observant la mobilité sous microscope. L’intégrité de l’ADN des spermatozoïdes a été vérifiée par la nouvelle méthode de marquage radioenzymatique et par analyse de la structure de la chromatine (SCSA). Tous les tests ont été réalisés sur la partie des échantillons de sperme non utilisée par la clinique de fertilité. Le projet a été approuvé par le comité d’éthique du Centre Hospitalier Universitaire de Montréal (CHUM) et les patients ont préalablement signé un formulaire de consentement éclairé. L’analyse des paramètres du spermogramme et de l’intégrité de l’ADN n’a montré aucune différence statistiquement significative entre les données chez les couples avec ou sans grossesse. Cependant, le taux de grossesse biochimique était statistiquement plus élevé chez les couples dont le temps de survie des spermatozoïdes était long (>250 s) comparativement à ceux dont ce temps était court (≤250 s): 66% vs 27% respectivement (p<0,05). Les taux de grossesse clinique et d’implantation étaient aussi plus élevés, mais les différences n’atteignaient pas le seuil de signification statistique. Nos résultats confirment que le spermogramme et la mesure de la fragmentation de l’ADN des spermatozoïdes ne sont pas de bons facteurs prédictifs des résultats de la FIV. Par contre, le test de survie des spermatozoïdes serait un meilleur indicateur de la possibilité d’une grossesse en FIV. L’amélioration de sa spécificité et un plus grand nombre de sujets sont nécessaires avant de proposer son application en clinique de fertilité.

Untersuchungen zur Eliminierung und Resorption von Zink aus Säugerspermatozoen während der Nebenhodenpassage

Während der Spermatogenese wird das Element Zink an die Sulfhydrylreste der Cysteine in den Mantelfaserproteinen der Spermienflagellen gebunden. So kann in den noch unreifen Mantelfasern die ungerichtete Ausbildung von Disulfidbrücken verhindert werden. Im Zuge der Spermatozoenreifung während der Nebenhodenpassage wird dieses Zink androgenabhängig zu einem hohen Prozentsatz wieder eliminiert. Die nun gerichtete Ausbildung von Disulfidbrücken ermöglicht die Versteifung der Mantelfasern. Diese Rigidität stellt die Voraussetzung zur progressiven Motilität dar, ohne die eine Fertilisierung der Eizelle im weiblichen Genitaltrakt nicht möglich ist. Da eine negative Korrelation zwischen dem Zinkgehalt von Flagellen und ihrer Motilität besteht (Henkel et al., 1999), hat die Zinkeliminierung während der Nebenhodenpassage eine entscheidende Bedeutung in der Entwicklung der Spermatozoen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Mechanismen der epididymalen Zinkeliminierung sowie die an diesem Prozess beteiligten Komponenten und den Verbleib des eliminierten Zinks am System des Bullen, der Ratte und des Menschen. Mittels proteinchemischer Verfahren kann im bovinen System ein zinkbindendes 60 kDa-Protein als Albumin identifiziert werden. Ein 80 kDa-Protein mit zinkbindenden Eigenschaften bleibt unidentifiziert. Die Zinkbindungskapazität der fraktionierten Proteine ist dabei im Caput epididymidis am stärksten ausgeprägt. Atomabsorptionsspektralphotometrische Untersuchungen zeigen die höchsten flagellären Zinkwerte in den Spermien des Rete testis und eine Abnahme des Zinkgehalts zwischen Nebenhodenkopf und -körper. Durch Autometallographie kann eine epitheliale Zinkresorption im Nebenhodenschwanz nachgewiesen werden. Dort erfolgt auch die basale Anreicherung des Zinks. Am Zinkstoffwechsel scheint auch der Macrophage Migration Inhibitory Factor (MIF) beteiligt zu sein. Dieser ist ein Zytokin mit Oxidoreduktasecharakter und kommt unter anderem im Nebenhodenepithel sowie in den Vesikeln des Nebenhoden-Fluids der Ratte vor. MIF zeigt in den hier durchgeführten Untersuchungen sowohl in systemhomologer, als auch in rekombinanter Form in vitro eine Zink-eliminierende Wirkung auf Rattenspermatozoen des Caputs und der Cauda epididymidis und hat somit möglicherweise Einfluss auf den Reifungsprozess der Spermien im Nebenhoden. Lit.: Henkel R, Bittner J, Weber R, Hüther F, Miska W (1999). Relevance of zinc in human sperm flagella and its relation to motility. Fertil Steril 71: 1138-1143

Efectes del fotoperíode sobre la qualitat espermàtica de mascles porcins Sus domesticus

En el presente estudio se analizan los efectos de los fotoperiodos ambientales de otoño e invierno y los fotoperiodos experimentales de 24, 12 y 0 horas de luz artificial sobre la calidad del semen de machos reproductores porcinos de raza Landrace. El estudio se realizó sobre 30 machos postpuberales de 8 meses de edad y testados con el fin de comprobar la homogeneidad. Los machos fueron distribuidos aleatóriamente en los 3 grupos de luz artificial durante 3 meses. El tratamiento de 12 horas de luz artificial fue considerado como grupo control. Previamente al inicio de cada tratamiento, se sometió a cada grupo de machos al fotoperiodo ambiental correspondiente a la época del año; así, se caracterizó también la calidad seminal en otoño e invierno, manteniendo la temperatura constante. La nave experimental que acogió a los machos tiene una superficie de 100 m2 y una altura de 3,5 m. Un pasillo central divide la nave en dos hileras de 5 y 6 celdas respectivamente. En una de las celdas pequeñas se instaló el maniquí y fue utilizada para las extracciones de semen. La iluminación artificial se consiguió con la instalación de 6 lámparas fluorescentes en el techo del pasillo central que proporcionaron una luz homogénea superior a 200 lux. Así mismo, la nave se mantuvo en todo momento a 21±1ºC y la humedad relativa osciló entre el 60-75%. A todos los verracos se les proporcionó una dieta nutritiva y equilibrada y se les sometió a un regimen de extracciones de semen de 2 veces por semana, habiendo sido previamente entrenados en la monta del maniquí. Les muestras de semen fueron recogidas según la técnica de la mano enguantada (Martín, 1982; Daza, 1992) y se analizaron los siguientes parámetros: el volumen y el pH seminales, la concentración, la vitalidad y la motilidad espermáticas, la resistencia acrosómica de los espermatozoides, la morfología espermàtica a partir de la frecuencia de los espermatozoides maduros, inmaduros y aberrantes, la producción testicular y el número de dosis seminales. Se analizó, además, bioquímicamente el plasma seminal al principio y al final de cada tratamiento experimental de luz artificial a partir de la concentración de proteína total, de la identificación de residuos fosforilados de proteína y del contenido de azúcares. También se determinaron los índices de fertilidad y prolificidad. El volumen y el pH de los eyaculados se utilizaron como marcadores del estado funcional de las glándulas sexuales accesorias; la concentración espermàtica como un indicador de la actividad testicular (Pinart y col., 1999). La vitalidad y la motilidad espermáticas fueron estimadores del grado de diferenciación del espermatozoide tanto a nivel testicular como epididimario; la resistencia acrosómica fue utilizada para valorar el nivel de diferenciación de la membrana acrosómica durante la espermiogénesis y/o maduración epididimària (Briz i col., 1996; Pinart i col., 1999). Referente a la morfología espermática, los espermatozoides inmaduros fueron marcadores de anomalías en la maduración de éstos a lo largo del conducto epididimario y los espermatozoides aberrantes se utilizaron como marcadores de una diferenciación defectuosa a nivel de testículo (anomalías primarias) y a nivel de conducto epididimario (anomalías secundarias) (Briz i col., 1996). La concentración de proteína total se utilizó para valorar la integridad funcional de las membranas del espermatozoide y la actividad de las glándulas sexuales accesorias. La identificación de proteínas con residuos de tirosina fosforilados fue un estimador de la viabilidad celular y la actividad de las glándulas sexuales, y el contenido de azúcares como un indicador de la producción de las vesículas seminales. La determinación del volumen y el pH de los eyaculados se realizó en las instalaciones de la granja a partir de semen fresco el mismo día de la extracción. El resto de parámetros se analizaron en el laboratorio durante las 48 horas posteriores a la extracción a partir de semen diluido en BTS (diluyente de Bestville) (Daza, 1992) y transportado y conservado a 15ºC. Las muestras fueron previamente filtradas con el fin de eliminar la tapioca. El estudio estadístico de los resultados obtenidos se realizó a partir del análisis de la varianza (ANOVA) con un nivel de significación de =0,05. En cuanto al estudio comparativo de los fotoperiodos ambientales estacionales se ha observado un incremento significativo del pH del eyaculado en los machos expuestos a otoño (P0,0001), mientras que el volumen seminal se mantiene en valores similares en ambos tratamientos (P=0,1650). La concentración espermàtica, la producción espermàtica y el número de dosis seminales que se pueden preparar a partir de un eyaculado se duplica en los verracos sometidos al fotoperiodo de primavera (P0,0001). La vitalidad y la motilidad espermáticas no experimentan cambios significativos entre tratamientos (P=0,3440 y P=0,9220, respectivamente). La resistencia osmótica de los acrosomas desciende únicamente en los machos expuestos a condiciones estacionales de otoño (P0,0001). En referencia a la morfología espermàtica aunque no se observan diferencias entre primavera y otoño (P0,05), sí se detecta un incremento de los porcentajes de espermatozoides inmaduros y aberrantes en ambos fotoperiodos estacionales, y en especial en los machos expuestos a condiciones fotoperiódicas de otoño. Según los resultados obtenidos en este estudio la calidad seminal de los verracos es inferior en el fotoperiodo de otoño debido a un descenso de la concentración y la producción espermáticas, un aumento del pH seminal, una disminución de la resistencia de la membrana acrosómica y a un incremento en la frecuencia de espermatozoides inmaduros y aberrantes. Parece ser, pues, que en el otoño tiene lugar la disminución de la producción testicular, cambios en la actividad de las glándulas sexuales accesorias y disfunciones en el proceso de diferenciación testicular y epididimària de los espermatozoides y especialmente del acrosoma. En relación a los resultados obtenidos en el estudio de los diferentes fotoperiodos artificiales se observa que la iluminación continua provoca un aumento significativo del volumen del eyaculado en el primer y segundo mes de tratamiento (P0,0001), disminuyendo en el tercer mes. La oscuridad absoluta no modifica este parámetro (P0,05). En cuanto al pH seminal la iluminación continua provoca un incremento progresivo del valor del pH a lo largo del periodo experimental (P0,0001), mientras que la oscuridad absoluta tiene un efecto más irregular. La exposición de los machos a iluminación continua y a oscuridad absoluta se manifiesta en un descenso de la concentración y la producción espermáticas que se mantiene hasta el segundo mes de tratamiento (P0,0001), observándose un incremento en el tercer mes de exposición de los machos a oscuridad absoluta (P=0,1010). De todas maneras, este descenso es mas severo en los machos sometidos a iluminación continua ya que no presentan recuperación. La vitalidad y la motilidad espermáticas no se ven alteradas por la iluminación continua y la oscuridad absoluta, ni tampoco el contenido de los azúcares mayoritarios del plasma seminal (P0,005). La glucosa aparece como un azúcar minoritario y sí que presenta concentraciones inferiores en los tratamientos experimentales de luz continua y de oscuridad absoluta (P0,0001 y P=0,0002, respectivamente). La resistencia osmótica de los acrosomas desciende en ambos tratamientos artificiales extremos de luz continua y oscuridad total (P0,0001), aunque en los machos expuestos a iluminación continua se produce una recuperación a partir del segundo mes de tratamiento (P=0,4930). Dado que tampoco se han observado diferencias significativas en las concentraciones de proteína total (P0,05), es probable que las anomalías de la membrana acrosómica se originen durante el proceso de espermiogénesis y/o maduración epididimària. La exposición de los verracos a oscuridad absoluta no altera la morfología espermàtica de los eyaculados, aunque se observa un aumento de la frecuencia de espermatozoides con anomalías en la forma de la cola en el primer mes (P0,0001), y un aumento de la frecuencia de espermatozoides inmaduros con gota distal y de espermatozoides con anomalías en el número de colas en el tercer mes de experimentación (P=0,0030 y P0,0001). La luz continua, sin embargo, provoca un incremento de la frecuencia de espermatozoides inmaduros con gota distal (P0,0001) y de espermatozoides con anomalías en la forma de la cola (P=0,0040) ya en el primer mes. El fotoperiodo provoca un descenso de la fertilidad de los machos expuestos a oscuridad absoluta en el tercer mes de tratamiento (P0,0001) y un incremento de ésta en los machos sometidos a iluminación continua (P=0,0005). La prolificidad no se ve modificada por ambas condiciones extremas de luz artificial (P0,05). Así pues, los resultados obtenidos demuestran que el fotoperiodo afecta la actividad testicular, provoca alteraciones en la actividad de las glándulas sexuales accesorias, altera el proceso de expulsión de la gota citoplasmática y provoca anomalías en el proceso de diferenciación de la cola tanto a nivel testicular como epididimario, siendo los verracos expuestos a luz continua más sensibles a estos parámetros que los verracos sometidos a oscuridad absoluta. El fotoperiodo, sin embargo, no altera de forma esencial la integridad de las membranas del espermatozoide ni la capacidad fecundante de éste.

Estudi citològic i bioquímic del fluid epididimari de "Sus domesticus"

En aquest estudi s'ha determinat que al augmentar el ritme d'extraccions de semen es produeixen canvis en el patró d'absorció i secreció del fluid epididimari, que provoquen alteracions en la maduració epididimaria dels espermatozoides i un desenvolupament anòmal de la motilitat espermàtica. La concentració de glutamat i carnitina al fluid epididimari augmenten al llarg del conducte epididimari, alhora que la concentració de myo-inositol disminueix. El contingut de myo-inositol a l'interior dels espermatozoides disminueix, mentre que el contingut de glutamat augmenta a partir del caput distal i el contingut de carnitina no varia al llarg del conducte. S'ha determinat la presència de la ruta del poliol a l'epidídim de porcí. Els resultats obtinguts indiquen que la glucosa difon de la sang cap al fluid epididimari, és convertida a sorbitol per l'aldosa reductasa, i aquest sorbitol s'acumula al fluid luminal i és convertit a fructosa per l'acció de la sorbitol deshidrogenasa.

Influence of temperature on the motility of Pseudomonas oryzihabitans and control of Globodera rostochiensis

The motility and efficacy of Pseudomonas oryzihabitans as a biocontrol agent against the potato cyst nematode Globodera rostochiensis were studied with respect to temperature. The influence of soil moisture on bacterial movement was also tested. In a closed container trial, P. oryzihabitans significantly reduced invasion of second stage juveniles (J2) of G. rostochiensis in potato roots, its effect being more marked at 25 and 21 degreesC than at 17 degreesC. P. oryzihabitans motility in vitro was optimal at 26 degreesC and inhibited at temperatures below 18 degreesC. In soil, both temperature and matric potential affected bacterial movement. At 16 degreesC its movement and survival were suppressed, but they were unaffected at 25 degreesC. At both temperatures the biocontrol agent moved faster in the wetter (- 0.03 MPa) than in the drier soil (- 0.1 MPa). These results suggest that temperature is a key factor in determining the potential of P. or.yzihabitans as a biocontrol agent. (C) 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Influence of temperature on the motility of Pseudomonas oryzihabitans and control of Globodera rostochiensis

The motility and efficacy of Pseudomonas oryzihabitans as a biocontrol agent against the potato cyst nematode Globodera rostochiensis were studied with respect to temperature. The influence of soil moisture on bacterial movement was also tested. In a closed container trial, P. oryzihabitans significantly reduced invasion of second stage juveniles (J2) of G. rostochiensis in potato roots, its effect being more marked at 25 and 21 degreesC than at 17 degreesC. P. oryzihabitans motility in vitro was optimal at 26 degreesC and inhibited at temperatures below 18 degreesC. In soil, both temperature and matric potential affected bacterial movement. At 16 degreesC its movement and survival were suppressed, but they were unaffected at 25 degreesC. At both temperatures the biocontrol agent moved faster in the wetter (- 0.03 MPa) than in the drier soil (- 0.1 MPa). These results suggest that temperature is a key factor in determining the potential of P. or.yzihabitans as a biocontrol agent. (C) 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Epidermal growth factor-stimulated extravillous cytotrophoblast motility is mediated by the activation of PI3-K, Akt and both p38 and p42/44 mitogen-activated protein kinases

BACKGROUND: Trophoblast invasion is a temporally and spatially regulated scheme of events that can dictate pregnancy outcome. Evidence suggests that the potent mitogen epidermal growth factor (EGF) regulates cytotrophoblast (CTB) differentiation and invasion during early pregnancy. METHODS AND RESULTS: In the present study, the first trimester extravillous CTB cell line SGHPL-4 was used to investigate the signalling pathways involved in the motile component of EGF-mediated CTB migration/invasion. EGF induced the phosphorylation of the phosphatidylinositol 3-kinase (PI3-K)-dependent proteins, Akt and GSK-3β as well as both p42/44 MAPK and p38 mitogen-activated protein kinases (MAPK). EGF-stimulated motility was significantly reduced following the inhibition of PI3-K (P < 0.001), Akt (P < 0.01) and both p42/44 MAPK (P < 0.001) and p38 MAPKs (P < 0.001) but not the inhibition of GSK-3β. Further analysis indicated that the p38 MAPK inhibitor SB 203580 inhibited EGF-stimulated phosphorylation of Akt on serine 473, which may be responsible for the effect SB 203580 has on CTB motility. Although Akt activation leads to GSK-3β phosphorylation and the subsequent expression of β-catenin, activation of this pathway by 1-azakenpaullone was insufficient to stimulate the motile phenotype. CONCLUSION: We demonstrate a role for PI3-K, p42/44 MAPK and p38 MAPK in the stimulation of CTB cell motility by EGF, however activation of β-catenin alone was insufficient to stimulate cell motility.

Effect of hyaluronidase on ocular motility and eyelid function in sub-Tenon's anaesthesia: randomised controlled trial

Purpose: To assess the effect of hyaluronidase on eye and eyelid movements when used as an adjunct in sub-Tenon's anaesthesia. Methods: A total of 60 patients who had sub-Tenon's anaesthesia prior to phacoemulsification surgery were divided into two equal groups in a double-masked randomised controlled fashion. Of these, Group A had 4 ml lignocaine 2%, while Group B had 4ml lignocaine 2% with the addition of sodium hyaluronidase 75 IU/ml. Ocular motility, levator, and orbicularis oculi function were measured in all patients at 5 and 8 min. Levator function was scored from 0 (no function) to 3 (complete function) while orbicularis function was scored from 0 to 2. The score for ocular motility was the sum in four positions of gaze, each position scoring from 0 to 2. Results were compared using a nonparametric test. Results Group B achieved significantly better ocular and lid akinesia than Group A both at 5 and 8 min with P < 0.01. The median scores for levator function at 5 and 8 min were 2 for Group A and 0 for Group B. For orbicularis function, the median scores at both time intervals were 2 for Group A and 1 for Group B. For ocular motility, the median score for Group A at 5 min was 3 and at 8 min was 2.5; for Group B at 5 min was 0.5 and at 8 min was 0. Conclusions: The addition of hyaluronidase in sub-Tenon's anaesthesia has a significant effect in improving ocular and lid (levator and orbicularis) akinesia.

Lactobacilli antagonize the growth, motility, and adherence of brachyspira pilosicoli: a potential intervention against avian intestinal spirochetosis

Avian intestinal spirochetosis (AIS) results from the colonization of the ceca and colorectum of poultry by pathogenic Brachyspira species. The number of cases of AIS has increased since the 2006 European Union ban on the use of antibiotic growth promoters, which, together with emerging antimicrobial resistance in Brachyspira, has driven renewed interest in alternative intervention strategies. Probiotics have been reported as protecting livestock against infection with common enteric pathogens, and here we investigate which aspects of the biology of Brachyspira they antagonize in order to identify possible interventions against AIS. The cell-free supernatants (CFS) of two Lactobacillus strains, Lactobacillus reuteri LM1 and Lactobacillus salivarius LM2, suppressed the growth of Brachyspira pilosicoli B2904 in a pH-dependent manner. In in vitro adherence and invasion assays with HT29-16E three-dimensional (3D) cells and in a novel avian cecal in vitro organ culture (IVOC) model, the adherence and invasion of B. pilosicoli in epithelial cells were reduced significantly by the presence of lactobacilli (P < 0.001). In addition, live and heat-inactivated lactobacilli inhibited the motility of B. pilosicoli, and electron microscopic observations indicated that contact between the lactobacilli and Brachyspira was crucial in inhibiting both adherence and motility. These data suggest that motility is essential for B. pilosicoli to adhere to and invade the gut epithelium and that any interference of motility may be a useful tool for the development of control strategies.

The CtsR regulator of Listeria monocytogenes contains a variant glycine repeat region that affects piezotolerance, stress resistance, motility and virulence

A spontaneous high hydrostatic pressure (HHP)-tolerant mutant of Listeria monocytogenes ScottA, named AK01, was isolated previously. This mutant was immotile and showed increased resistance to heat, acid and H2O2 compared with the wild type (wt) (Karatzas, K.A.G. and Bennik, M.H.J. 2002 Appl Environ Microbiol 68: 3183–3189). In this study, we conclusively linked the increased HHP and stress tolerance of strain AK01 to a single codon deletion in ctsR (class three stress gene repressor) in a region encoding a highly conserved glycine repeat. CtsR negatively regulates the expression of the clp genes, including clpP, clpE and the clpC operon (encompassing ctsR itself), which belong to the class III heat shock genes. Allelic replacement of the ctsR gene in the wt background with the mutant ctsR gene, designated ctsRΔGly, rendered mutants with phenotypes and protein expression profiles identical to those of strain AK01. The expression levels of CtsR, ClpC and ClpP proteins were significantly higher in ctsRΔGly mutants than in the wt strain, indicative of the CtsRΔGly protein being inactive. Further evidence that the CtsRΔGly protein lacks its repressor function came from the finding that the Clp proteins in the mutant were not further induced upon heat shock, and that HHP tolerance of a ctsR deletion strain was as high as that of a ctsRΔGly mutant. The high HHP tolerance possibly results from the increased expression of the clp genes in the absence of (active) CtsR repressor. Importantly, the strains expressing CtsRΔGly show significantly attenuated virulence compared with the wt strain; however, no indication of disregulation of PrfA in the mutant strains was found. Our data highlight an important regulatory role of the glycine-rich region of CtsR in stress resistance and virulence.