Proteogenomics of selective susceptibility to endotoxin using circulating acute phase biomarkers and bioassay development in sheep: a review

Scientists have injected endotoxin into animals to investigate and understand various pathologies and novel therapies for several decades. Recent observations have shown that there is selective susceptibility to Escherichia coli lipopolysaccharide (LPS) endotoxin in sheep, despite having similar breed characteristics. The reason behind this difference is unknown, and has prompted studies aiming to explain the variation by proteogenomic characterisation of circulating acute phase biomarkers. It is hypothesised that genetic trait, biochemical, immunological and inflammation marker patterns contribute in defining and predicting mammalian response to LPS. This review discusses the effects of endotoxin and host responses, genetic basis of innate defences, activation of the acute phase response (APR) following experimental LPS challenge, and the current approaches employed in detecting novel biomarkers including acute phase proteins (APP) and micro-ribonucleic acids (miRNAs) in serum or plasma. miRNAs are novel targets for elucidating molecular mechanisms of disease because of their differential expression during pathological, and in healthy states. Changes in miRNA profiles during a disease challenge may be reflected in plasma. Studies show that gel-based two-dimensional electrophoresis (2-DE) coupled with either matrix-assisted laser desorption/ionisation time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) or liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS/MS) are currently the most used methods for proteome characterisation. Further evidence suggests that proteomic investigations are preferentially shifting from 2-DE to non-gel based LC-MS/MS coupled with data extraction by sequential window acquisition of all theoretical fragment-ion spectra (SWATH) approaches that are able to identify a wider range of proteins. Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), quantitative real-time polymerase chain reaction (qRT-PCR), and most recently proteomic methods have been used to quantify low abundance proteins such as cytokines. qRT-PCR and next generation sequencing (NGS) are used for the characterisation of miRNA. Proteogenomic approaches for detecting APP and novel miRNA profiling are essential in understanding the selective resistance to endotoxin in sheep. The results of these methods could help in understanding similar pathology in humans. It might also be helpful in the development of physiological and diagnostic screening assays for determining experimental inclusion and endpoints, and in clinical trials in future

In planta proteomics and proteogenomics of the biotrophic barley fungal pathogen blumeria graminis f. sp hordei

To further our understanding of powdery mildew biology during infection, we undertook a systematic shotgun proteomics analysis of the obligate biotroph Blumeria graminis f. sp. hordei at different stages of development in the host. Moreover we used a proteogenomics approach to feed information into the annotation of the newly sequenced genome. We analyzed and compared the proteomes from three stages of development representing different functions during the plant-dependent vegetative life cycle of this fungus. We identified 441 proteins in ungerminated spores, 775 proteins in epiphytic sporulating hyphae, and 47 proteins from haustoria inside barley leaf epidermal cells and used the data to aid annotation of the B. graminis f. sp. hordei genome. We also compared the differences in the protein complement of these key stages. Although confirming some of the previously reported findings and models derived from the analysis of transcriptome dynamics, our results also suggest that the intracellular haustoria are subject to stress possibly as a result of the plant defense strategy, including the production of reactive oxygen species. In addition, a number of small haustorial proteins with a predicted N-terminal signal peptide for secretion were identified in infected tissues: these represent candidate effector proteins that may play a role in controlling host metabolism and immunity. Molecular & Cellular Proteomics 8: 2368-2381, 2009.

In planta proteomics and proteogenomics of the biotrophic barley fungal pathogen blumeria graminis f. sp hordei

To further our understanding of powdery mildew biology during infection, we undertook a systematic shotgun proteomics analysis of the obligate biotroph Blumeria graminis f. sp. hordei at different stages of development in the host. Moreover we used a proteogenomics approach to feed information into the annotation of the newly sequenced genome. We analyzed and compared the proteomes from three stages of development representing different functions during the plant-dependent vegetative life cycle of this fungus. We identified 441 proteins in ungerminated spores, 775 proteins in epiphytic sporulating hyphae, and 47 proteins from haustoria inside barley leaf epidermal cells and used the data to aid annotation of the B. graminis f. sp. hordei genome. We also compared the differences in the protein complement of these key stages. Although confirming some of the previously reported findings and models derived from the analysis of transcriptome dynamics, our results also suggest that the intracellular haustoria are subject to stress possibly as a result of the plant defense strategy, including the production of reactive oxygen species. In addition, a number of small haustorial proteins with a predicted N-terminal signal peptide for secretion were identified in infected tissues: these represent candidate effector proteins that may play a role in controlling host metabolism and immunity. Molecular & Cellular Proteomics 8: 2368-2381, 2009.

In planta proteomics and proteogenomics of the biotrophic barley fungal pathogen blumeria f.sp. hordei

Whilst there is increasing evidence tht the outcome of the interation between a pathogen and a host is dependent on protein-protein interactions, very little information is available on in planta proteomics of biotrophic plant pathogens. Here a proteogenomic approach has been employed to supplement the annotation of the recently sequenced genome and to cast light on the biology of the infection process of the economically important barley powdery mildew pathogen, Blumeria graminis f.sp hordei

Proteogenomics and in silico structural and functional annotation of the barley powdery mildew Blumeria graminis f. sp. hordei

Blumeria graminis is an economically important obligate plant-pathogenic fungus, whose entire genome was recently sequenced and manually annotated using ab initio in silico predictions [7]. Employing large scale proteogenomic analysis we are now able to verify independently the existence of proteins predicted by 24% of open reading frame models. We compared the haustoria and sporulating hyphae proteomes and identified 71 proteins exclusively in haustoria, the feeding and effector-delivery organs of the pathogen. These proteins are ‘significantly smaller than the rest of the protein pool and predicted to be secreted. Most do not share any similarities with Swiss–Prot or Trembl entries nor possess any identifiable Pfam domains. We used a novel automated prediction pipeline to model the 3D structures of the proteins, identify putative ligand binding sites and predict regions of intrinsic disorder. This revealed that the protein set found exclusively in haustoria is significantly less disordered than the rest of the identified Blumeria proteins or random (and representative) protein sets generated from the yeast proteome. For most of the haustorial proteins with unknown functions no good templates could be found, from which to generate high quality models. Thus, these unknown proteins present potentially new protein folds that can be specific to the interaction of the pathogen with its host.

Ghrelin axis genes, peptides and receptors : recent findings and future challenges

The ghrelin axis consists of the gene products of the ghrelin gene (GHRL), and their receptors, including the classical ghrelin receptor GHSR. While it is well-known that the ghrelin gene encodes the 28 amino acid ghrelin peptide hormone, it is now also clear that the locus encodes a range of other bioactive molecules, including novel peptides and non-coding RNAs. For many of these molecules, the physiological functions and cognate receptor(s) remain to be determined. Emerging research techniques, including proteogenomics, are likely to reveal further ghrelin axis-derived molecules. Studies of the role of ghrelin axis genes, peptides and receptors, therefore, promises to be a fruitful area of basic and clinical research in years to come.

Studies of MHC class I antigen presentation & the origins of the immunopeptidome

La présentation d'antigène par les molécules d'histocompatibilité majeure de classe I (CMHI) permet au système immunitaire adaptatif de détecter et éliminer les agents pathogènes intracellulaires et des cellules anormales. La surveillance immunitaire est effectuée par les lymphocytes T CD8 qui interagissent avec le répertoire de peptides associés au CMHI présentés à la surface de toutes cellules nucléées. Les principaux gènes humains de CMHI, HLA-A et HLA-B, sont très polymorphes et par conséquent montrent des différences dans la présentation des antigènes. Nous avons étudié les différences qualitatives et quantitatives dans l'expression et la liaison peptidique de plusieurs allotypes HLA. Utilisant la technique de cytométrie de flux quantitative nous avons établi une hiérarchie d'expression pour les quatre HLA-A, B allotypes enquête. Nos résultats sont compatibles avec une corrélation inverse entre l'expression allotypique et la diversité des peptides bien que d'autres études soient nécessaires pour consolider cette hypothèse. Les origines mondiales du répertoire de peptides associés au CMHI restent une question centrale à la fois fondamentalement et dans la recherche de cibles immunothérapeutiques. Utilisant des techniques protéogénomiques, nous avons identifié et analysé 25,172 peptides CMHI isolées à partir des lymphocytes B de 18 personnes qui exprime collectivement 27 allotypes HLA-A,B. Alors que 58% des gènes ont été la source de 1-64 peptides CMHI par gène, 42% des gènes ne sont pas représentés dans l'immunopeptidome. Dans l'ensemble, l’immunopeptidome présenté par 27 allotypes HLA-A,B ne couvrent que 17% des séquences exomiques exprimées dans les cellules des sujets. Nous avons identifié plusieurs caractéristiques des transcrits et des protéines qui améliorent la production des peptides CMHI. Avec ces données, nous avons construit un modèle de régression logistique qui prédit avec une grande précision si un gène de notre ensemble de données ou à partir d'ensembles de données indépendants génèrerait des peptides CMHI. Nos résultats montrent la sélection préférentielle des peptides CMHI à partir d'un répertoire limité de produits de gènes avec des caractéristiques distinctes. L'idée que le système immunitaire peut surveiller des peptides CMHI couvrant seulement une fraction du génome codant des protéines a des implications profondes dans l'auto-immunité et l'immunologie du cancer.

Studies of MHC class I antigen presentation & the origins of the immunopeptidome

La présentation d'antigène par les molécules d'histocompatibilité majeure de classe I (CMHI) permet au système immunitaire adaptatif de détecter et éliminer les agents pathogènes intracellulaires et des cellules anormales. La surveillance immunitaire est effectuée par les lymphocytes T CD8 qui interagissent avec le répertoire de peptides associés au CMHI présentés à la surface de toutes cellules nucléées. Les principaux gènes humains de CMHI, HLA-A et HLA-B, sont très polymorphes et par conséquent montrent des différences dans la présentation des antigènes. Nous avons étudié les différences qualitatives et quantitatives dans l'expression et la liaison peptidique de plusieurs allotypes HLA. Utilisant la technique de cytométrie de flux quantitative nous avons établi une hiérarchie d'expression pour les quatre HLA-A, B allotypes enquête. Nos résultats sont compatibles avec une corrélation inverse entre l'expression allotypique et la diversité des peptides bien que d'autres études soient nécessaires pour consolider cette hypothèse. Les origines mondiales du répertoire de peptides associés au CMHI restent une question centrale à la fois fondamentalement et dans la recherche de cibles immunothérapeutiques. Utilisant des techniques protéogénomiques, nous avons identifié et analysé 25,172 peptides CMHI isolées à partir des lymphocytes B de 18 personnes qui exprime collectivement 27 allotypes HLA-A,B. Alors que 58% des gènes ont été la source de 1-64 peptides CMHI par gène, 42% des gènes ne sont pas représentés dans l'immunopeptidome. Dans l'ensemble, l’immunopeptidome présenté par 27 allotypes HLA-A,B ne couvrent que 17% des séquences exomiques exprimées dans les cellules des sujets. Nous avons identifié plusieurs caractéristiques des transcrits et des protéines qui améliorent la production des peptides CMHI. Avec ces données, nous avons construit un modèle de régression logistique qui prédit avec une grande précision si un gène de notre ensemble de données ou à partir d'ensembles de données indépendants génèrerait des peptides CMHI. Nos résultats montrent la sélection préférentielle des peptides CMHI à partir d'un répertoire limité de produits de gènes avec des caractéristiques distinctes. L'idée que le système immunitaire peut surveiller des peptides CMHI couvrant seulement une fraction du génome codant des protéines a des implications profondes dans l'auto-immunité et l'immunologie du cancer.