Mapeamento estrutural do sítio ativo de fosfolipases D presente no veneno de aranha-marrom (Loxosceles intermedia) : características bioquímicas e biológicas

Orientador : Prof. Dr. Silvio Sanches VeigaCoorientador : Prof. Dr. Olga Meiri ChaimTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Biologia Celular e Molecular. Defesa: Curitiba, 25/02/2016Inclui referências : f. 33-34;53-61Área de concentração :Biologia Celular e MolecularResumo: Loxoscelismo é a denominação do quadro clínico provocado em pacientes picados por aranhas do gênero Loxosceles, caracterizado principalmente por causar lesão dermonecrótica com intensa resposta inflamatória no local da picada, e raramente ocorrem manifestações sistêmicas, como distúrbios renais e hematológicos. O veneno loxoscélico é um líquido cristalino e incolor composto essencialmente por proteínas e peptídeos entre 5 a 40kDa, contendo cerca de 30?g de proteínas. Sabe-se que as toxinas da família das fosfolipases-D são capazes de desencadear a maioria dos efeitos biológicos causados pelo envenenamento, tornando-se necessário o aprofundamento da ação completa desta toxina. Algumas isoformas de fosfolipases-D de veneno de aranha-marrom já foram identificadas e biologicamente caracterizadas. Após análise do transcriptoma da glândula produtora de veneno de Loxosceles intermedia, algumas prováveis novas isoformas desta toxina foram identificadas e, entre elas, uma se destacou por sua presença em proporção relevante. O objetivo deste trabalho foi a clonagem, expressão heteróloga e purificação desta nova isoforma de toxina dermonecrótica, de modo a permitir sua avaliação biológica por testes in vitro e in vivo. A partir de técnicas de biologia molecular, foi possível obter a sequência nucleotídica e, por sua vez, aminoacídica completas da LiRecDT7, relatando que esta possui uma substituição conservativa no resíduo de aminoácido Asp233'Glu233. Houve pouco rendimento na expressão da toxina recombinante na forma solúvel e o processo de purificação por cromatografia mostrou-se pouco eficiente. Os testes de atividade esfingomielinásica sugerem que esta toxina como enzima está ativa. Os resultados obtidos até o presente demonstram que esta toxina é uma nova isoforma de fosfolipase-D presente no veneno de L. intermedia. Ainda assim, o processo de expressão e purificação devem ser otimizados, para avaliá-la biologicamente, contribuindo para a compreensão da composição do veneno dessa espécie, além de ser mais uma alternativa de ferramenta com potencial de aplicação biotecnológica. Palavras-chave: aranha, Loxosceles intermedia, veneno, fosfolipase-DAbstract: Loxoscelism is the name of the clinical picture provoked in patients bitten by Loxosceles spiders. It is mainly characterized by dermonecrotic lesions with an intense inflammatory response at the site of the bite, and rarely systemic manifestations such as renal and hematological disorders. The venom produced by Loxosceles spiders is a crystalline, colorless liquid consisting mainly of proteins and peptides between 5 and 40kDa. It is known that the phospholipase-D family of toxins present in this venom is capable of causing most of the biological effects observed in accidents with the spiders. Some isoforms of phospholipases-D have been identified in the Loxosceles venom and biologically characterized. Transcriptome analysis of the venom gland of Loxosceles intermedia revealed some potential novel isoforms of this toxin and among them, one stood out for its presence in significant proportion. The aim of this work was the cloning, heterologous expression and purification of this new isoform of dermonecrotic toxin, named LiRecDT7, to allow their biological evaluation by in vitro and in vivo analysis. Using molecular biology techniques, it was possible to obtain the nucleotide sequence and, in turn, the complete amino acid sequence of LiRecDT7. Further analysis showed a conservative substitution at amino acid residue Glu233'Asp233. The expression of recombinant toxin in soluble form resulted in a low yield and the process of purification by chromatography proved to be inefficient. Nevertheless, preliminary assays that tested the sphingomyelinasic activity of LiRecDT7 suggest that this toxin is active as an enzyme. The results show that LiRecDT7 is a new isoform of phospholipase-D present in the venom of L. intermedia. Still, the expression and purification process must be optimized to allow further assessments. Thus, the results will help to expand the knowledge concerning the composition of the venom of this species, besides being an alternative tool with potential biotechnological applications. Key-words: spider, Loxosceles intermedia, venom, phospholipase-

Clonagem, expressão heteróloga e purificação de uma nova isoforma de fosfolipase-D presente no veneno de aranha-marron (Loxosceles intermedia)

Resumo: Loxoscelismo é a denominação do quadro clínico provocado em pacientes picados por aranhas do gênero Loxosceles, caracterizado principalmente por causar lesão dermonecrótica com intensa resposta inflamatória no local da picada, e raramente ocorrem manifestações sistêmicas, como distúrbios renais e hematológicos. O veneno loxoscélico é um líquido cristalino e incolor composto essencialmente por proteínas e peptídeos entre 5 a 40kDa, contendo cerca de 30?g de proteínas. Sabe-se que as toxinas da família das fosfolipases-D são capazes de desencadear a maioria dos efeitos biológicos causados pelo envenenamento, tornando-se necessário o aprofundamento da ação completa desta toxina. Algumas isoformas de fosfolipases-D de veneno de aranha-marrom já foram identificadas e biologicamente caracterizadas. Após análise do transcriptoma da glândula produtora de veneno de Loxosceles intermedia, algumas prováveis novas isoformas desta toxina foram identificadas e, entre elas, uma se destacou por sua presença em proporção relevante. O objetivo deste trabalho foi a clonagem, expressão heteróloga e purificação desta nova isoforma de toxina dermonecrótica, de modo a permitir sua avaliação biológica por testes in vitro e in vivo. A partir de técnicas de biologia molecular, foi possível obter a sequência nucleotídica e, por sua vez, aminoacídica completas da LiRecDT7, relatando que esta possui uma substituição conservativa no resíduo de aminoácido Asp233'Glu233. Houve pouco rendimento na expressão da toxina recombinante na forma solúvel e o processo de purificação por cromatografia mostrou-se pouco eficiente. Os testes de atividade esfingomielinásica sugerem que esta toxina como enzima está ativa. Os resultados obtidos até o presente demonstram que esta toxina é uma nova isoforma de fosfolipase-D presente no veneno de L. intermedia. Ainda assim, o processo de expressão e purificação devem ser otimizados, para avaliá-la biologicamente, contribuindo para a compreensão da composição do veneno dessa espécie, além de ser mais uma alternativa de ferramenta com potencial de aplicação biotecnológica

Clonagem, expressão heteróloga e purificação de uma nova isoforma de fosfolipase-D presente no veneno de aranha-marron (Loxosceles intermedia)

Resumo: Loxoscelismo é a denominação do quadro clínico provocado em pacientes picados por aranhas do gênero Loxosceles, caracterizado principalmente por causar lesão dermonecrótica com intensa resposta inflamatória no local da picada, e raramente ocorrem manifestações sistêmicas, como distúrbios renais e hematológicos. O veneno loxoscélico é um líquido cristalino e incolor composto essencialmente por proteínas e peptídeos entre 5 a 40kDa, contendo cerca de 30?g de proteínas. Sabe-se que as toxinas da família das fosfolipases-D são capazes de desencadear a maioria dos efeitos biológicos causados pelo envenenamento, tornando-se necessário o aprofundamento da ação completa desta toxina. Algumas isoformas de fosfolipases-D de veneno de aranha-marrom já foram identificadas e biologicamente caracterizadas. Após análise do transcriptoma da glândula produtora de veneno de Loxosceles intermedia, algumas prováveis novas isoformas desta toxina foram identificadas e, entre elas, uma se destacou por sua presença em proporção relevante. O objetivo deste trabalho foi a clonagem, expressão heteróloga e purificação desta nova isoforma de toxina dermonecrótica, de modo a permitir sua avaliação biológica por testes in vitro e in vivo. A partir de técnicas de biologia molecular, foi possível obter a sequência nucleotídica e, por sua vez, aminoacídica completas da LiRecDT7, relatando que esta possui uma substituição conservativa no resíduo de aminoácido Asp233'Glu233. Houve pouco rendimento na expressão da toxina recombinante na forma solúvel e o processo de purificação por cromatografia mostrou-se pouco eficiente. Os testes de atividade esfingomielinásica sugerem que esta toxina como enzima está ativa. Os resultados obtidos até o presente demonstram que esta toxina é uma nova isoforma de fosfolipase-D presente no veneno de L. intermedia. Ainda assim, o processo de expressão e purificação devem ser otimizados, para avaliá-la biologicamente, contribuindo para a compreensão da composição do veneno dessa espécie, além de ser mais uma alternativa de ferramenta com potencial de aplicação biotecnológica

Brown Spider Venom Phospholipase-D Activity upon Different Lipid Substrates

Brown spider envenomation results in dermonecrosis, characterized by an intense inflammatory reaction. The principal toxins of brown spider venoms are phospholipase-D isoforms, which interact with different cellular membrane components, degrade phospholipids, and generate bioactive mediators leading to harmful effects. The Loxosceles intermedia phospholipase D, LiRecDT1, possesses a loop that modulates the accessibility to the active site and plays a crucial role in substrate. In vitro and in silico analyses were performed to determine aspects of this enzyme's substrate preference. Sphingomyelin d18:1/6:0 was the preferred substrate of LiRecDT1 compared to other Sphingomyelins. Lysophosphatidylcholine 16:0/0:0 was preferred among other lysophosphatidylcholines, but much less than Sphingomyelin d18:1/6:0. In contrast, phosphatidylcholine d18:1/16:0 was not cleaved. Thus, the number of carbon atoms in the substrate plays a vital role in determining the optimal activity of this phospholipase-D. The presence of an amide group at C2 plays a key role in recognition and activity. In silico analyses indicated that a subsite containing the aromatic residues Y228 and W230 appears essential for choline recognition by cation-π interactions. These findings may help to explain why different cells, with different phospholipid fatty acid compositions exhibit distinct susceptibilities to brown spider venoms

Brown Spider Venom Phospholipase-D Activity upon Different Lipid Substrates

Brown spider envenomation results in dermonecrosis, characterized by an intense inflammatory reaction. The principal toxins of brown spider venoms are phospholipase-D isoforms, which interact with different cellular membrane components, degrade phospholipids, and generate bioactive mediators leading to harmful effects. The Loxosceles intermedia phospholipase D, LiRecDT1, possesses a loop that modulates the accessibility to the active site and plays a crucial role in substrate. In vitro and in silico analyses were performed to determine aspects of this enzyme’s substrate preference. Sphingomyelin d18:1/6:0 was the preferred substrate of LiRecDT1 compared to other Sphingomyelins. Lysophosphatidylcholine 16:0/0:0 was preferred among other lysophosphatidylcholines, but much less than Sphingomyelin d18:1/6:0. In contrast, phosphatidylcholine d18:1/16:0 was not cleaved. Thus, the number of carbon atoms in the substrate plays a vital role in determining the optimal activity of this phospholipase-D. The presence of an amide group at C2 plays a key role in recognition and activity. In silico analyses indicated that a subsite containing the aromatic residues Y228 and W230 appears essential for choline recognition by cation-π interactions. These findings may help to explain why different cells, with different phospholipid fatty acid compositions exhibit distinct susceptibilities to brown spider venoms

TCTP from Loxosceles Intermedia (Brown Spider) Venom Contributes to the Allergic and Inflammatory Response of Cutaneous Loxoscelism

LiTCTP is a toxin from the Translationally Controlled Tumor Protein (TCTP) family identified in Loxosceles brown spider venoms. These proteins are known as histamine-releasing factors (HRF). TCTPs participate in allergic and anaphylactic reactions, which suggest their potential role as therapeutic targets. The histaminergic effect of TCTP is related to its pro-inflammatory functions. An initial characterization of LiTCTP in animal models showed that this toxin can increase the microvascular permeability of skin vessels and induce paw edema in a dose-dependent manner. We evaluated the role of LiTCTP in vitro and in vivo in the inflammatory and allergic aspects that undergo the biological responses observed in Loxoscelism, the clinical condition after an accident with Loxosceles spiders. Our results showed LiTCTP recombinant toxin (LiRecTCTP) as an essential synergistic factor for the dermonecrotic toxin actions (LiRecDT1, known as the main toxin in the pathophysiology of Loxoscelism), revealing its contribution to the exacerbated inflammatory response clinically observed in envenomated patients

Vaccines against Emerging and Neglected Infectious Diseases: An Overview

Neglected Tropical Diseases (NTDs) are a group of diseases that are highly prevalent in tropical and subtropical regions, and closely associated with poverty and marginalized populations. Infectious diseases affect over 1.6 billion people annually, and vaccines are the best prophylactic tool against them. Along with NTDs, emerging and reemerging infectious diseases also threaten global public health, as they can unpredictably result in pandemics. The recent advances in vaccinology allowed the development and licensing of new vaccine platforms that can target and prevent these diseases. In this work, we discuss the advances in vaccinology and some of the difficulties found in the vaccine development pipeline for selected NTDs and emerging and reemerging infectious diseases, including HIV, Dengue, Ebola, Chagas disease, malaria, leishmaniasis, zika, and chikungunya

VLP-Based COVID-19 Vaccines: An Adaptable Technology against the Threat of New Variants

Virus-like particles (VLPs) are a versatile, safe, and highly immunogenic vaccine platform. Recently, there are developmental vaccines targeting SARS-CoV-2, the causative agent of COVID-19. The COVID-19 pandemic affected humanity worldwide, bringing out incomputable human and financial losses. The race for better, more efficacious vaccines is happening almost simultaneously as the virus increasingly produces variants of concern (VOCs). The VOCs Alpha, Beta, Gamma, and Delta share common mutations mainly in the spike receptor-binding domain (RBD), demonstrating convergent evolution, associated with increased transmissibility and immune evasion. Thus, the identification and understanding of these mutations is crucial for the production of new, optimized vaccines. The use of a very flexible vaccine platform in COVID-19 vaccine development is an important feature that cannot be ignored. Incorporating the spike protein and its variations into VLP vaccines is a desirable strategy as the morphology and size of VLPs allows for better presentation of several different antigens. Furthermore, VLPs elicit robust humoral and cellular immune responses, which are safe, and have been studied not only against SARS-CoV-2 but against other coronaviruses as well. Here, we describe the recent advances and improvements in vaccine development using VLP technology

Active site mapping of Loxosceles phospholipases D: Biochemical and biological features

Brown spider phospholipases D from Loxosceles venoms are among the most widely studied toxins since they induce dermonecrosis, triggering inflammatory responses, increase vascular permeability, cause hemolysis, and renal failure. The catalytic (H12 and H47) and metal-ion binding (E32 and D34) residues in Loxosceles intermedia phospholipase D (LiRecDT1) were mutated to understand their roles in the observed activities. All mutants were identified using whole venom serum antibodies and a specific antibody to wild-type LiRecDT1, they were also analyzed by circular dichroism (CD) and differential scanning calorimetry (DSC). The phospholipase D activities of H12A, H47A, H12A-H47A, E32, D34 and E32A-D34A, such as vascular permeability, dermonecrosis, and hemolytic effects were inhibited. The mutant Y228A was equally detrimental to biochemical and biological effects of phospholipase D, suggesting an essential role of this residue in substrate recognition and binding. On the other hand, the mutant C53A-C201A reduced the enzyme's ability to hydrolyze phospholipids and promote dermonecrosis, hemolytic, and vascular effects. These results provide the basis understanding the importance of specific residues in the observed activities and contribute to the design of synthetic and specific inhibitors for Brown spider venom phospholipases D. (C) 2016 Elsevier B.V. All rights reserved.CAPESCNPqFAPESPFA-PRSETI-PRFed Univ Parana UFPR, Dept Cell Biol, Curitiba, Parana, BrazilSao Paulo State Univ UNESP, Dept Phys, Multiuser Ctr Biomol Innovat, Sao Jose Do Rio Preto, SP, BrazilFed Univ Sao Paulo UNIFESP, Dept Biochem, Sao Paulo, SP, BrazilNatl Ctr Res Energy & Mat CNPEM, Brazilian Biosci Natl Lab LNBio, Campinas, SP, BrazilFed Univ Sao Paulo UNIFESP, Dept Biochem, Sao Paulo, SP, BrazilWeb of Scienc