Membrane-translocating peptides and toxins: from nature to bedside

Today, different functional classes of bioactive peptides and toxins isolated from diverse sources of living organisms are known. In medicine, these polypeptides present the potential to be used structurally unmodified or to serve as templates for molecular design of improved derivatives. Here, we refer to members of three classes of remarkable peptides and toxins that act at the cell membranes level and membrane trafficking systems: (i) the binary toxins (ii) the antimicrobial peptides and (iii) the cell penetrating peptides. Binary toxins have been genetically manipulated to generate specific immunotoxins, while antimicrobial peptides are in use as alternative agents against resistant microbes and tumor cells. Cell penetrating peptides have applications as diverse as cell transfection and transport of nanomaterials. Our group is dissecting the capacity of crotamine, a peptide from rattlesnake venom, to translocate cell membranes and use it as a delivery system in the transducing technology and molecular imaging.Atualmente, diferentes classes funcionais de peptídeos e toxinas biologicamente ativas isolados de diversos organismos são conhecidas. Em medicina, esses polipeptídios podem ser diretamente utilizados ou podem servir como modelos para a geração de moléculas derivadas. Aqui, nós fazemos referência a três classes de peptídeos e toxinas que agem sobre membranas celulares ou sobre sistemas de transporte por membranas: (i) toxinas binárias; (ii) peptídeos antimicrobianos; (iii) peptídeos penetradores de células. As toxinas binárias têm sido geneticamente manipuladas para gerar imunotoxinas específicas, enquanto os peptídeos antimicrobianos são usados como agentes alternativos contra células tumorais e microbianas resistentes. Os peptídeos penetradores de células têm aplicações que vão desde a transfecção celular quanto ao transporte intracelular de nanopartículas. Nosso grupo vem investigando a capacidade da crotamina, um peptídeo do veneno de cascavel, em translocar membranas celulares, bem como de utilizar a crotamina como sistema de transporte molecular e de análise de imagens.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Universidade Federal de Pernambuco Departamento de BioquímicaClínica e Centro de Pesquisa em Reprodução Humana Roger AbdelmassihInstituto Butantan Laboratório de HerpetologiaUniversidade Federal de São Paulo (UNIFESP) Departamento de FarmacologiaInstituto Butantan Centro de Toxinologia AplicadaInstituto Butantan Laboratório de GenéticaCentro de Biotecnologia da AmazôniaInstituto de Pesquisas Energéticas e NuclearesUNIFESP, Depto. de FarmacologiaSciEL

Expression of recombinant buck (Capra hircus) spermadhesinin a prokaryotic system

The low purification efficiency and the incomplete characterization of buck spermadhesins (Bdhs) prompted us to establish an effective system to produce recombinant Bdhs (rBdhs). The Bdh-4 cDNA was inserted in a prokaryotic expression plasmid pTrcHis TOPO to produce a His6 fusion protein in E. coli Top10 cells. The recombinant clones were selected by growth in ampicillin-containing medium, PCR amplifications and nucleotide sequencing. The recombinant protein synthesis was monitored by SDS-PAGE followed by immunoblotting using a monoclonal anti-His antibody. The expression of the rBdh-4 was achieved at 0.1 to 2.0 mM IPTG after 2 to 6 h of induction. A greater production of rBdh-4 (P < 0.001) was obtained with 0.1 mM IPTG after 2 h of induction. The apparent molecular weight of rBdh-4 was 15.85 ± 0.09 kDa. This result agrees with the theoretical molecular weight of 16.5 kDa predicted from the nucleotide sequence. In conclusion, an effective rBdh-4 expression system was established in order to provide a good tool for studying the biofunctions of buck spermadhesins.(Expressão da espermadesina recombinante de bode (Capra hircus) em sistema procariótico). A baixa eficiência de purificação e a incompleta caracterização das espermadesinas de bode (Bdhs) nos levou a estabelecer um sistema efetivo para produzir as Bdhs recombinantes (rBdhs). O cDNA da Bdh-4 foi inserido no plasmídeo de expressão procariótico pTrcHis TOPO para produzir uma proteína de fusão His6 em células de E.coli Top10. Os clones recombinantes foram crescidos em meio contendo ampicilina, amplificação por PCR e sequenciamento de nucleotídeos. A síntese da proteína recombinante foi monitorada por SDS-PAGE seguida por imunobloting usando anticorpo monoclonal anti-His. A expressão da rBdh-4 foi conseguida de 0,1 a 2,0 mM de IPTG e depois de 2 a 6 H de indução. A maior produção da rBdh-4 (

Molecular characterization of Cyclophilin (TcCyP19) in Trypanosoma cruzi populations susceptible and resistant to benznidazole

Cyclophilin (TcCyP19), a peptidyl-prolyl cis/trans isomerase, is a key molecule with diverse biological functions that include roles in molecular chaperoning, stress response, immune modulation, and signal transduction. In this respect, TcCyP19 could serve as a potential drug target in diseasecausing parasites. Previous studies employing proteomics techniques have shown that the TcCyP19 isoform was more abundant in a benznidazole (BZ)-resistant Trypanosoma cruzi population than in its susceptible counterpart. In this study, TcCyP19 has been characterized in BZ-susceptible and BZresistant T. cruzi populations. Phylogenetic analysis revealed a clear dichotomy between Cyphophilin A (CyPA) sequences from trypanosomatids and mammals. Sequencing analysis revealed that the amino acid sequences of TcCyP19 were identical among the T. cruzi samples analyzed. Southern blot analysis showed that TcCyP19 is a single-copy gene, located in chromosomal bands varying in size from 0.68 to 2.2 Mb, depending on the strain of T. cruzi. Northern blot and qPCR indicated that the levels of TcCyP19 mRNA were two-fold higher in drug-resistant T. cruzi populations than in their drugsusceptible counterparts. Similarly, as determined by two-dimensional gel electrophoresis immunoblot, the expression of TcCyP19 protein was increased to the same degree in BZ-resistant T. cruzi populations. No differences in TcCyP19 mRNA and protein expression levels were observed between the susceptible and the naturally resistant T. cruzi strains analyzed. Taken together, these data indicate that cyclophilin TcCyP19 expression is up-regulated at both transcriptional and translational levels in T. cruzi populations that were in vitro-induced and in vivo-selected for resistance to BZ.Fil: Rêgo, Juciane Vaz. Universidade Federal Do Piaui.; BrasilFil: Duarte, Ana Paula. Fundación Oswaldo Cruz; BrasilFil: Liarte, Daniel Barbosa. Universidade Federal Do Piaui.; BrasilFil: de Carvalho Sousa, Francirlene. Universidade Federal Do Piaui.; BrasilFil: Barreto, Humberto Medeiros. Universidade Federal Do Piaui.; BrasilFil: Bua, Jacqueline Elena. Dirección Nacional de Instituto de Investigación. Administración Nacional de Laboratorio e Instituto de Salud “Dr. C. G. Malbrán”. Instituto Nacional de Parasitología "Dr. Mario Fatala Chaben”; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Romanha, Alvaro José. Fundación Oswaldo Cruz; BrasilFil: Rádis Baptista, Gandhi. Universidade Federal Do Piaui.; BrasilFil: Murta, Silvane Maria Fonseca. Universidade Federal Do Piaui.; Brasi

Mechanisms of bacterial membrane permeabilization by crotalicidin Ctn and its fragment Ctn 15–34, antimicrobial peptides from rattlesnake venom

© 2018 by The American Society for Biochemistry and Molecular Biology, Inc.Crotalicidin (Ctn), a cathelicidin-related peptide from the venom of a South American rattlesnake, possesses potent antimicrobial, antitumor, and antifungal properties. Previously, we have shown that its C-terminal fragment, Ctn(15-34), retains the antimicrobial and antitumor activities but is less toxic to healthy cells and has improved serum stability. Here, we investigated the mechanisms of action of Ctn and Ctn(15-34) against Gram-negative bacteria. Both peptides were bactericidal, killing ∼90% of Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa cells within 90-120 and 5-30 min, respectively. Studies of ζ potential at the bacterial cell membrane suggested that both peptides accumulate at and neutralize negative charges on the bacterial surface. Flow cytometry experiments confirmed that both peptides permeabilize the bacterial cell membrane but suggested slightly different mechanisms of action. Ctn(15-34) permeabilized the membrane immediately upon addition to the cells, whereas Ctn had a lag phase before inducing membrane damage and exhibited more complex cell-killing activity, probably because of two different modes of membrane permeabilization. Using surface plasmon resonance and leakage assays with model vesicles, we confirmed that Ctn(15-34) binds to and disrupts lipid membranes and also observed that Ctn(15-34) has a preference for vesicles that mimic bacterial or tumor cell membranes. Atomic force microscopy visualized the effect of these peptides on bacterial cells, and confocal microscopy confirmed their localization on the bacterial surface. Our studies shed light onto the antimicrobial mechanisms of Ctn and Ctn(15-34), suggesting Ctn(15-34) as a promising lead for development as an antibacterial/antitumor agent.This work was supported by Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (MINECO) Grants SAF2011-24899 and AGL2014-52395-C2, by Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT, Portugal) Grants PTDC/QEQ-MED/4412/2014, and by EU Marie Skłodowska-Curie Research and Innovation Staff Exchange (RISE) program Grant 644167, 2015–2019.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Marine biotechnology in Brazil : recent developments and its potential for innovation

Marine biotechnology is an emerging field in Brazil and includes the exploration of marine microbial products, aquaculture, omics, isolation of biologically active compounds, identification of biosynthetic gene clusters from symbiotic microorganisms, investigation of invertebrate diseases caused by potentially pathogenic marine microbes, and development of antifouling compounds. Furthermore, the field also encompasses description of new biological niches, current threats, preservation strategies as well as its biotechnological potential. Finally, it is important to depict some of the major approaches and tools being employed to such end. To address the challenges of marine biotechnology, the Brazilian government, through the Ministry of Science, Technology, Innovation, and Communication, has established the National Research Network in Marine Biotechnology (BiotecMar) (www.biotecmar.sage.coppe.ufrj.br). Its main objective is to harness marine biodiversity and develop the marine bioeconomy through innovative research

Cloning, identification and analysis of genes toxic peptides of the South American rattlesnake, Crotalus durissus terrificus. Evolutionary and functional implications

O veneno de animais contém um arsenal de toxinas que desencadeia respostas fisiológicas e bioquímicas específicas. A crotamina, um peptídio catiônico (4,4 kDa, pI 9,5), é um dos componentes mais abundantes do veneno de cascavel Sul Arrericana (Crotalus durissus terrificus). No Brasil, há populações de C. d. terrificus que expressam ou não a crotamina no veneno. Em um único espécime de C. d. terrificus crotamina-positivo, foram isolados cDNAs precursores de duas isoformas de crotamina, dentre as quais a crotamina lle-19, presente somente no veneno de C.d. ruruima. Análise por Northern blot de RNA total e mensageiro de glândulas de C.d. terrificus crotamina-positivo e -negativo, indica que a expressão é defectiva em espécimes de cascavel crotamina-negativo. O gene da crotamina (Crt-pl) foi isolado e possui três exons interrompidos por dois introns de diferentes fases e tamanhos. O exon I codifica a totalidade do peptídio sinal; o exon II codifica os três resíduos carboxi-terminais do peptídio sinal, bem como a maior parte da toxina madura; o terceiro exon codifica os resíduos terminais da toxina. Tentativa de identificar o pseudogene da crotamina, que indicaria a ausência de transcritos na glânlula de veneno, permitiu isolar um gene parálogo ao da crotamina, isto é o gene crotasin (Cts-p2). Esse gene apresenta a mesma organização estrutural do gene da crotamina, contudo, o intron I é cerca de 800 pares de base mais longo e o exon II é hipermutado. Esse gene é expresso em diferentes tecidos de cascavel, majoritariamente no pâncreas, mas insignificantemente nas glândulas de veneno. Surpreendentemente, esse gene é também detectado no genoma de C. d. terrificus crotamina-positivo, sugerindo que o gene de crotamina é o produto de uma duplicação gênica, bem como da evolução acelerada que operou restritivamente ao exon II. Buscando as funções do produto desse gene nos tecidos de cascavel, por alinhamento de domínios protéicos e outras famílias de peptídios de vertebrados, duas categorias foram encontradas: peptídios catiônicos antibióticos (&#946;-defensinas) e domínios ricos em cisteína de receptores de fator de crescimento. Testes antibióticos indicam que o crotasin, a crotamina e oligopeptídios derivados sintéticos possuem certa atividade microbicida seletiva. Por outro lado, ensaios com células-tronco embrionárias de camundongo e crotamina de veneno mostram que a crotamina é citotóxica em concentrações milimolares, mas induz a diferenciação dos corpos embrionários, em concentrações micromolares. Esses achados demonstram a multi-funcionalidade de peptídios catiônicos, com três pontes de cisteína precisamente arranjadas, é decorrente da versatilidade dos domínios protéicos anfipáticos, que permitem interação com a membrana plasmática, modulando canais iônicos e receptores celulares.Abstract not available

Cell-Penetrating Peptides Derived from Animal Venoms and Toxins

Cell-penetrating peptides (CPPs) comprise a class of short polypeptides that possess the ability to selectively interact with the cytoplasmic membrane of certain cell types, translocate across plasma membranes and accumulate in the cell cytoplasm, organelles (e.g., the nucleus and mitochondria) and other subcellular compartments. CPPs are either of natural origin or de novo designed and synthesized from segments and patches of larger proteins or designed by algorithms. With such intrinsic properties, along with membrane permeation, translocation and cellular uptake properties, CPPs can intracellularly convey diverse substances and nanomaterials, such as hydrophilic organic compounds and drugs, macromolecules (nucleic acids and proteins), nanoparticles (nanocrystals and polyplexes), metals and radionuclides, which can be covalently attached via CPP N- and C-terminals or through preparation of CPP complexes. A cumulative number of studies on animal toxins, primarily isolated from the venom of arthropods and snakes, have revealed the cell-penetrating activities of venom peptides and toxins, which can be harnessed for application in biomedicine and pharmaceutical biotechnology. In this review, I aimed to collate examples of peptides from animal venoms and toxic secretions that possess the ability to penetrate diverse types of cells. These venom CPPs have been chemically or structurally modified to enhance cell selectivity, bioavailability and a range of target applications. Herein, examples are listed and discussed, including cysteine-stabilized and linear, α-helical peptides, with cationic and amphipathic character, from the venom of insects (e.g., melittin, anoplin, mastoparans), arachnids (latarcin, lycosin, chlorotoxin, maurocalcine/imperatoxin homologs and wasabi receptor toxin), fish (pardaxins), amphibian (bombesin) and snakes (crotamine and cathelicidins)

Cloning, identification and analysis of genes toxic peptides of the South American rattlesnake, Crotalus durissus terrificus. Evolutionary and functional implications

O veneno de animais contém um arsenal de toxinas que desencadeia respostas fisiológicas e bioquímicas específicas. A crotamina, um peptídio catiônico (4,4 kDa, pI 9,5), é um dos componentes mais abundantes do veneno de cascavel Sul Arrericana (Crotalus durissus terrificus). No Brasil, há populações de C. d. terrificus que expressam ou não a crotamina no veneno. Em um único espécime de C. d. terrificus crotamina-positivo, foram isolados cDNAs precursores de duas isoformas de crotamina, dentre as quais a crotamina lle-19, presente somente no veneno de C.d. ruruima. Análise por Northern blot de RNA total e mensageiro de glândulas de C.d. terrificus crotamina-positivo e -negativo, indica que a expressão é defectiva em espécimes de cascavel crotamina-negativo. O gene da crotamina (Crt-pl) foi isolado e possui três exons interrompidos por dois introns de diferentes fases e tamanhos. O exon I codifica a totalidade do peptídio sinal; o exon II codifica os três resíduos carboxi-terminais do peptídio sinal, bem como a maior parte da toxina madura; o terceiro exon codifica os resíduos terminais da toxina. Tentativa de identificar o pseudogene da crotamina, que indicaria a ausência de transcritos na glânlula de veneno, permitiu isolar um gene parálogo ao da crotamina, isto é o gene crotasin (Cts-p2). Esse gene apresenta a mesma organização estrutural do gene da crotamina, contudo, o intron I é cerca de 800 pares de base mais longo e o exon II é hipermutado. Esse gene é expresso em diferentes tecidos de cascavel, majoritariamente no pâncreas, mas insignificantemente nas glândulas de veneno. Surpreendentemente, esse gene é também detectado no genoma de C. d. terrificus crotamina-positivo, sugerindo que o gene de crotamina é o produto de uma duplicação gênica, bem como da evolução acelerada que operou restritivamente ao exon II. Buscando as funções do produto desse gene nos tecidos de cascavel, por alinhamento de domínios protéicos e outras famílias de peptídios de vertebrados, duas categorias foram encontradas: peptídios catiônicos antibióticos (&#946;-defensinas) e domínios ricos em cisteína de receptores de fator de crescimento. Testes antibióticos indicam que o crotasin, a crotamina e oligopeptídios derivados sintéticos possuem certa atividade microbicida seletiva. Por outro lado, ensaios com células-tronco embrionárias de camundongo e crotamina de veneno mostram que a crotamina é citotóxica em concentrações milimolares, mas induz a diferenciação dos corpos embrionários, em concentrações micromolares. Esses achados demonstram a multi-funcionalidade de peptídios catiônicos, com três pontes de cisteína precisamente arranjadas, é decorrente da versatilidade dos domínios protéicos anfipáticos, que permitem interação com a membrana plasmática, modulando canais iônicos e receptores celulares.Abstract not available