Jacalin interaction with human immunoglobulin A1 and bovine immunoglobulin G1: Affinity constant determined by piezoelectric biosensoring

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

Jacalin interaction with human immunoglobulin A1 and bovine immunoglobulin G1: Affinity constant determined by piezoelectric biosensoring

The affinity of the d-galactose-binding lectin from Artocarpus heterophyllus lectin, known as jacalin, with immonuglobulins (Igs) was determined by biofunctionalization of a piezoelectric transducer. This piezoelectric biofunctionalized transducer was used as a mass-sensitive analytical tool, allowing the real-time binding analysis of jacalin-human immunoglobulin A1 (IgA(1)) and jacalin-bovine IgG(1) interactions from which the apparent affinity constant was calculated. The strategy was centered in immobilizing jacalin on the gold electrode's surface of the piezoelectric crystal resonator using appropriate procedures based on self-assembling of 11-mercaptoundecanoic acid and 2-mercaptoethanol thiol's mixture, a particular immobilization strategy by which it was possible to avoid cross-interaction between the proteins over electrode's surface. The apparent affinity constants obtained between jacalin-human IgA(1) and jacalin-bovine IgG(1) differed by 1 order of magnitude [(8.0 +/- 0.9) x 10(5) vs (8.3 +/- 0.1) x 10(6) L mol(-1)]. On the other hand, the difference found between human IgA(1) and human IgA(2) interaction with jacalin, eight times higher for IgA(1), was attributed to the presence of O-linked glycans in the IgA(1) hinge region, which is absent in IgA(2). Specific interaction of jacalin with O-glycans, proved to be present in the human IgA(1) and hypothetically present in bovine IgG(1) structures, is discussed as responsible for the obtained affinity values.

Generation of high-affinity monoclonal antibodies of IgG class against native β-d-glucans from basidiomycete mushrooms

β-d-glucans from basidiomycete strains are powerful immunomodulatory agents in several clinical conditions. Therefore, their assay, purification and characterization are of great interest to understand their structure-function relationship. Hybridoma cell fusion was used to raise monoclonal antibodies (Mabs) against extracellular β-d-glucans (EBGs) from Pleurotus ostreatus. Two of the hybridoma clones (1E6-1E8-B5 and 3E8-3B4) secreting Mabs against EBGs were selected. This hybridoma cell line secreted Mabs of the IgG class which were then purified by hydroxyapatite chromatography to apparent homogeneity on native and SDS-PAGE. Mabs secreted by 1E6-1E8-B5 clone were found to recognize a common epitope on several β-d-glucans from different basidiomycete strains. This Mab exhibited high affinity constant (KA) for β-d-glucans from several mushroom strains in the range of 3.20 × 109 ± 3.32 × 103-1.51 × 1013 ± 3.58 × 107 L/mol. Moreover, they reacted to some heat-treated β-d-glucans in a different mode when compared with the native forms; these data suggest that this Mab binds to a conformational epitope on the β-d-glucan molecule. The epitope-binding studies of Mabs obtained from 1E6-1E8-B5 and 3E8-3B4 revealed that the Mabs bind to the same epitope on some β-d-glucans and to different epitopes in other antigen molecules. Therefore, these Mabs can be used to assay for β-d-glucan from basidiomycete mushrooms. © 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Cross-talk with β2-adrenoceptors enhances ligand affinity properties from endothelial alpha1D-adrenoceptors that mediates carotid relaxation

Objectives Our main objectives were to investigate the affinity properties of endothelial and muscular α1D-adrenoceptors and to characterize the cross-talk between endothelial α1D- adrenoceptors and β2-adrenoceptors in rat carotid. Methods Relaxation and contraction concentration-response curves for phenylephrine (α1-adrenergic agonist) were obtained in carotid rings in absence or presence of increasing concentrations of BMY7378 (α 1D-adrenergic antagonist), combined or not with increasing concentration of ICI-118,551 (β2-adrenergic antagonist). Schild analysis was used to estimate the affinity constant from pA2 values of BMY7378. Key Findings BMY7378 produced an unsurmountable antagonism on phenylephrine-induced relaxation but a surmountable antagonism on phenylephrine-induced contraction. BMY7378 potency was higher in inhibiting the relaxation than the contraction induced by phenylephrine because the rightward shifts induced by BMY7378 were greater in the relaxation. The apparent pA 2 value for BMY7378 in phenylephrine-induced relaxation was greater than in contraction. When combined with ICI-118,551, BMY7378 yielded a surmountable antagonism on phenylephrine-induced relaxation and presented a pA2 value similar to that obtained in phenylephrine-induced contraction. Conclusions Endothelial α1D-adrenoceptors, which mediates rat carotid relaxation, present high ligand affinity because of the cross-talk with β2-adrenoceptors, which explains the higher potency of phenylephrine in inducing relaxation than contraction and the atypical unsurmountable antagonism produced by BMY7378 on phenylephrine-induced relaxation. © 2013 Royal Pharmaceutical Society.

Impedance-derived electrochemical capacitance spectroscopy for the evaluation of lectin-glycoprotein binding affinity

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

Characterization of a chemsensory protein (ASP3c) from honeybee (Apis mellifera L.) as a brood pheromone carrier

Chemosensory proteins (CSPs) are ubiquitous soluble small proteins isolated from sensory organs of a wide range of insect species, which are believed to be involved in chemical communication. We report the cloning of a honeybee CSP gene called ASP3c, as well as the structural and functional characterization of the encoded protein. The protein was heterologously secreted by the yeast Pichia pastoris using the native signal peptide. ASP3c disulfide bonds were assigned after trypsinolysis followed by chromatography and mass spectrometry combined with microsequencing. The pairing (Cys(I)-Cys(II), Cys(III)-Cys(IV)) was found to be identical to that of Schistocerca gregaria CSPs, suggesting that this pattern occurs commonly throughout the insect CSPs. CD measurements revealed that ASP3c mainly consists of alpha-helices, like other insect CSPs. Gel filtration analysis showed that ASP3c is monomeric at neutral pH. Using ASA, a fluorescent fatty acid anthroyloxy analogue as a probe, ASP3c was shown to bind specifically to large fatty acids and ester derivatives, which are brood pheromone components, in the micromolar range. It was unable to bind tested general odorants and other tested pheromones (sexual and nonsexual). This is the first report on a natural pheromonal ligand bound by a recombinant CSP with a measured affinity constant.

Differential effects of two anti-apo-cytochrome c-specific monoclonal antibodies on the function of apo-cytochrome c-specific murine T cell clones.

A murine monoclonal antibody (SJL 2-4) specific for the antigen apo-cytochrome c was shown to inhibit both antigen-induced proliferation and lymphokine secretion by an apo-cytochrome c-specific BALB/c helper T cell clone. The inhibition was specific because additional apo-cytochrome c-specific T cell clones were not inhibited by the same monoclonal antibody. Time course studies of the inhibition indicated that the initial 8 hr of contact between T cell clones and antigen-presenting cells were critical for activation of the T cell clones. Inhibition of T cell functions by antigen-specific antibodies appeared to correlate with the antibody-antigen binding constant because a second monoclonal antibody (Cyt-1-59), with identical specificity but with a lower affinity constant for apo-cytochrome c, had very little inhibitory effect on the proliferation or lymphokine secretion of apo-cytochrome c-specific T cell clones.

Escherchia coli ribose binding protein based bioreporters revisited.

Bioreporter bacteria, i.e., strains engineered to respond to chemical exposure by production of reporter proteins, have attracted wide interest because of their potential to offer cheap and simple alternative analytics for specified compounds or conditions. Bioreporter construction has mostly exploited the natural variation of sensory proteins, but it has been proposed that computational design of new substrate binding properties could lead to completely novel detection specificities at very low affinities. Here we reconstruct a bioreporter system based on the native Escherichia coli ribose binding protein RbsB and one of its computationally designed variants, reported to be capable of binding 2,4,6-trinitrotoluene (TNT). Our results show in vivo reporter induction at 50 nM ribose, and a 125 nM affinity constant for in vitro ribose binding to RbsB. In contrast, the purified published TNT-binding variant did not bind TNT nor did TNT cause induction of the E. coli reporter system.

Characterization of cerebral glucose dynamics in vivo with a four-state conformational model of transport at the blood-brain barrier.

Determination of brain glucose transport kinetics in vivo at steady-state typically does not allow distinguishing apparent maximum transport rate (T(max)) from cerebral consumption rate. Using a four-state conformational model of glucose transport, we show that simultaneous dynamic measurement of brain and plasma glucose concentrations provide enough information for independent and reliable determination of the two rates. In addition, although dynamic glucose homeostasis can be described with a reversible Michaelis-Menten model, which is implicit to the large iso-inhibition constant (K(ii)) relative to physiological brain glucose content, we found that the apparent affinity constant (K(t)) was better determined with the four-state conformational model of glucose transport than with any of the other models tested. Furthermore, we confirmed the utility of the present method to determine glucose transport and consumption by analysing the modulation of both glucose transport and consumption by anaesthesia conditions that modify cerebral activity. In particular, deep thiopental anaesthesia caused a significant reduction of both T(max) and cerebral metabolic rate for glucose consumption. In conclusion, dynamic measurement of brain glucose in vivo in function of plasma glucose allows robust determination of both glucose uptake and consumption kinetics.

Label-free detection of tobramycin in serum by transmission-localized surface plasmon resonance.

In order to improve the efficacy and safety of treatments, drug dosage needs to be adjusted to the actual needs of each patient in a truly personalized medicine approach. Key for widespread dosage adjustment is the availability of point-of-care devices able to measure plasma drug concentration in a simple, automated, and cost-effective fashion. In the present work, we introduce and test a portable, palm-sized transmission-localized surface plasmon resonance (T-LSPR) setup, comprised of off-the-shelf components and coupled with DNA-based aptamers specific to the antibiotic tobramycin (467 Da). The core of the T-LSPR setup are aptamer-functionalized gold nanoislands (NIs) deposited on a glass slide covered with fluorine-doped tin oxide (FTO), which acts as a biosensor. The gold NIs exhibit localized plasmon resonance in the visible range matching the sensitivity of the complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor employed as a light detector. The combination of gold NIs on the FTO substrate, causing NIs size and pattern irregularity, might reduce the overall sensitivity but confers extremely high stability in high-ionic solutions, allowing it to withstand numerous regeneration cycles without sensing losses. With this rather simple T-LSPR setup, we show real-time label-free detection of tobramycin in buffer, measuring concentrations down to 0.5 μM. We determined an affinity constant of the aptamer-tobramycin pair consistent with the value obtained using a commercial propagating-wave based SPR. Moreover, our label-free system can detect tobramycin in filtered undiluted blood serum, measuring concentrations down to 10 μM with a theoretical detection limit of 3.4 μM. While the association signal of tobramycin onto the aptamer is masked by the serum injection, the quantification of the captured tobramycin is possible during the dissociation phase and leads to a linear calibration curve for the concentrations over the tested range (10-80 μM). The plasmon shift following surface binding is calculated in terms of both plasmon peak location and hue, with the latter allowing faster data elaboration and real-time display of the results. The presented T-LSPR system shows for the first time label-free direct detection and quantification of a small molecule in the complex matrix of filtered undiluted blood serum. Its uncomplicated construction and compact size, together with the remarkable performances, represent a leap forward toward effective point-of-care devices for therapeutic drug concentration monitoring.

Production and characterization of a monoclonal antibody against an Ascaris suum allergenic component

Ascaris suum allergenic components (PIII) separated by gel filtration chromatography of an adult worm extract were used to immunize BALB/c mice. Popliteal lymph node cells taken from the immunized animals were fused with SP2/O myeloma cells using polyethylene glycol (MW 1450) as fusogen. The hybridomas were cultured in HAT-containing medium and cloned at limiting dilutions. Supernatants from the growing hybrids were screened by ELISA using plates coated with PIII or the A. suum crude extract. The monoclonal antibody obtained, named MAC-3 (mouse anti-A. suum allergenic component), is an IgG1 kappa mouse immunoglobulin that specifically recognizes a 29,000 molecular weight protein (called allergenic protein) with an affinity constant of 1.7 x 10(9) M-1. The A. suum components recognized by MAC-3 induce specific IgE antibody production in immunized BALB/c mice. Ascitic fluid induced in Swiss mice by injecting ip the hybridoma cells and incomplete Freund's adjuvant was purified by affinity chromatography using a protein A-Sepharose column. The purified monoclonal antibody was then coupled to activated Sepharose beads in order to isolate the A. suum allergenic component from the whole extract by affinity chromatography.

Caractérisation du co-transporteur Na+/myo-inositol SMIT2 dans les membranes en bordure en brosse de rein de lapin et d’intestin de rat

Le myo-inositol (MI) est un soluté organique impliqué dans diverses fonctions physiologiques de la cellule dont la signalisation cellulaire. Il est également un osmolyte compatible reconnu. Trois co-transporteurs de type actif secondaire responsables de son absorption ont été identifiés. Deux d’entre eux sont couplés au transport du sodium (SMIT1 et SMIT2) et le troisième est couplé au transport de protons (HMIT). L’objectif de cette étude a été la caractérisation du transport du MI par SMIT2 dans des membranes en bordure en brosse (BBMv) issues du rein de lapin et de l’intestin de rat ainsi qu’après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis. La quantification de l’ARNm de SMIT1 et de SMIT2 dans le rein nous a appris que SMIT1 est majoritairement présent dans la médullaire alors que SMIT2 est principalement localisé dans le cortex. Ces résultats ont été confirmés par immunobuvardage en utilisant un anticorps dirigé contre SMIT2. Grâce à l’inhibition sélective de SMIT1 par le L-Fucose et de SMIT2 par le D-chiro-inositol (DCI), nous avons démontré que SMIT2 semble le seul responsable du transport luminal de MI dans le tubule contourné proximal avec un Km de 57 ± 14 µM. Pour ce qui est de l’intestin, des études de transport de MI radioactif ont démontré une absence de transport de MI chez le lapin alors que l’intestin de rat présente un transport de MI très actif. Une quantification par qRT-PCR nous a permis de constater que l’intestin de lapin ne semble pas posséder les transporteurs de MI nécessaires. Comme pour le rein, SMIT2 semble le seul transporteur de MI présent au niveau du pôle apical des entérocytes intestinaux chez le rat. Il est chargé du prélèvement du MI de l'alimentation avec un Km de 150 ± 40 µM. Les analyses fonctionnelles exécutées sur SMIT2 de rat en électrophysiologie après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis donnent sensiblement les mêmes résultats que pour les BBMv de rein de lapin et d’intestin de rat. Dans les ovocytes, SMIT2 présente une grande affinité pour le MI (270 ± 19 µM) et le DCI (310 ± 60 µM) et aucune affinité pour le L-fucose. Il est ii également très sensible à la phlorizine (16 ± 7 µM). Une seule exception persiste : la constante d’affinité pour le glucose dans les BBMv d’intestin de rat est 40 fois plus petite que celle observée sur les ovocytes de Xenopus laevis. Nous avons également testé la capacité de certains transporteurs de sucre présents à la surface des membranes apicales des entérocytes à prélever le MI. Vu que l'inhibition de ces transporteurs (SGLT1 et GLUT5) ne changeait rien au taux de MI radioactif transporté, nous en avons conclu qu'ils ne sont pas impliqués dans son transport. Finalement, l’efflux de MI à partir du pôle basolatéral des entérocytes n’est pas effectué par GLUT2 puisque ce dernier lorsqu'il est exprimé dans des ovocytes, est incapable de transporter le MI.

Études des interactions détergents/lipides dans les systèmes membranaires

Les liposomes sont des structures sphériques formés par l'auto-assemblage de molécules amphiphiles sous forme d'une bicouche. Cette bicouche sépare le volume intérieur du liposome du milieu extérieur, de la même manière que les membranes cellulaires. Les liposomes sont donc des modèles de membranes cellulaires et sont formulés pour étudier les processus biologiques qui font intervenir la membrane (transport de molécules à travers la membrane, effets des charges en surface, interactions entre la matrice lipidique et d'autres molécules, etc.). Parce qu'ils peuvent encapsuler une solution aqueuse en leur volume intérieur, ils sont aussi utilisés aujourd'hui comme nanovecteurs de principes actifs. Nous avons formulé des liposomes non-phospholipidiques riches en stérol que nous avons appelés stérosomes. Ces stérosomes sont composés d'environ 30 % d'amphiphiles monoalkylés et d'environ 70 % de stérols (cholestérol, Chol, et/ou sulfate de cholestérol, Schol). Quand certaines conditions sont respectées, ces mélanges sont capables de former une phase liquide ordonnée (Lo) pour donner, par extrusion, des vésicules unilamellaires. Certaines de ces nouvelles formulations ont été fonctionnalisées de manière à libérer leur contenu en réponse à un stimulus externe. En incorporant des acides gras dérivés de l’acide palmitique possédant différents pKa, nous avons pu contrôler le pH auquel la libération débute. Un modèle mathématique a été proposé afin de cerner les paramètres régissant leur comportement de libération. En incorporant un amphiphile sensible à la lumière (un dérivé de l’azobenzène), les liposomes formés semblent répondre à une radiation lumineuse. Pour ce système, il serait probablement nécessaire de tracer le diagramme de phase du mélange afin de contrôler la photo-libération de l’agent encapsulé. Nous avons aussi formulé des liposomes contenant un amphiphile cationique (le chlorure de cétylpyridinium). En tant que nanovecteurs, ces stérosomes montrent un potentiel intéressant pour la libération passive ou contrôlée de principes actifs. Pour ces systèmes, nous avons développé un modèle pour déterminer l’orientation des différentes molécules dans la bicouche. La formation de ces nouveaux systèmes a aussi apporté de nouvelles connaissances dans le domaine des interactions détergents-lipides. Aux nombreux effets du cholestérol (Chol) sur les systèmes biologiques, il faut ajouter maintenant que les stérols sont aussi capables de forcer les amphiphiles monoalkylés à former des bicouches. Cette nouvelle propriété peut avoir des répercussions sur notre compréhension du fonctionnement des systèmes biologiques. Enfin, les amphiphiles monoalkylés peuvent interagir avec la membrane et avoir des répercussions importantes sur son fonctionnement. Par exemple, l'effet antibactérien de détergents est supposé être dû à leur insertion dans la membrane. Cette insertion est régie par l'affinité existant entre le détergent et cette dernière. Dans ce cadre, nous avons voulu développer une nouvelle méthode permettant d'étudier ces affinités. Nous avons choisi la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) pour sa sensibilité. Les hypothèses permettant de déterminer cette constante d’affinité se basent sur l’incapacité du détergent à exalter le signal SERS lorsque le détergent est inséré dans la membrane. Les résultats ont été comparés à ceux obtenus par titration calorimétrique isotherme (ITC). Les résultats ont montré des différences. Ces différences ont été discutées.

Étude du mécanisme de protection des spermatozoïdes de mammifères par le lait

Le lait écrémé est utilisé depuis plus d’un demi-siècle comme diluant protecteur des spermatozoïdes de mammifères. Depuis quelques années, il existe une demande grandissante pour des diluants exempts de produits d’origine animale. Toutefois, le mécanisme par lequel le lait protège les spermatozoïdes n’est pas connu, ce qui rend difficile de lui trouver un substitut. Les protéines majeures du plasma séminal de taureau, les protéines « Binder of SPerm » (BSP), sont néfastes lors de la conservation de la semence. Les spermatozoïdes sont en contact avec une grande concentration de protéines BSP qui stimulent une extraction continuelle de cholestérol/phospholipides de leur membrane plasmique. Les lipoprotéines de faible densité (LDL) du jaune d’oeuf, un autre composé utilisé dans les diluants, empêcheraient les protéines BSP de se lier à la membrane des spermatozoïdes de taureaux et de stimuler un efflux des lipides membranaires, ce qui les protégerait durant la conservation. Notre hypothèse était que les protéines du lait protègent les spermatozoïdes durant la conservation en séquestrant les protéines BSP. Premièrement, nous avons démontré par filtration sur gel qu’il y a une interaction entre les protéines BSP bovines et les protéines du lait. Le lait écrémé a été fractionné en trois fractions : F1 (alpha-lactalbumine, bêta-lactoglobuline et caséine kappa), F2 (toutes les protéines du lait) et F3 (sels, sucres et petits peptides). Les protéines BSP1 et BSP5 ont une affinité plus grande pour F1 que BSP3, tandis que toutes les protéines BSP ont une affinité pour F2. Le titrage calorimétrique isotherme a permis de confirmer l’interaction entre les protéines BSP et les protéines du lait. L’association entre la protéine BSP1 bovine et les micelles de caséines est caractérisée par une constante d’affinité (Ka) de 3.5 × 10^5 M-1 et un paramètre stoichiométrique (n) de 4,5 BSP1 pour une caséine. L’association entre la protéine BSP1 bovine et l’alpha-lactalbumine (une protéine du sérum principale), est caractérisée par un Ka de 2.4 × 10^5 M-1 et une valeur “n” de 0,8. Ces résultats indiquent que le lait protège les spermatozoïdes bovins en séquestrant les protéines BSP grâce à une interaction protéine : protéine, tandis que le jaune d’oeuf les protège grâce à une interaction protéine : lipoprotéine. Deuxièmement, nous avons démontré par filtration sur gel que les protéines homologues aux BSP bovines retrouvées dans le plasma séminal de porc, d’étalon et de bélier ont une affinité avec les protéines du lait, ce qui suggère que le mécanisme de protection des spermatozoïdes par le lait pourrait être le même chez ces espèces. Troisièmement, nous avons caractérisé l’interaction entre BSP1 bovine et les LDL du jaune d’oeuf qui a un Ka de 3.4 ± 0.4 × 10^6 M-1 et une valeur de « n » de 104 BSP1 pour une particule de LDL, indiquant qu’il existe des différences entre le mécanisme de protection des spermatozoïdes par le lait et le jaune d’oeuf. Nous croyons que les résultats présentés dans cette thèse aideront à créer de nouveaux diluants ne contenant pas de produits d’origine animale afin de cryoconserver les spermatozoïdes des mammifères.