Caracterização funcional de proteínas hipotéticas de Leptospira interrogans como adesinas e potenciais antígenos vacinais e para diagnóstico / Functional characterization of hypothetical proteins in Leptospira interrogans as adhesins and potential vaccine and diagnostic antigens

Leptospira spp. constitui um grupo de bactérias espiroquetas gram-negativas englobando espécies saprofíticas, intermediárias e patogênicas, sendo as últimas agentes causadores da leptospirose, doença zoonótica de alcance mundial e endêmica em regiões tropicais em desenvolvimento. O crescente número de espécies identificadas de leptospiras destaca ainda mais sua diversidade genética e mecanismos de virulência únicos, muitos deles com função ainda desconhecida. Esforços para o desenvolvimento de novas vacinas com proteção cruzada e efeito duradouro revelaram possíveis candidatos vacinais que necessitam ser adequadamente validados, sendo assim, há ainda uma urgente necessidade de uma vacina universal contra a leptospirose capaz de controlar e reduzir os surtos cada vez mais frequentes da doença. Adesinas são importantes fatores de virulência em diversos patógenos, constituindo antígenos promissores para o desenvolvimento de vacinas contra a leptospirose, assim como para o desenvolvimento de métodos diagnósticos mais rápidos e precisos. Previamente, foram identificadas três proteínas hipotéticas conservadas em L. interrogans pela técnica de phage display, denominadas arbitrariamente como LepA069, LepA962 e LepA388. A expressão do gene codificador da proteína LepA069 apresentou aumento de aproximadamente 70 % em animais infectados por leptospiras virulentas, representando a primeira evidência funcional desta proteína ainda desconhecida. Porções recombinantes da lipoproteína hipotética LepA962 (LepA962_Nt e LepA962_Phg) foram obtidos, sendo demonstrada a forte interação da proteína LepA962_Phg, contendo a sequência identificada por phage display, com laminina, fibronectina plasmática, colágeno I e fibrinogênio de maneira dose-dependente. Adicionalmente, LepA962_Phg apresentou ligação às células VERO e à sua matriz extracelular secretada, e o soro obtido a partir desta proteína recombinante foi capaz de se ligar à superfície de leptospiras virulentas, indicando que LepA962_Phg pode representar um importante domínio de interação entre as leptospiras e seu hospedeiro. Finalmente, a proteína LepA388 pertencente a uma extensa família de proteínas modificadoras de virulência com função desconhecida (DUF_61), presente apenas nas leptospiras patogênicas mais virulentas, apresentou aumento na expressão de seu gene codificador em animais infectados por leptospiras virulentas de acordo com dados na literatura. Além disso, porções recombinantes da região Nterminal desta proteína apresentaram ligação a laminina, colágenos I e IV, vitronectina e fibronectinas plasmática e celular, principalmente considerando a sequência identificada por phage display. Estes dados reforçam as predições de modelos tridimensionais da proteína LepA388 e de outros membros da família DUF_61, as quais identificam domínios semelhantes a toxinas (como abrina e CARDS) responsáveis pela ligação e internalização celulares nos hospedeiros. Dados recentes sugerem um possível papel citotóxico desempenhado pelas proteínas desta família em leptospiras, as quais podem também ser consideradas potenciais candidatas vacinais e para diagnóstico da leptospirose, devido à sua distribuição restrita em espécies e cepas patogênicas de importância para saúde humana.

Leptospira spp. constitutes a group of gram-negative spirochete bacteria comprising saprophytic, intermediate and pathogenic species, the last being causative agents of leptospirosis, a zoonotic disease of worldwide extent and endemic in developing tropical regions. The growing number of identified leptospiral species further highlights their genetic diversity and unique virulence mechanisms, many of them with unknown function. Efforts to develop new vaccines with cross-protection and long-lasting effect have revealed possible vaccine candidates that need to be properly validated. Therefore, there is still an urgent need for a universal vaccine against leptospirosis capable of controlling and reducing the increasing outbreaks of the disease. Adhesins are important virulence factors in several pathogens, constituting promising antigens for the development of vaccines against leptospirosis, as well as for the development of faster and more accurate diagnostic methods. Previously, three conserved hypothetical proteins in L. interrogans were identified by phage display technique, arbitrarily named as LepA069, LepA962 and LepA388. Expression of the LepA069 encoding gene showed an increase of approximately 70 % in animals infected by virulent leptospires, representing the first functional evidence of this still unknown protein. Recombinant portions of the hypothetical lipoprotein LepA962 (LepA962_Nt and LepA962_Phg) were obtained, demonstrating the strong interaction of the LepA962_Phg protein, containing the sequence identified by phage display, with laminin, plasma fibronectin, collagen I and fibrinogen in a dose-dependent manner. Furthermore, LepA962_Phg showed binding to VERO cells and its secreted extracellular matrix, and the serum obtained from this recombinant protein was able to bind to the surface of virulent leptospires, indicating that LepA962_Phg may represent an important domain of interaction between leptospires and its host. Finally, LepA388 protein belonging to an extensive family of virulence modifying proteins with unknown function (DUF_61), present only in the most virulent pathogenic leptospires, showed an increase in the expression of its encoding gene in animals infected by virulent leptospires according to data in literature. Moreover, recombinant portions of the N-terminal region of this protein showed binding to laminin, collagens I and IV, vitronectin and plasma and cell fibronectins, especially considering the sequence identified by phage display. These data support the predictions of three-dimensional models of the LepA388 protein and other members of the DUF_61 family, which identify toxin-like domains (such as abrin and CARDS) responsible for cellular binding and internalization in hosts. Recent data suggest a possible cytotoxic role played by proteins of this family in leptospires, which can also be considered potential vaccine candidates and antigens for diagnosis, due to their restricted distribution in pathogenic species and strains of importance to human health

Identificação de adesinas de Leptospira interrogans por shotgun phage display / Identification of Leptospira interrogans adhesins by shotgun phage display

Em Leptospira interrogans algumas proteínas com capacidade de ligação aos componentes de matriz extracelular foram identificadas e, em sua maioria, são fatores de virulência. Phage display é considerada uma técnica poderosa na identificação de novos ligantes, inclusive de moléculas adesinas, importantes no primeiro estágio de infecção do hospedeiro. A técnica de shotgun phage display foi utilizada visando à obtenção de ligantes à células de mamíferos. Quatro bibliotecas, por inserção de fragmentos aleatórios obtidos por sonicação do DNA de L. interrogans nos fagomídeos pG8SAET (BBT1 e BBT2) e pG3DSS (BBT5 e BBT6), foram construídas. As bibliotecas BBT1 e BBT5 contém insertos maiores e as BBT2 e BBT6 contém insertos menores, com tamanhos médios de 1500 pb e 350 pb, respectivamente. Após ensaio de panning da BBT5 contra células de mamíferos e soro fetal bovino, as sequências de clones selecionados foram analisadas quanto a orientação correta e se a fusão estava em fase com a proteína pIII. As proteínas codificadas pelos genes LIC11719, LIC10769, LIC13143 e LIC12976 foram selecionadas com estas características. Os genes que codificam a LIC12976, LIC10768, LIC10769 e LIC13418, tiveram sua conservação avaliada em diferentes sorovares da espécie patogênica L. interrogans e no sorovar Patoc da espécie de vida livre L. biflexa. As proteínas LIC12976 (selecionada pela técnica de phage display) e LIC13418 (selecionada por ferramentas de bioinformática) tiveram suas sequências amplificadas por PCR, clonadas em pGEM T easy, subclonadas em vetor de expressão pAE e expressas na fração celular correspondente ao corpúsculo de inclusão em E. coli BL21 (DE3) Star pLysS e E. coli BL21 SI, respectivamente. Após renaturação e purificação destas proteínas por cromatografia de afinidade a metal bivalente, um grupo de cinco animais BALB/c fêmeas foi imunizado. Ambas as proteínas se mostraram imunogênicas com títulos dos soros policlonais 1:256000 e 1:512000, respectivamente. Em ensaio de Western Blot os soros foram específicos no reconhecimento das proteínas recombinantes e as proteínas nativas foram verificadas em extratos de sorovares patogênicos de L. interrogans. Em ensaios de adesão, as proteínas recombinantes aderiram às células A31, LLC-PK1 e Vero e especificamente à laminina. Em ensaios de interferência em células usando laminina houve um aumento da adesão das proteínas recombinantes, o que pode ser explicado pela ligação da laminina às células e uma maior ligação das LICs estudadas. Em ensaio de localização celular usando imunofluorescência e microscopia eletrônica, foi observado que ambas as proteínas se encontram na superfície da L. interrogans. No experimento de desafio animal, a LIC12976 e a LIC13418 não se mostraram protetoras. Este trabalho contribuiu para a identificação das novas adesinas LIC13418 e LIC12976 que podem participar da virulência de leptospiras patogênicas envolvendo a primeira etapa da infecção na interação patógeno-hospedeiro

In Leptospira interrogans, proteins capable to bind to extracellular matrix components have been identified and most of them are important virulence factors. Phage display is a powerful technique to identify new ligands, including adhesin molecules that are important in the first stage of host infection. A shotgun phage display technique was used in order to obtain cell ligands. Four libraries were constructed by inserting random fragments obtained by sonication of L. interrogans DNA into phagemids pG8SAET (BBT1 and BBT2) and pG3DSS (BBT5 and BBT6). The libraries BBT1 and BBT5 contain larger inserts and BBT2 and BBT6 contain smaller inserts, with 1500 bp and 350 bp average sizes, respectively. After panning of BBT5 against mammalian cells and bovine fetal serum, the sequences of selected clones were analyzed for correct orientation and fusion with pIII protein. The proteins encoded by genes LIC11719, LIC10769, LIC13143 and LIC12976 were selected. The genes LIC12976, LIC10768, LIC10769 and LIC13418 were evaluated for their conservation in different pathogenic serovars of L. interrogans and free-living L. biflexa serovar Patoc. Proteins LIC12976 (selected by phage display technique) and also LIC13418 that was selected by bioinformatic tools, were amplified by PCR, cloned into pGEM T easy, subcloned into expression vector pAE and expressed in cellular fraction corresponding to the inclusion body in E. coli BL21 (DE3) Star pLysS and E. coli BL21 SI, respectively. After protein renaturation protocol and purification by affinity chromatography, a group of five BALB/c mice was immunized with the purified proteins. Both proteins were shown to be immunogenic with 1:256000 and 1:512000 polyclonal sera titers, respectively. In Western blot the sera were specific to recognize recombinant proteins and native proteins were detected in pathogenic L. interrogans serovars extracts. In binding assays, recombinant proteins bind to A31, LLC-PK1 and Vero cells and specifically to laminin. In interference cell assay using laminin there was an increase of recombinant protein bindings, which can be explained by the laminin binding to cells and further binding of the recombinant LICs. In cellular localization assay using immunofluorescence and electron microscopy, it was observed that both are surface proteins of L. interrogans. In the animal challenge, the LIC12976 and LIC13418 were not protective. As a whole, this work contributed to the identification of LIC12976 and LIC13418 as new adhesins and they can participate in the virulence of pathogenic Leptospira in the first stage of host pathogen interaction.

Variation in the hemolytic activity of Leptospira interrogans serovar canicola.

Leptospira interrogans serovar canicola strain moulton was grown to a high cell density in a protein-free medium with hemin. The hemolysin produced in this culture system showed a greatly expanded spectrum of hemolysis as compared to previous reports of leptospiral hemolysin produced in a more traditional culture system containing serum.