Cloning and characterization of the cDNA for the Brazilian Cratomorphus distinctus larval firefly luciferase: Similarities with European Lampyris noctiluca and Asiatic Pyrocoelia luciferases

Studies on firefly (Lampyridae) luciferases have focused on nearctic species of Photinus and Photuris and Euroasiatic species of Lampyris, Luciola, Hotaria, and Pyrocoelia. Despite accounting for the greatest diversity of fireflies in the world, no molecular studies have been carried out on the highly diverse genera from the neotropical region. Here we report the luciferase cDNA cloning for the larva of the Brazilian firefly Cratomorphus distinctus. The cDNA has 1978 bp and codes for a 547-residue-long polypeptide. Noteworthy, sequence comparison as well as functional properties show the highest degree of similarity with Lampyris noctiluca (93%) and Pyrocoelia spp. (91%) luciferases, suggesting a close phylogenetic relationship despite the geographical distance separating these species. The bioluminescence emission spectrum peaks at 550 nm and, as expected, is sensitive to pH, shifting to 605 nm at pH 6. The kinetic properties of the recombinant luciferase were similar to those of other firefly luciferases. © 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

A new firefly luciferase with bimodal spectrum: Identification of structural determinants of spectral pH-sensitivity in firefly luciferases

Fireflies emit flashes in the green-yellow region of the spectrum for the purpose of sexual attraction. The bioluminescence color is determined by the luciferases. It is well known that the in vitro bioluminescence color of firefly luciferases can be shifted toward the red by lower pH and higher temperature; for this reason they are classified as pH-sensitive luciferases. However, the mechanism and structural origin of pH sensitivity in fireflies remains unknown. Here we report the cloning of a new luciferase from the Brazilian twilight active firefly Macrolampis sp2, which displays an unusual bimodal spectrum. The recombinant luciferase displays a sensitive spectrum with the peak at 569 nm and a shoulder in the red region. Comparison of the bioluminescence spectra of Macrolampis, Photinus and Cratomorphus firefly luciferases shows that the distinct colors are determined by the ratio between green and red emitters under luciferase influence. Comparison of Macrolampis luciferase with the highly similar North American Photinus pyralis luciferase (91%) showed few substitutions potentially involved with the higher spectral sensitivity in Macrolampis luciferase. Site-directed mutagenesis showed that the natural substitution E354N determines the appearance of the shoulder in the red region of Macrolampis luciferase bioluminescence spectrum, helping to identify important interactions and residues involved in the pH-sensing mechanism in firefly luciferases. © 2005 American Society for Photobiology.

Transient transfection and expression of firefly luciferase in Giardia lamblia.

We have developed a gene transfer system for the protozoan parasite Giardia lamblia. This organism is responsible for many cases of diarrhea worldwide and is considered to be one of the most primitive eukaryotes. Expression of a heterologous gene was detected in this parasite after electroporation with appropriate DNA constructs. We constructed a series of transfection plasmids using flanking sequences of the Giardia glutamate dehydrogenase (GDH) gene to drive expression of the firefly luciferase reporter gene. The optimal construct consisted of a GDH/luciferase fusion gene in which the first 18 codons of the GDH gene immediately preceded the luciferase gene; this fusion gene was flanked by the upstream and downstream sequences of the GDH gene. Electroporation of this construct into Giardia yielded luciferase activity that was 3000- to 50,000-fold above background. Removal of either the 5' or 3' GDH flanking sequences from this construct resulted in significantly reduced luciferase activity, and removal of both flanking sequences reduced luciferase activity to background levels. Luciferase activity was proportional to the amount of DNA electroporated and was maximal at 6 hr after electroporation.

Baculovirus mediated high-level expression of luciferase in silkworm cells and larvae

Bombyx mori nuclear polyhedrosis virus (BmNPV)-based baculovirus expression system exploits silkworm larvae as an economical alternative to large-scale cell cultures for production of biomolecules. To generate recombinant BmNPV at high efficiency, we have achieved high efficiency transfection of B. mori cells, BmN, through lipofection. Optimal conditions for lipofection were standardized by quantification of the transient expression level of firefly luciferase (luc) reporter gene under control of an immediate early gene promoter of BmNPV Lipofection was 50-fold and 100-fold more efficient than the calcium phosphate method for transfecting BmN and Sf9 cells, respectively. Lipofection enabled us to generate a recombinant BmNPV (vBmluc), harboring luc under control of the strong polyhedrin promoter On infection with vBmluc, luciferase was expressed at very high levels, 170 mu g/10(6) BmN cells or 13 mg/larva. Expression of luciferase in vBmluc-infected larvae was visualized by luminescence emission instantaneously following luciferin injection generating ''glowing silkworms''.

The structural origin and biological function of pH-sensitivity in firefly luciferases

Firefly luciferases are called pH-sensitive because their bioluminescence spectra display a typical red-shift at acidic pH, higher temperatures, and in the presence of heavy metal cations, whereas other beetle luciferases (click beetles and railroadworms) do not, and for this reason they are called pH-insensitive. Despite many studies on firefly luciferases, the origin of pH-sensitivity is far from being understood. This subject is revised in view of recent results. Some substitutions of amino-acid residues influencing pH-sensitivity in firefly luciferases have been identified. Sequence comparison, site-directed mutagenesis and modeling studies have shown a set of residues differing between pH-sensitive and pH-insensitive luciferases which affect bioluminescence colors. Some substitutions dramatically affecting bioluminescence colors in both groups of luciferases are clustered in the loop between residues 223-235 (Photinus pyralis sequence). A network of hydrogen bonds and salt bridges involving the residues N229-S284-E311-R337 was found to be important for affecting bioluminescence colors. It is suggested that these structural elements may affect the benzothiazolyl side of the luciferin-binding site affecting bioluminescence colors. Experimental evidence suggest that the residual red light emission in pH-sensitive luciferases could be a vestige that may have biological importance in some firefly species. Furthermore, the potential utility of pH-sensitivity for intracellular biosensing applications is considered. © The Royal Society of Chemistry and Owner Societies.

Antibiotic-dependent correlation between drug-induced killing and loss of luminescence in Streptococcus gordonii expressing luciferase

Measuring antibiotic-induced killing relies on time-consuming biological tests. The firefly luciferase gene (luc) was successfully used as a reporter gene to assess antibiotic efficacy rapidly in slow-growing Mycobacterium tuberculosis. We tested whether luc expression could also provide a rapid evaluation of bactericidal drugs in Streptococcus gordonii. The suicide vectors pFW5luc and a modified version of pJDC9 carrying a promoterless luc gene were used to construct transcriptional-fusion mutants. One mutant susceptible to penicillin-induced killing (LMI2) and three penicillin-tolerant derivatives (LMI103, LMI104, and LMI105) producing luciferase under independent streptococcal promoters were tested. The correlation between antibiotic-induced killing and luminescence was determined with mechanistically unrelated drugs. Chloramphenicol (20 times the MIC) inhibited bacterial growth. In parallel, luciferase stopped increasing and remained stable, as determined by luminescence and Western blots. Ciprofloxacin (200 times the MIC) rapidly killed 1.5 log10 CFU/ml in 2-4 hr. Luminescence decreased simultaneously by 10-fold. In contrast, penicillin (200 times the MIC) gave discordant results. Although killing was slow (< or = 0.5 log10 CFU/ml in 2 hr), luminescence dropped abruptly by 50-100-times in the same time. Inactivating penicillin with penicillinase restored luminescence, irrespective of viable counts. This was not due to altered luciferase expression or stability, suggesting some kind of post-translational modification. Luciferase shares homology with aminoacyl-tRNA synthetase and acyl-CoA ligase, which might be regulated by macromolecule synthesis and hence affected in penicillin-inhibited cells. Because of resemblance, luciferase might be down-regulated simultaneously. Luminescence cannot be universally used to predict antibiotic-induced killing. Thus, introducing reporter enzymes sharing mechanistic similarities with normal metabolic reactions might reveal other effects than those expected.

Disruption of androgen regulation in the prostate by the environmental contaminant hexachlorobenzene

Hexachlorobenzene (HCB) is a persistent environmental contaminant that has the potential to interfere with steroid hormone regulation. The prostate requires precise control by androgens to regulate its growth and function. To determine if HCB impacts androgen action in the prostate, we used a number of methods. Our in vitro cell-culture-based assay used a firefly luciferase reporter gene driven by an androgen-responsive promoter. In the presence of dihydrotestosterone, low concentrations (0.5-5 nM) of HCB increased the androgen-responsive production of firefly luciferase and high concentrations of HCB (> 10 microM) suppressed this transcriptional activity. Results from a binding assay showed no evidence of affinity between HCB and the androgen receptor. We also tested HCB for in vivo effects using transgenic mice in which the transgene was a prostate-specific, androgen-responsive promoter upstream of a chloramphenicol acetyl transferase (CAT) reporter gene. In 4-week-old mice, the proportion of dilated prostate acini, a marker of sexual maturity, increased in the low HCB dose group and decreased in the high HCB dose mice. In the 8-week-old mice, there was a significant decrease in both CAT activity and prostate weight upon exposure to 20 mg/kg/day HCB. Therefore, in vitro and in vivo data suggest that HCB weakly agonizes androgen action, and consequently, low levels of HCB enhanced androgen action but high levels of HCB interfered. Environmental contaminants have been implicated in the rising incidence of prostate cancer, and insight into the mechanisms of endocrine disruption will help to clarify their role.

Heterologous promoter recognition leading to high-level expression of cloned foreign genes in Bombyx mori cell lines and larvae

The baculovirus expression system using the Autographa californica nuclear polyhedrosis virus (AcNPV) has been extensively utilized for high-level expression of cloned foreign genes, driven by the strong viral promoters of polyhedrin (polh) and p10 encoding genes. A parallel system using Bombyx mori nuclear polyhedrosis virus (BmNPV) is much less exploited because the choice and variety of BmNPV-based transfer vectors are limited. Using a transient expression assay, we have demonstrated here that the heterologous promoters of the very late genes polh and p10 from AcNPV function as efficiently in BmN cells as the BmNPV promoters. The location of the cloned foreign gene with respect to the promoter sequences was critical for achieving the highest levels of expression, following the order +35 > +1 > -3 > -8 nucleotides (nt) with respect to the polh or p10 start codons. We have successfully generated recombinant BmNPV harboring AcNPV promoters by homeologous recombination between AcNPV-based transfer vectors and BmNPV genomic DNA. Infection of BmN cell lines with recombinant BmNPV showed a temporal expression pattern, reaching very high levels in 60-72 h post infection. The recombinant BmNPV harboring the firefly luciferase-encoding gene under the control of AcNPV polh or p10 promoters, on infection of the silkworm larvae led to the synthesis of large quantities of luciferase. Such larvae emanated significant luminiscence instantaneously on administration of the substrate luciferin resulting in 'glowing silkworms'. The virus-infected larvae continued to glow for several hours and revealed the most abundant distribution of virus in the fat bodies. In larval expression also, the highest levels were achieved when the reporter gene was located at +35 nt of the polh.

萤火虫的荧光素酶基因克隆表达及发光行为的初步研究

本研究围绕萤火虫的荧光素酶克隆表达和发光行为两方面来进行。首先对萤火虫的发光体系和发光行为进行了概述，然后对萤火虫荧光素酶cDNA进行了克隆表达分析，探讨了日行性和夜行性萤火虫荧光素酶的差异。最后通过萤火虫的饲养和发光行为观察研究，对卵发光的意义进行了探讨。本研究克隆了三种云南萤火虫的荧光素酶基因，并成功表达出两种有活性的荧光素酶。其中日行性萤火虫云南窗萤(Pyrocoelia pygidialis)的荧光素酶基因完成了首次克隆，并在大肠杆菌中成功表达出有功能的荧光素酶。测序结果表明：P. pygidialis荧光素酶的cDNA序列有1647个碱基，编码548个氨基酸残基。系统发育分析表明云南窗萤与同属三种发光很亮的萤火虫不形成单系，在一定程度上印证了P. pygidialis以及同属微弱发光的日行性种类与持续发出很亮荧光的夜行性种类构成窗萤属两个分支的观点；并且从发光器官的形态差异初步推断这两个分支之间是独立进化的。荧光素酶的结构模拟分析表明，云南窗萤荧光素酶的N端和C端结构域之间的裂沟处存在着五个多肽环，这是已知荧光素酶推测的活性位点。日行性的云南窗萤和三种夜行性萤火虫的荧光素酶有13个不同氨基酸，位于模拟的分子结构表面。这些氨基酸的差异，有利于进一步分析日行性和夜行性萤火虫荧光素酶结构的不同。对栉角雪萤(Diaphanes pectinealis)的荧光素酶cDNA也完成了克隆表达。结果表明其cDNA序列有1647个碱基，编码548个氨基酸残基，比从基因组中获得基因序列多3个碱基。体外表达产物在底物存在时发出黄绿色光。对雌光萤科Rhagophthalmus sp.的荧光素酶基因进行了克隆和氨基酸序列比对。得出其荧光素酶基因与来自同一科的荧光素酶基因有最高的一致性为90.7％，和鞘翅目另外三个科的物种的一致性在65％以下，显示出雌光萤科独特的分类地位。通过对采自昆明郊区的云南窗萤和一种扁萤属萤火虫的饲养和发光行为的观察，得出萤火虫的卵和蛹阶段持续发微弱的光的结论，且首次发现了卵发光在发育过程中的变化。本文对卵发光行为进行了描述，并在此基础上对萤火虫卵和蛹两阶段发光的原因和意义进行了探讨。

Tributyltin (TBT) resistance in Aeromonas molluscorum Av27

O tributilestanho (TBT) é considerado um dos xenobióticos mais tóxicos, produzidos e deliberadamente introduzidos no meio ambiente pelo Homem. Tem sido usado numa variedade de processos industriais e subsequentemente descarregado no meio ambiente. O tempo de meia-vida do TBT em águas marinhas é de várias semanas, mas em condições de anóxia nos sedimentos, pode ser de vários anos, devido à sua degradação mais lenta. Embora o TBT tenha sido descrito como sendo tóxico para eucariotas e procariotas, muitas bactérias podem ser resistentes a este composto. O presente trabalho teve como objetivo principal elucidar o mecanismo de resistência ao TBT em bactérias. Para além disso, pretendeu-se desenvolver um biorepórter para detectar TBT no ambiente. Para atingir estes objetivos foram delineadas várias tarefas cujos principais resultados obtidos se apresentam a seguir. Várias bactérias resistentes ao TBT foram isoladas de sedimento e água do Porto de Pesca Longínqua (PPL) na Ria de Aveiro, Portugal. Entre estas, Aeromonas molluscorum Av27 foi selecionada devido à sua elevada resistência a este composto (concentrações até 3 mM), à sua capacidade de degradar o TBT em compostos menos tóxicos (dibutilestanho, DBT e monobutilestanho, MBT) e também por usar o TBT como fonte de carbono. A. molluscorum Av27 foi caracterizada genotipica e fenotipicamente. Os fatores de virulência estudados mostraram que esta estirpe i) possui atividade lipolítica; ii) não é citotóxica para células de mamíferos, nomeadamente para células Vero; iii) não possui integrões de classe I e II e iv) possui cinco plasmídeos com aproximadamente 4 kb, 7 kb, 10 kb, 100 kb e mais de 100 kb. Estes resultados mostraram que a estirpe Av27 não é tóxica, aumentando assim o interesse nesta bactéria para futuras aplicações, nomeadamente na bioremediação. Os testes de toxicidade ao TBT mostraram que este composto tem um impacto negativo no crescimento desta estirpe, bem como, na densidade, no tamanho e na atividade metabólica das células e é responsável pela formação de agregados celulares. Assim, o TBT mostrou ser bastante tóxico para as bactérias interferindo com a atividade celular geral. O gene Av27-sugE, que codifica a proteína SugE pertencente à família das “small multidrug resistance proteins” (SMR), foi identificado como estando envolvido na resistência ao TBT nesta estirpe. Este gene mostrou ser sobreexpresso quando as células crescem na presença de TBT. O promotor do gene Av27-sugE foi utilizado para construir um bioreporter para detetar TBT, contendo o gene da luciferase do pirilampo como gene repórter. O biorepórter obtido reúne as características mais importantes de um bom biorepórter: sensibilidade (intervalo de limite de detecção de 1-1000 nM), rapidez (3 h são suficientes para a deteção de sinal) e, possivelmente, não é invasivo (pois foi construído numa bactéria ambiental). Usando sedimento recolhido no Porto de Pesca Longínqua da Ria de Aveiro, foi preparada uma experiência de microcosmos com o intuito de avaliar a capacidade de Av27 para bioremediar o TBT, isoladamente ou em associação com a comunidade bacteriana indígena. A análise das amostras de microcosmos por PCR-DGGE e de bibliotecas de 16S rDNA revelaram que a comunidade bacteriana é relativamente estável ao longo do tempo, mesmo quando Av27 é inoculada no sedimento. Para além disso, o sedimento estuarino demonstrou ser dominado por bactérias pertencentes ao filo Proteobacteria (sendo mais abundante as Delta e Gammaproteobacteria) e Bacteroidetes. Ainda, cerca de 13% dos clones bacterianos não revelaram nenhuma semelhança com qualquer dos filos já definidos e quase 100% afiliou com bactérias não cultiváveis do sedimento. No momento da conclusão desta tese, os resultados da análise química de compostos organoestânicos não estavam disponíveis, e por essa razão não foi possível tirar quaisquer conclusões sobre a capacidade desta bactéria remediar o TBT em sedimentos. Esses resultados irão ajudar a esclarecer o papel de A. molluscorum Av27 na remediação de TBT. Recentemente, a capacidade da estirpe Av27 remediar solo contaminado com TBT foi confirmada em bioensaios realizados com plantas, Brassica rapa e Triticum aestivum (Silva 2011a), e também com invertebrados Porcellionides pruinosus (Silva 2011B). Assim, poder-se-á esperar que a bioremediação do sedimento na experiência de microcosmos também tenha ocorrido. No entanto, só a análise química dos compostos organostânicos deverá ser conclusiva. Devido à dificuldade em realizar a análise analítica de organoestânicos, um método de bioensaio fácil, rápido e barato foi adaptado para avaliar a toxicidade do TBT em laboratório, antes de se proceder à análise química das amostras. O método provou a sua utilidade, embora tenha mostrado pouca sensibilidade quando se usam concentrações de TBT baixas. Em geral, os resultados obtidos contribuíram para um melhor entendimento do mecanismo de resistência ao TBT em bactérias e mostraram o potencial biotecnológico de A. molluscorum Av27, nomeadamente, no que refere à sua possível aplicação na descontaminação de TBT no ambiente e também no desenvolvimento de biorepórteres.

Influence de l'initiation de la traduction sur le changement programmé du cadre de lecture en -1 responsable de la synthèse des enzymes du virus de l’immunodéficience humaine de type 1

Le virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1) est responsable du syndrome de l’immunodéficience acquise (SIDA). Il faut identifier de nouvelles cibles pour le développement d’agents anti-VIH-1, car ce virus développe une résistance aux agents présentement utilisés. Notre but est d’approfondir la caractérisation de l’étape du changement de cadre de lecture ribosomique en -1 (déphasage -1) nécessaire à la production du précurseur des enzymes du VIH-1. Ce déphasage est programmé et effectué par une minorité de ribosomes lorsqu’ils traduisent la séquence dite glissante à un endroit spécifique de l’ARN messager (ARNm) pleine-longueur du VIH-1. L’efficacité de déphasage est contrôlée par le signal stimulateur de déphasage (SSF), une tige-boucle irrégulière située en aval de la séquence glissante. La structure du SSF est déroulée lors du passage d’un ribosome, mais elle peut se reformer ensuite. Nous avons montré que des variations de l’initiation de la traduction affectent l’efficacité de déphasage. Nous avons utilisé, dans des cellules Jurkat-T et HEK 293T, un rapporteur bicistronique où les gènes codant pour les luciférases de la Renilla (Rluc) et de la luciole (Fluc) sont séparés par la région de déphasage du VIH-1. La Rluc est produite par tous les ribosomes traduisant l’ARNm rapporteur alors que la Fluc est produite uniquement par les ribosomes effectuant un déphasage. L’initiation de ce rapporteur est coiffe-dépendante, comme pour la majorité des ARNm cellulaires. Nous avons examiné l’effet de trois inhibiteurs de l’initiation et montré que leur présence augmente l’efficacité de déphasage. Nous avons ensuite étudié l’effet de la tige-boucle TAR, qui est présente à l’extrémité 5’ de tous les ARNm du VIH-1. TAR empêche la liaison de la petite sous-unité du ribosome (40S) à l’ARNm et module aussi l’activité de la protéine kinase dépendante de l’ARN double-brin (PKR). L’activation de PKR inhibe l’initiation en phosphorylant le facteur d’initiation eucaryote 2 (eIF2) alors que l’inhibition de PKR a l’effet inverse. Nous avons étudié l’effet de TAR sur la traduction et le déphasage via son effet sur PKR en utilisant TAR en trans ou en cis, mais à une certaine distance de l’extrémité 5’ afin d’éviter l’interférence avec la liaison de la 40S. Nous avons observé qu’une faible concentration de TAR, qui active PKR, augmente l’efficacité de déphasage alors qu’une concentration élevée de TAR, qui inhibe PKR, diminue cette efficacité. Nous avons proposé un modèle où des variations de l’initiation affectent l’efficacité de déphasage en modifiant la distance entre les ribosomes parcourant l’ARNm et, donc, la probabilité qu’ils rencontrent un SSF structuré. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de la région 5’ non traduite (UTR) de l’ARNm pleine-longueur du VIH-1 sur l’efficacité de déphasage. Cette 5’UTR contient plusieurs régions structurées, dont TAR à l’extrémité 5’, qui peut interférer avec l’initiation. Cet ARNm a une coiffe permettant une initiation coiffe-dépendante ainsi qu’un site d’entrée interne des ribosomes (IRES), permettant une initiation IRES-dépendante. Nous avons introduit cette 5’UTR, complète ou en partie, comme 5’UTR de notre ARNm rapporteur bicistronique. Nos résultats démontrent que cette 5’UTR complète inhibe l’initiation coiffe dépendante et augmente l’efficacité de déphasage et que ces effets sont dus à la présence de TAR suivie de la tige-boucle Poly(A). Nous avons aussi construit un rapporteur tricistronique où les ribosomes exprimant les luciférases utilisent obligatoirement l’IRES. Nous avons observé que cette initiation par l’IRES est faible et que l’efficacité de déphasage correspondante est également faible. Nous avons formulé une hypothèse pour expliquer cette situation. Nous avons également observé que lorsque les deux modes d’initiation sont disponibles, l’initiation coiffe dépendante est prédominante. Finalement, nous avons étudié l’effet de la protéine virale Tat sur l’initiation de la traduction et sur l’efficacité de déphasage. Nous avons montré qu’elle augmente l’initiation de la traduction et que son effet est plus prononcé lorsque TAR est située à l’extrémité 5’ des ARNm. Nous proposons un modèle expliquant les effets de Tat sur l’initiation de la traduction par l’inhibition de PKR ainsi que par des changements de l’expression de protéines cellulaires déroulant TAR. Ces résultats permettent de mieux comprendre les mécanismes régissant le déphasage du VIH-1, ce qui est essentiel pour le développement d’agents anti-déphasage.

Étude de la traduction IRES-dépendante du VIH-1

Le virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1) est responsable de la pandémie du SIDA (syndrome de l’immunodéficience acquise). Des souches virales résistantes aux antirétroviraux actuellement utilisés apparaissent rapidement. Il est donc important d’identifier de nouvelles cibles dans le cycle de réplication du VIH-1 pour développer de nouveaux agents contre ce virus. La traduction des protéines de structure et des enzymes du VIH-1 est une étape essentielle du cycle de réplication virale. Ces protéines sont exprimées à partir de l’ARN messager (ARNm) pleine-longueur (ARNmPL) à la fin du cycle de réplication. L’ARNmPL du VIH-1 peut utiliser un mode d’initiation de la traduction coiffe-dépendant, comme la majorité des ARNm cellulaires, mais peut aussi utiliser un mode d’initiation alternatif, car sa région 5’ non-traduite (5’UTR) contient un site interne d’entrée du ribosome (IRES), ce qui lui permet d’initier la traduction suivant un mode IRES-dépendant. L’initiation IRES-dépendante permet à l’ARNmPL d’être traduit quand l’initiation coiffe-dépendante est inhibée. L’activité de l’IRES de la région 5’UTR de l’ARNmPL du VIH-1 (IRES5’UTR) est faible dans des conditions physiologiques, mais est stimulée lorsque la cellule est arrêtée à la transition G2/M du cycle cellulaire, un arrêt qu’induit l’infection par le VIH-1. Une grande portion de l’IRES5’UTR, que nous nommons IRES5’UTRc, est présente dans tous les ARNm viraux et a une activité semblable à celle de l’ IRES5’UTR, ce qui indique que le mode IRES-dépendant peut être utilisé par tous les messagers du VIH-1. Lors de mes études doctorales, j’ai caractérisé le fonctionnement de l’IRES5’UTR du VIH-1. J’ai transfecté des cellules lymphocytaires Jurkat T, dérivées des cibles naturelles du VIH-1, avec un vecteur dual-luciférase contenant les séquences codantes des luciférases de la Renilla (Rluc) et de la luciole (Fluc) séparées par la région 5’UTR de l’ARNmPL du VIH-1. La traduction de la Rluc est coiffe-dépendante alors que celle de la Fluc dépend de l’IRES5’UTR. J’ai d’abord effectué une analyse mutationnelle et j’ai identifié trois régions qui stimulent l’activité de l’IRES5’UTR et une tige-boucle qui réprime l’activité de cet IRES, que j’ai nommée IRENE (IRES negative element). J’ai montré que l’effet répresseur d’IRENE est aboli lorsque les cellules sont soumises à un stress oxydatif, un type de stress induit lors d’une infection par le VIH-1. Nous proposons que IRENE maintiendrait l’IRES5’UTR dans une conformation peu active dans des conditions physiologiques. On sait que les IRES sont activés par divers facteurs cellulaires, appelés ITAF (IRES trans-acting factors). Nous proposons que l’IRES5’UTR adopterait une conformation active suite à la liaison d’un ITAF exprimé ou relocalisé lors d’un stress oxydatif. Ces travaux ont fait l’objet d’une publication (Gendron et al., 2011, Nucleic Acids Research, 39, 902-912). J’ai ensuite étudié l’effet de la protéine virale Tat sur l’activité de l’IRES5’UTR. En plus de son rôle essentiel dans la transactivation de la transcription des ARNm viraux, Tat stimule leur traduction coiffe-dépendante, en empêchant l’inhibition d’un facteur d’initiation canonique, eIF2, induite par la protéine kinase modulée par l’ARN double-brin (PKR) et en déroulant la structure TAR présente à l’extrémité 5’ de tous les ARNm du VIH-1. Elle affecte aussi l’expression de plusieurs gènes cellulaires. J’ai montré que les isoformes Tat86 et Tat72, mais non Tat101, stimulent l’activité de l’IRES5’UTR. Cet effet est indépendant de PKR et de TAR, mais dépendrait de la conformation de Tat. Nous proposons que Tat activerait un facteur de transcription cellulaire qui déclenche l’expression d’un ITAF de l’IRES5’UTR ou encore qu’elle activerait directement un tel ITAF. J’ai de plus montré que PKR stimule l’activité de l’IRES5’UTR, ce qui est surprenant puisque PKR est une protéine antivirale. Cet effet est indépendant de l’inhibition d’eIF2 par PKR et pourrait résulter de l’activation d’un ITAF. Sachant qu’une portion active de l’IRES5’UTR, IRES5’UTRc, est présente dans tous les ARNm viraux, notre hypothèse est que la stimulation de cet IRES par PKR permettait de traduire l’ARNm de Tat au début du cycle de réplication, ce qui permettrait ensuite la traduction coiffe-dépendante des ARNm du VIH-1, qui est stimulée par Tat. Ces travaux font l’objet d’un manuscrit (Gendron et al., soumis à RNA). Mes résultats, couplés aux données de la littérature, me conduisent à la conclusion que, à la fin du cycle de réplication du VIH-1, l’activité de l’IRES5’UTR est stimulée par le stress oxydatif, l’arrêt en G2/M et la présence de quantités élevées de Tat, alors que la traduction coiffe-dépendante est compromise. L’initiation IRES-dépendante serait alors indispensable pour que le VIH-1 traduise l’ARNmPL. L’IRES5’UTR constituerait donc une cible très intéressante pour développer des agents anti-VIH.

Étude de l’activité des présumés IRES de l’ARN messager de p53

Le facteur de transcription p53 joue un rôle crucial dans la suppression de tumeurs et dans la sénescence cellulaire. Selon la littérature, l’ARN messager de p53 contient deux sites d’entrée interne des ribosomes (IRES), un dans la région 5’ non-traduite et l’autre au début de la région codante. L’utilisation de ces IRES devrait activer la synthèse de p53 en conditions de stress, comme dans la sénescence. Notre but était d’identifier les éléments-clés qui contrôlent l’activité des IRES de p53 et d’étudier leur comportement dans la sénescence. Nous avons construit des vecteurs bicistroniques à deux luciférases contenant le gène de la Renilla (Rluc), traduit via le mécanisme classique coiffe-dépendant, une région intercistronique, contenant une des séquences IRES de p53, et le gène de la luciole (Fluc), dont la traduction dépend de cet IRES. L’activité IRES a été évaluée par le rapport des activités Fluc/Rluc dans des extraits cellulaires de HEK293T et de fibroblastes primaires humains. Nous avons inséré une structure précédant l’IRES évitant qu’une translecture ou une réinitiation de la traduction puisse conduire à la synthèse de Fluc. Nous avons vérifié l’absence de promoteur cryptique dans les IRES et nous avons construit des vecteurs contenant la séquence complémentaire inversée (SERI) des IRES. Nous avons observé que l’efficacité de traduction via les IRES de p53 ou les séquences SERI est semblable. De plus, la traduction de Fluc via les présumés IRES de p53 ne représente qu’environ 1% de la traduction de Fluc via une initiation coiffe-dépendante. L’activité des prétendus IRES ne semble pas augmenter en conditions de sénescence. Enfin, nous avons introduit une région structurée dans la région 5’UTR du messager bicistronique. Cette structure a bloqué la traduction coiffe-dépendante mais aussi la traduction IRES-dépendante. L’ensemble de nos résultats nous conduit à affirmer que l’ARN messager de p53 ne contient pas d’IRES et nous suggérons que la faible activité Fluc observée résulterait d’un épissage cryptique conduisant à l’apparition d’un messager dont la traduction génère une portion de Rluc fusionnée à Fluc. Nos résultats sont en accord avec des données rapportées dans la littérature démontrant que l’existence de la plupart des IRES cellulaires est contestée. Un ensemble de contrôles rigoureux doit être appliqué à l’étude de tout IRES présumé avant d’affirmer son existence. Le système à deux luciférases, considéré comme le modèle de choix pour l’étude des IRES, peut en fait révéler diverses anomalies de l’expression des gènes.

Dengue: desenvolvimento de ferramentas moleculares e caracterização de cepas virais quanto a inibição da sinalização do Interferon do tipo I (IFN-I)

A infecção pelo vírus da dengue é um problema de saúde pública global que põe em risco cerca de 2,5 bilhões de pessoas no mundo, com uma incidência de 50-100 milhões de casos resultando em cerca de 24.000 mortes por ano. Os mecanismos envolvidos na resposta imune inata atuam imediatamente após o contato do hospedeiro com os antígenos virais, levando à secreção de interferon do tipo I (IFN-I), a principal citocina envolvida na resposta antiviral. Entender como o sistema IFN-I é inibido em células infectadas pelo vírus dengue pode fornecer valiosas informações sobre a patogênese da doença. Propomos neste estudo analisar a inibição da via de sinalização do IFN-I por diferentes cepas isoladas no estado de Pernambuco, assim como o desenvolvimento de um vírus recombinante da dengue expressando a proteína Gaussia luciferase, para estudos futuros de replicação e imunopatogênese. A fim de estudar a via de sinalização do IFN-I, foram selecionadas cepas dos quatro sorotipos de dengue para crescimento, concentração e titulação viral. Foi utilizada a linhagem celular BHK-21-ISRE-Luc-Hygro que expressa o gene firefly luciferase fusionado a um promotor induzido pelo IFN-I (ISRE - Interferon Stimulated Response Element). Observamos que todos os sorotipos em estudo foram capazes de inibir, em diferentes proporções, a resposta ou sinalização do IFN-I. Com o intuito de auxiliar as pesquisas em dengue, desenvolvemos um vírus repórter de dengue expressando o gene repórter da Gaussia luciferase. Células transfectadas com o transcrito in vitro de um dos clones resultou em imunofluorescência positiva, porém não houve recuperação de partículas infectivas. Outros clones deverão ser testados para recuperação de vírus recombinante repórter. Juntos, os dados da caracterização das cepas em estudo e a recuperação de partículas infectivas da construção realizada neste trabalho deverão contribuir para as pesquisas em imunopatogênese, replicação viral e desenvolvimento de antivirais contra o dengue

Natural compounds isolated from Brazilian plants are potent inhibitors of hepatitis C virus replication in vitro

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