Identification and characterization of periplasmic proteins implicated in the adaptation of Helicobacter pylori to the human gastric niche

Helicobacter pylori è un batterio Gram-negativo in grado di colonizzare la mucosa gastrica umana e persistere per l'intero arco della vita dell'ospite. E' associato a patologie gastrointestinali, quali gastrite cronica, ulcere gastriche e duodenali, adenocarcinomi e linfomi gastrici. Si tratta di uno dei patogeni più diffusi, presente in circa metà della popolazione mondiale, e il solo che si è adattato a vivere nell'ambiente ostile dello stomaco umano. Molteplici sono i fattori di virulenza che permettono al batterio la colonizzazione della nicchia gastrica e contribuiscono, anche attraverso l' induzione di una risposta infiammatoria, a profonde modificazioni dell' omeostasi gastrica. Queste ultime si associano, ad esempio, all'iperproduzione di fattori proinfiammatori, ad alterazioni sia della regolazione della secrezione acida gastrica sia del ciclo cellulare e della morte cellulare programmata (apoptosi) delle cellule epiteliali gastriche, a disordini nel metabolismo del ferro e a carenze di elementi essenziali. Studi sulla diversità genetica di H. pylori osservata in ceppi isolati da varie regioni del mondo, dimostrano che tale batterio ha avuto una coevoluzione col genere umano attraverso la storia, ed è verosimile che H. pylori sia stato un costituente del microbiota gastrico per almeno 50.000 anni. Scopo della tesi è stato quello di identificare e caratterizzare proteine importanti per la colonizzazione e l'adattamento di H. pylori alla nicchia gastrica. In particolare gli sforzi si sono concentrati su due proteine periplasmatiche, la prima coinvolta nella difesa antiossidante (l'enzima catalasi-like, HP0485), e la seconda nel trasporto di nutrienti presenti nell'ambiente dello stomaco all'interno della cellula (la componente solubile di un ABC transporter, HP0298). La strategia utilizzata prevede un'analisi bioinformatica preliminare, l'ottenimento del gene per amplificazione, mediante PCR, dal genoma dell'organismo, la costruzione di un vettore per il clonaggio, l'espressione eterologa in E. coli e la successiva purificazione. La proteina così ottenuta viene caratterizzata mediante diverse tecniche, quali spettroscopia UV, dicroismo circolare, gel filtrazione analitica, spettrometria di massa. Il capitolo 1 contiene un'introduzione generale sul batterio, il capitolo 2 e il capitolo 3 descrivono gli studi relativi alle due proteine e sono entrambi suddivisi in un abstract iniziale, un'introduzione, la presentazione dei risultati, la discussione di questi ultimi, i materiali e i metodi utilizzati. La catalasi-like (HP0485) è una proteina periplasmatica con struttura monomerica, appartenente ad una famiglia di enzimi a funzione per la maggior parte sconosciuta, ma evolutivamente correlati alla ben nota catalasi, attore fondamentale nella difesa di H. pylori, grazie alla sua azione specifica di rimozione dell'acqua ossigenata. HP0485, pur conservando il fold catalasico e il legame al cofattore eme, non può compiere la reazione di dismutazione dell'acqua ossigenata; possiede invece un'attività perossidasica ad ampio spettro, essendo in grado di accoppiare la riduzione del perossido di idrogeno all'ossidazione di diversi substrati. Come la catalasi, lavora ad alte concentrazioni di aqua ossigenata e non arriva a saturazione a concentrazioni molto elevate di questo substrato (200 mM); la velocità di reazione catalizzata rimane lineare anche a questi valori, aspetto che la differenzia dalle perossidasi che vengono in genere inattivate da concentrazioni di perossido di idrogeno superiori a 10-50 mM. Queste caratteristiche di versatilità e robustezza suggeriscono che la catalasi-like abbia un ruolo di scavenger dell'acqua ossigenata e probabilmente anche un'altra funzione connessa al suo secondo substrato, ossia l'ossidazione di composti nello spazio periplasmatico cellulare. Oltre alla caratterizzazione dell'attività è descritta anche la presenza di un ponte disolfuro, conservato nelle catalasi-like periplasmatiche, con un ruolo nell'assemblaggio dell'eme per ottenere un enzima attivo e funzionale. La proteina periplasmatica HP0298, componente di un sistema di trasporto ABC, è classificata come trasportatore di dipeptidi e appartiene a una famiglia di proteine in grado di legare diversi substrati, tra cui di- e oligopeptidi, nichel, eme, glutatione. Benchè tutte associate a trasportatori di membrana batterici, queste proteine presentano un dominio di legame al substrato che risulta essere conservato nei domini extracellulari di recettori specifici di mammifero e uomo. Un esempio sono i recettori ionotropici e metabotropici del sistema nervoso. Per caratterizzare questa proteina è stato messo a punto un protocollo di ligand-fishing accoppiato alla spettrometria di massa. La proteina purificata, avente un tag di istidine, è stata incubata con un estratto cellulare di H. pylori per poter interagire con il suo substrato specifico all'interno dell'ambiente naturale in cui avviene il legame. Il complesso proteina-ligando è stato poi purificato per cromatografia di affinità e analizzato mediante HPLC-MS. L'identificazione dei picchi differenziali tra campioni con la proteina e 5 campioni di controllo ha portato alla caratterizzazione di pentapeptidi particolarmente ricchi in aminoacidi idrofobici e con almeno un residuo carico negativamente. Considerando che H. pylori necessita di alcuni aminoacidi essenziali, per la maggior parte idrofobici, e che lo stomaco umano è particolarmente ricco di peptidi prodotti dalla digestione delle proteine introdotte con il cibo, il ruolo fisiologico di HP0298 potrebbe essere l'internalizzazione di peptidi, con caratteristiche specifiche di lunghezza e composizione, che sono naturalmente presenti nella nicchia gastrica.

Phosphate Regulated Proteins Of Xanthomonas Citri Subsp. Citri: A Proteomic Approach.

Xanthomonas citri subsp. citri (X. citri) is the causative agent of the citrus canker, a disease that affects several citrus plants in Brazil and across the world. Although many studies have demonstrated the importance of genes for infection and pathogenesis in this bacterium, there are no data related to phosphate uptake and assimilation pathways. To identify the proteins that are involved in the phosphate response, we performed a proteomic analysis of X. citri extracts after growth in three culture media with different phosphate concentrations. Using mass spectrometry and bioinformatics analysis, we showed that X. citri conserved orthologous genes from Pho regulon in Escherichia coli, including the two-component system PhoR/PhoB, ATP binding cassette (ABC transporter) Pst for phosphate uptake, and the alkaline phosphatase PhoA. Analysis performed under phosphate starvation provided evidence of the relevance of the Pst system for phosphate uptake, as well as both periplasmic binding proteins, PhoX and PstS, which were formed in high abundance. The results from this study are the first evidence of the Pho regulon activation in X. citri and bring new insights for studies related to the bacterial metabolism and physiology. Biological significance Using proteomics and bioinformatics analysis we showed for the first time that the phytopathogenic bacterium X. citri conserves a set of proteins that belong to the Pho regulon, which are induced during phosphate starvation. The most relevant in terms of conservation and up-regulation were the periplasmic-binding proteins PstS and PhoX from the ABC transporter PstSBAC for phosphate, the two-component system composed by PhoR/PhoB and the alkaline phosphatase PhoA.

Ticks produce highly selective chemokine binding proteins with antiinflammatory activity

Bloodsucking parasites such as ticks have evolved a wide variety of immunomodulatory proteins that are secreted in their saliva, allowing them to feed for long periods of time without being detected by the host immune system. One possible strategy used by ticks to evade the host immune response is to produce proteins that selectively bind and neutralize the chemokines that normally recruit cells of the innate immune system that protect the host from parasites. We have identified distinct cDNAs encoding novel chemokine binding proteins (CHPBs), which we have termed Evasins, using an expression cloning approach. These CHBPs have unusually stringent chemokine selectivity, differentiating them from broader spectrum viral CHBPs. Evasin-1 binds to CCL3, CCL4, and CCL18; Evasin-3 binds to CXCL8 and CXCL1; and Evasin-4 binds to CCL5 and CCL11. We report the characterization of Evasin-1 and -3, which are unrelated in primary sequence and tertiary structure, and reveal novel folds. Administration of recombinant Evasin-1 and - 3 in animal models of disease demonstrates that they have potent antiinflammatory properties. These novel CHBPs designed by nature are even smaller than the recently described single-domain antibodies (Hollinger, P., and P. J. Hudson. 2005. Nat. Biotechnol. 23: 1126-1136), and may be therapeutically useful as novel antiinflammatory agents in the future.

Localization of neurotransmitters and calcium binding proteins to neurons of salamander and mudpuppy retinas

We wished to identify the different types of retinal neurons on the basis of their content of neuroactive substances in both larval tiger salamander and mudpuppy retinas, favored species for electrophysiological investigation. Sections and wholemounts of retinas were labeled by immunocytochemical methods to demonstrate three calcium binding protein species and the common neurotransmitters, glycine, GABA and acetylcholine. Double immunostained sections and single labeled wholemount retinas were examined by confocal microscopy. Immunostaining patterns appeared to be the same in salamander and mudpuppy. Double and single cones, horizontal cells, some amacrine cells and ganglion cells were strongly calbindin-immunoreactive (IR). Calbindin-IR horizontal cells colocalized GABA. Many bipolar cells, horizontal cells, some amacrine cells and ganglion cells were strongly calretinin-IR. One type of horizontal cell and an infrequently occurring amacrine cell were parvalbumin-IR. Acetylcholine as visualized by ChAT-immunoreactivity was seen in a mirror-symmetric pair of amacrine cells that colocalized GABA and glycine. Glycine and GABA colocalized with calretinin, calbindin and occasionally with parvalbumin in amacrine cells. (C) 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

The human temporal cortex: Characterization of neurons expressing nitric oxide synthase, neuropeptides and calcium-binding proteins, and their glutamate receptor subunit profiles

Immunocytochemical techniques were used to examine the distribution of neurons immunoreactive (-ir) for nitric oxide synthase (nNOS), somatostatin (SOM), neuropeptide Y (NPY), parvalbumin (PV), calbindin (CB) and calretinin (CH), in the inferotemporal gyros (Brodmann's area 21) of the human neocortex. Neurons that colocalized either nNOS or SOM with PV, CB or CR were also identified by double-labeling techniques. Furthermore, glutamate receptor subunit profiles (GluR1, GluR2/3, GluR2/4, GluR5/6/7 and NMDAR1) were also determined for these cells. The number and distribution of cells containing nNOS, SOM, NPY, PV, CB or CR differed for each antigen. In addition, distinct subpopulations of neurons displayed different degrees of colocalization of these antigens depending on which antigens were compared. Moreover, cells that contained nNOS, SOM, NPY, PV, GB or CR expressed different receptor subunit profiles. These results show that specific subpopulations of neurochemically identified nonpyramidal cells may be activated via different receptor subtypes. As these different subpopulations of cells project to specific regions of pyramidal calls, facilitation of subsets of these cells via different receptor subunits may activate different inhibitory circuits. Thus, various distinct, but overlapping, inhibitory circuits may act in concert in the modulation of normal cortical function, plasticity and disease.

Neuronal calcium-binding proteins and schizophrenia

Calcium-binding proteins (CBPs) such as calbindin, parvalbumin and calretinin are used as immunohistochemical markers for discrete neuronal subpopulations. They are particularly useful in identifying the various subpopulations of GABAergic interneurons that control output from prefrontal and cingulate cortices as well as from the hippocampus. The strategic role these interneurons play in regulating output from these three crucial brain regions has made them a focus for neuropathological investigation in schizophrenia. The number of pathological reports detailing subtle changes in these CBP-containing interneurons in patients with schizophrenia is rapidly growing. These proteins however are more than convenient neuronal markers. They confer survival advantages to neurons and can increase the neuron's ability to sustain firing. These properties may be important in the subtle pathophysiology of nondegenerative phenomena such as schizophrenia. The aim of this review is to introduce the reader to the functional properties of CBPs and to examine the emerging literature reporting alterations in these proteins in schizophrenia as well as draw some conclusions about the significance of these findings. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Cholesterol 24S-Hydroxylase overexpression inhibits the liver X receptor (LXR) pathway by activating small guanosine triphosphate-binding proteins (sGTPases) in neuronal cells

The neuronal-specific cholesterol 24S-hydroxylase (CYP46A1) is important for brain cholesterol elimination. Cyp46a1 null mice exhibit severe deficiencies in learning and hippocampal long-term potentiation, suggested to be caused by a decrease in isoprenoid intermediates of the mevalonate pathway. Conversely, transgenic mice overexpressing CYP46A1 show an improved cognitive function. These results raised the question of whether CYP46A1 expression can modulate the activity of proteins that are crucial for neuronal function, namely of isoprenylated small guanosine triphosphate-binding proteins (sGTPases). Our results show that CYP46A1 overexpression in SH-SY5Y neuroblastoma cells and in primary cultures of rat cortical neurons leads to an increase in 3-hydroxy-3-methyl-glutaryl-CoA reductase activity and to an overall increase in membrane levels of RhoA, Rac1, Cdc42 and Rab8. This increase is accompanied by a specific increase in RhoA activation. Interestingly, treatment with lovastatin or a geranylgeranyltransferase-I inhibitor abolished the CYP46A1 effect. The CYP46A1-mediated increase in sGTPases membrane abundance was confirmed in vivo, in membrane fractions obtained from transgenic mice overexpressing this enzyme. Moreover, CYP46A1 overexpression leads to a decrease in the liver X receptor (LXR) transcriptional activity and in the mRNA levels of ATP-binding cassette transporter 1, sub-family A, member 1 and apolipoprotein E. This effect was abolished by inhibition of prenylation or by co-transfection of a RhoA dominant-negative mutant. Our results suggest a novel regulatory axis in neurons; under conditions of membrane cholesterol reduction by increased CYP46A1 expression, neurons increase isoprenoid synthesis and sGTPase prenylation. This leads to a reduction in LXR activity, and consequently to a decrease in the expression of LXR target genes.

Integrated study by NMR and X-ray Crystallography on the analysis of the molecular interactions in heme-binding proteins

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Bioquímica, Especialidade Bioquímica Estrutural

Peptidoglycan assembly machines: The Staphylococcus aureus Penicillin-Binding Proteins

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology