Characterization of the excretory/secretory products of Dermatobia hominis larvae, the human bot fly

Proteolytic activity in excretory/secretory products (ESP) of first- (L1), second- (L2) and third-instar (L3) larvae of Dermatobia hominis was analyzed through gelatin-gel and colorimetric enzyme assays with the chromogenic substrates azocasein and BApNA. The functional characterization of proteases was based on inhibition assays including synthetic inhibitors. ESP were obtained from new-hatched larvae reared in the laboratory and from second- and third-instar larvae removed from naturally infested cattle. Gelatin-gel analysis evidenced few bands of proteolysis, predominantly of high apparent molecular masses, in ESP of L1, whereas in the gel of L2 and U ESP there was a wide range of proteolytic activity most of them not resolved in a single species. Azocasein assays revealed a progressive increase of protease activity from first- to third-instar larvae. Protease inhibitor assays revealed a predominance of metalloproteases in L1 ESP that could be related to a skin penetration process and to a diversion of host immune response. The predominance of serine proteases in L2 and L3 and the great tryptic activity presented by L3 ESP were attributed to an increasing trophic activity by the growing larvae, since the viability of adult flies strictly depends on larval abilities to assimilate nutrients from the host. Taking together, these results suggest that Dematobia larvae secrete/excrete different proteases that may be related to diverse functions during host penetration and infestation, which reinforces the relevance of the study of such proteolytic enzymes. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Purification and properties of an alkaline protease of Aspergillus clavatus

An extracellular alkaline serine protease has been purified from a strain of Aspergillus clavatus, to apparent homogeneity, by ammonium sulfate precipitation and chromatography on Sephadex G-75. Its molar mass, estimated by SDS-PAGE, was 35 kDa. Maximum protease activity was observed at pH 9.5 and 40 degrees C. The enzyme was active between pH 6.0 and 11.0 and was found to be unstable up to 50 degrees C. Calcium at 5 mM increased its thermal stability. The protease was strongly inhibited by PMSF and chymostatin as well as by SDS, Tween 80 and carbonate ion. Substrate specificity was observed with N-p-Tos-Gly-Pro-Arg-p-nitroanilide and N-Suc-Ala-Ala-Ala-p-nitroanilide being active substates. Parts of the amino acid sequence were up to 81% homologous with those of several fungal alkaline serine proteases.

Protease activity in extracellular products secreted in vitro by trophozoites of Giardia duodenalis

There are evidences that Giardia trophozoites contain and/or release proteolytic enzymes that may be implicated in pathogenesis of giardiasis. This report describes a preliminary characterization of the proteolytic activity in excretory/secretory (E/S) products of Giardia duodenalis trophozoites of an axenic Brazilian strain (BTU-11) and the reference strain Portland 1 (P1). The protease activity of E/S products in conditioned medium by trophozoites of each strain was analyzed using substrate (gelatin and collagen) impregnated SDS-PAGE and hemoglobin assay. The protease characterization was based on inhibition assays including synthetic inhibitors. Proteolytic products were detected in the conditioned medium by trophozoites of both assayed strains. In the gels containing copolymerized gelatin and collagen, E/S products promoted degradation of the substrates and the most evident proteolysis zones were distributed in the migration regions of 77 to 18 kDa and 145 to 18 kDa, respectively, in the patterns of gelatinolytic and collagenolytic activities. Degradation of hemoglobin was also observed, and the pattern of hydrolysis was similar in both E/S products assayed. Inhibition assays showed that the main proteolytic activity in both E/S products is due to cysteine proteases although the presence of serine proteases was also indicated, mainly in the hydrolysis of hemoglobin.

Functional and structural analysis of two fibrinogen-activating enzymes isolated from the venoms of Crotalus durissus terrificus and Crotalus durissus collilineatus

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Análise bioquímica dos produtos de excreção/secreção de larvas de Dermatobia hominis

Pós-graduação em Medicina Veterinária - FMVZ

Identificação e caracterização dos produtos de excreção/secreção de trofozóitos de Giardia duodenalis

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Análise da expressão e silenciamento de genes do trato digestivo de Anopheles aquasalis

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Recent advances in the understanding of brown spider venoms: From the biology of spiders to the molecular mechanisms of toxins

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Proteomic analysis of the rare Uracoan rattlesnake Crotalus vegrandis venom: evidence of a broad arsenal of toxins

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Crystal structure of Staphylococcus aureus exfoliative toxin D-like protein: structural basis for the high specificity of exfoliative toxins

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Properties and secretory mechanism of Musca domestica digestive chymotrypsin and its relation with Drosophila melanogaster homologs

Musca domestica larvae present two different digestive chymotryptic activities found in the posterior midgut (PMG): one major soluble activity in the lumen and another minor present in cell membrane fractions. Both soluble and membrane-bound chymotryptic activities have different half lives of thermal inactivation (46 degrees C) in the presence and absence of 10 mM Triton X-100, indicating that they are two different molecular species. Purified soluble chymotryptic activity has pH optimum 7.4 and a molecular mass of 28 kDa in SDS-PAGE. It does not cleave short substrates, such as Suc-F-MCA, preferring longer substrates, such as Suc-AAPF-MCA, with a primary specificity (kcat/Km) for Phe rather than Tyr and Leu residues. In-gel activity revealed a unique band against S-AAPF-MCA with the same migration as purified chymotrypsin. One chymotrypsinogen-like sequence (MdChy1) was sequenced, cloned and recombinantly expressed in Escherichia coli (DE3) Star. MdChy1 is expressed in the proximal posterior midgut (PMG1), as seen by RT-PCR. Expression analysis of other chymotrypsin genes revealed genes expressed at the anterior midgut (AMG) and PMG. Western blot of M. domestica midgut tissues using anti-MdChy1 antiserum showed a single band in samples from AMG and PMG, co-migrating with recombinant and purified enzymes. Immunogold labeling corresponding to Mdchy1 was found in small vesicles (thus indicating exocytosis) and in the lumen of AMG and PMG, corroborating the existence of two similar groups of chymotrypsins. Transcriptomes of M. domestica AMG and whole midgut prepared by pyrosequencing disclosed 41 unique sequences of chymotrypsin-like enzymes (19 probably functional), from which MdChy1 is highly expressed. Phylogenetic reconstruction of Drosophila melanogaster and M. domestica chymotrypsin-like sequences revealed that the chymotrypsin genes expanded before the evolutionary separation of Musca and Drosophila. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Funktionelle und strukturelle Charakterisierung des Ovastacins in vivo und in vitro

Die Metalloprotease Ovastacin, ein Vertreter der Astacin-Familie, wurde erstmals 2004 beschrieben. Im Ovar von Säugetieren ist Ovastacin-mRNA im Zeitfenster vom Stadium der Sekundärfollikel bis kurz nach der Befruchtung der Eizelle zu finden. Der Expressionsort und -zeitpunkt sowie die Sequenzähnlichkeit von über 60% mit sogenannten „Schlüpfenzymen“ (engl. hatching enzymes), die man in den Eizellen und Zygoten niederer Wirbeltiere und Wirbelloser gefunden hatte, ließen die Vermutung aufkommen, es könnte sich hier um das Säugerhomolog dieser Proteasen handeln. Generell lösen hatching Enzyme die derben embryonalen Hüllstrukturen (bei Säugern die Zona pellucida, ZP) beim Schlüpfvorgang auf. Die essentielle Bedeutung des Ovastacins für die Befruchtung wird durch die um ca. 30% reduzierte Fruchtbarkeit von Ovastacin defizienten Mäusen belegt. Hochinteressant war in diesem Zusammenhang die Entdeckung des Ovastacins in den Cortikalgranula der Oocyten sowie seine Fähigkeit, das Zona pellucida Protein 2 zu schneiden. Die dadurch bewirkte Verhärtung der Zona pellucida verhindert das Eindringen weiterer Spermien, das heißt sie baut eine Barriere gegen Polyspermie auf. Ziel dieser Arbeit war es, Belege für die physiologische Funktion des Ovastacins zu finden. Vor allem galt es, potentielle Aktivatoren zu identifizieren, da das Enzym wie alle Astacine als inaktive Vorstufe gebildet wird, die proteolytisch aktiviert werden muss. Zu diesem Zweck exprimierte ich rekombinantes Pro-Ovastacin in Insektenzellen. Aktivierungsstudien in vitro zeigten, dass ein saures Milieu zu einer Aktivierung führt, ohne die Abspaltung des Propeptids zu bewirken. Sequenzalignments und ein homologes Strukturmodell des Ovastacins wiesen auf Trypsin- oder Elastase-ähnliche Serinproteasen als potentielle Aktivierungsenzyme hin. Tatsächlich konnte mit diesen beiden Proteasetypen zum ersten Mal aktives Ovastacin aus Pro-Ovastacin erzeugt werden. Trypsin kommt als physiologischer Aktivator allerdings nicht in Betracht, da es bisher in keinem der Gewebe nachgewiesen werden konnte, in dem Ovastacin exprimiert wird. Die neutrophile Elastase dagegen konnte in der Leber, im Herz sowie im Blutplasma nachgewiesen werden. Mit Hilfe spezifischer Antikörper konnte das Herz als Expressionsort für Ovastacin bestätigt werden. Somit wäre Elastase ein potentieller physiologischer Aktivator von Ovastacin. Die Identifikation des Ovastacins in Geweben wie Leber, Herz, Nabelschnur und im Blutplasma weist auf eine Rolle der Protease in proteolytischen Netzwerken außerhalb der Spermien-Ei-Interaktion hin. Die Bedeutung der biologischen Kontrolle des Ovastacins bei der Befruchtung der Säugereizelle wird durch die Beobachtung untermauert, dass das Leberprotein Fetuin B als physiologischer Ovastacininhibitor fungiert und dadurch eine vorzeitige Verhärtung der Zona pellucida verhindert, die andernfalls die Penetration von Spermien prinzipiell verhindern würde.

Synthese, Charakterisierung und Testung von Phenylacrylsäure-Derivaten, Benzothiazolen und Diarylthioethern als potentielle Inhibitoren der Dengue-Virus-Typ-2-NS2B-NS3-Protease

Dengue-Fieber ist eine durch Stechmücken der Gattungen Aedes aegypti und Aedes albopticus übertragene, virale Infektionskrankheit des Menschen, welche eine zunehmende Bedrohung für die Weltbevölkerung darstellt; das Infektionsrisiko betrifft vorwiegend Menschen, die in tropischen und subtropischen Gebieten der Erde (Asien, Afrika, Amerika) leben. Bei dem Erreger handelt es sich um ein Flavivirus, bestehend aus einer positiv polarisierten Einzelstrang-RNA, welches in vier verschiedenen Serotypen existiert. Eine Infektion mit Dengue-Viren zeigt sich durch drei mögliche Krankheitsbilder: Klassisches Dengue-Fieber (DF), hämorrhagisches Dengue-Fieber (DHF) oder Dengue-Schock-Syndrom (DSS). Das Dengue-Virus-Genom codiert eine Serin-Protease mit einer klassischen katalytischen Triade, bestehend aus den Aminosäuren His51, Asp75 und Ser135. Die Funktion der Dengue-Virus-Protease besteht in der post-translationalen, proteolytischen Prozessierung des viralen Polyprotein-Vorläufers, womit sie essentiell für die Virus-Replikation ist und damit einen wichtigen therapeutischen Ansatz für die Entwicklung neuer Wirkstoffe gegen Dengue-Fieber darstellt. Die Ziele der vorliegenden Arbeit bestanden darin, neue potentielle Inhibitoren der Dengue-Virus Typ 2 NS2B-NS3 Protease (DEN-2 NS2B-NS3pro) zu synthetisieren, deren Hemmwirkung sowie den Inhibitionstyp mithilfe fluorimetrischer Enzym-Assays zu bestimmen, Struktur-Wirkungs-Beziehungen (u.a. mithilfe von Molecular Docking-Rechnungen) zu analysieren und die erhaltenen Leitstrukturen zu optimieren. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Substanzklassen und damit zwei Teilprojekte behandelt: Phenylacrylsäureamide im ersten Teilprojekt, Benzothiazole und Diarylthioether zusammen im zweiten Teilprojekt. Im ersten Teilprojekt zeigten einige Phenylacrylsäureamide eine schwache Hemmung der DEN-2 NS2B-NS3pro zwischen ca. 50 und 61 % bei einer Inhibitorkonzentration von 50 µM sowie eine nicht-kompetitive Hemmung, welche jedoch durch vielfältige Derivatisierung kaum verändert oder verbessert werden konnte. Darüber hinaus wurden die endogenen Serin-Proteasen alpha-Chymotrypsin und Trypsin durch einige Phenylacrylsäureamide erheblich stärker gehemmt als die DEN-2 NS2B-NS3pro. Das zweite Teilprojekt befasste sich mit der Synthese und Testung von Diarylthioethern mit hydroxy-substituierten Benzothiazol-Bausteinen sowie der Testung einiger methoxy-substituierter Synthese-Vorstufen der Endverbindungen, um die Relevanz und den Einfluss der einzelnen Bausteine auf die Hemmung der DEN-2 NS2B-NS3pro zu untersuchen. Der in der vorliegenden Arbeit synthetisierte, potenteste Inhibitor der DEN-2 NS2B-NS3pro (Hemmung: 90 % [50 µM]; IC50 = 3.6 +/- 0.11 µM) und der DEN-3 NS2B-NS3pro (Hemmung: >99 % [100 µM]; IC50 = 9.1 +/- 1.02 µM), SH65, ein Diarylthioether-Benzothiazol-Derivat, entstand aufgrund der Vorhersage zweier möglicher Bindungsmodi (kompetitiv und nicht-kompetitiv) mithilfe von Molecular Docking-Experimenten an der Röntgen-Kristall-struktur der DEN-3 NS2B-NS3pro (PDB-Code: 3U1I). Nach experimenteller Bestimmung der IC50-Werte bei unterschiedlichen Substratkonzentrationen erwies sich SH65 jedoch als nicht-kompetitiver Inhibitor der DEN-2 NS2B-NS3pro. Trypsin wurde von SH65 vergleichbar stark gehemmt (96% [50 µM]; IC50 = 6.27 +/- 0.68 µM) wie die beiden getesteten Dengue-Virus-Proteasen, nicht jedoch alpha-Chymotrypsin (nur 21% Hemmung bei 50 µM), wodurch diesem Inhibitor zumindest eine relative Selektivität gegenüber Serin-Proteasen zugeschrieben werden kann. SH65 zeigte lediglich Protease-Hemmung in den Enzym-Assays, jedoch keine antivirale Aktivität bei der Testung an Dengue-Virus-infizierten Zellen, was aber wiederum bei der synthetisierten Vorstufe von SH65, welche anstelle der beiden Hydroxy-Gruppen über Methoxy-Gruppen verfügt, der Fall war. Diarylthioether mit mehrfach hydroxy-substituiertem Benzothiazol-Baustein stellen hiermit eine neue, vielversprechende Wirkstoffgruppe zur Hemmung sowohl der Dengue-Virus Typ 2- als auch der Dengue-Virus Typ 3 NS2B-NS3 Protease dar.

Prozessierung des humanen GARP–Rezeptors und die physiologischen Auswirkungen

GARP (Glycoprotein A Repetitions Predominant) ist ein Oberflächenrezeptor auf regulatorischen T–Zellen (TRegs), der den latenten TGF–β (Transforming Growth Factor–β) bindet. Ein Funktionsverlust von T Regs hat gravierende Autoimmunerkrankungen wie das Immunodysregulation Polyendocrinopathy Enteropathy X–linked Syndrome (IPEX), Multiple Sklerose (MS) oder Rheumatoide Arthritis (RA) zur Folge. GARP stellt über eine Erhöhung der Aktivierbarkeit von TGF–β den regulatorischen Phänotyp von TRegs sicher und inhibiert die Ausbreitung von autoreaktiven TH17 Zellen.rn In dieser Arbeit stand die Regulation von GARP selbst im Mittelpunkt. Es konnte gezeigt werden, dass es sich innerhalb der kiefertragenden Vertebraten um ein strikt konserviertes Protein handelt. Datenbankanalysen machten deutlich, dass es zuerst in basalen Knochenfischen zusammen mit anderen Komponenten der adaptiven Immunantwort auftritt. Ein 3D–Modell, welches über Homologiemodellierung erstellt wurde, gab Aufschluss über die Struktur des Rezeptors und mögliche intramolekulare Disulfidbrücken. Für in vitro Versuche wurde eine lösliche Variante von GARP durch einen Austausch der Transmembrandomäne durch C–terminale Meprin α Domänen konstruiert. Diese Variante wurde in der eukaryotischen Zellkultur zuverlässig in den Überstand sezerniert und konnte chromatografisch gereinigt werden. Mit diesem rekombinanten GARP wurden Prozessierungsversuche mit Autoimmunpathogenese assoziierten Proteasen durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die Serinproteasen Trypsin, Neutrophile Elastase und Plasmin, sowie die Metalloprotease MMP2 in der Lage sind, GARP vollständig zu degradieren. In TGF–β sensitiven Proliferationsuntersuchungen stellte sich heraus, dass die entstandenen Fragmente immer noch in der Lage waren die Aktivierbarkeit von TGF–β zu erhöhen. Neben der Degradierung durch die oben genannten Proteasen konnte ebenfalls beobachtet werden, dass MMP9 und Ovastacin in der Lage sind GARP spezifisch zu schneiden. Ovastacin mRNA wurde in dieser Arbeit das erste Mal außerhalb der Oocyte, in T–Zellen beschrieben. Mit GARP wurde zudem das zweite Proteinsubstrat, neben dem Zona Pellucida Protein 2 identifiziert. Das durch MMP9 erzeugte N–terminale Fragment besitzt zwar die Eigenschaft, an TGF–β zu binden, kann aber die Aktivierbarkeit von TGF–β nicht mehr wie das intakte GARP erleichtern. rnDiese Arbeit zeigte, dass GARP durch Proteolyse reguliert wird, wobei die entstehenden Fragmente unterschiedlichen Einfluss auf die Aktivierbarkeit von TGF–β haben. Dieses Wissen bildet die Grundlage für weitere Untersuchungen im translationalen Forschungsbereich, um die gewonnenen Erkenntnisse zur Immunmodulation in der Therapie verschiedener Krankheiten einsetzen zu können.rn

The plasmin-antiplasmin system: structural and functional aspects

The plasmin-antiplasmin system plays a key role in blood coagulation and fibrinolysis. Plasmin and (2)-antiplasmin are primarily responsible for a controlled and regulated dissolution of the fibrin polymers into soluble fragments. However, besides plasmin(ogen) and (2)-antiplasmin the system contains a series of specific activators and inhibitors. The main physiological activators of plasminogen are tissue-type plasminogen activator, which is mainly involved in the dissolution of the fibrin polymers by plasmin, and urokinase-type plasminogen activator, which is primarily responsible for the generation of plasmin activity in the intercellular space. Both activators are multidomain serine proteases. Besides the main physiological inhibitor (2)-antiplasmin, the plasmin-antiplasmin system is also regulated by the general protease inhibitor (2)-macroglobulin, a member of the protease inhibitor I39 family. The activity of the plasminogen activators is primarily regulated by the plasminogen activator inhibitors 1 and 2, members of the serine protease inhibitor superfamily.