Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Biológicas, Departamento de Biologia Celular, Programa de Pós-Graduação em Biologia Molecular, 2017. / Submitted by Fernanda Percia França (fernandafranca@bce.unb.br) on 2017-05-03T17:13:16Z No. of bitstreams: 1 2017_DalilaJulianaSilvaRibeiro.pdf: 2929027 bytes, checksum: 1b32a05c986132c8e68368e458010955 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2017-05-16T17:10:50Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_DalilaJulianaSilvaRibeiro.pdf: 2929027 bytes, checksum: 1b32a05c986132c8e68368e458010955 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-16T17:10:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_DalilaJulianaSilvaRibeiro.pdf: 2929027 bytes, checksum: 1b32a05c986132c8e68368e458010955 (MD5) Previous issue date: 2017-05-16 / Infecções por Escherichia coli (E. coli) ainda são um problema de saúde pública graças ao seu alto potencial zoonótico e ao fato de que em muitos países ainda existem altos índices de mortalidade. Sistemas de secreção são descritos como importantes aparatos celulares para que bactérias sejam capazes de translocarem proteínas efetoras para células hospedeiras. Dentre as proteínas efetoras que compõe o sistema de secreção do tipo VI (SST6), destacam-se ClpV e IcmF, por sua importância em manter o SST6 funcional. Desta forma, o objetivo do presente trabalho foi analisar o papel do SST6 bacteriano, via ClpV e IcmF, na ativação dos inflamassomas durante a resposta imune inata. Através dos resultados observamos que o SST6 é crucial para a replicação intracelular de E. coli em macrófagos, modulando a secreção de citocinas, o metabolismo redox da célula e a ativação dos inflamassomas através da clivagem de caspase 1. As proteínas NLRP3 e as caspases 1 e 11 são necessárias para o aumento da secreção de IL-1β induzida por E. coli. Demonstramos que a presença das caspases 1 e 11, bem como do receptor NLRP3 podem atuar em outros processos e mecanismos celulares ativados durante a infecção por E. coli, como a apresentação de antígenos lipídicos, geração de espécies reativas de oxigênios, produção de óxidos nítrico e outras citocinas pró-inflamatórias. A ausência de componentes do inflamassoma favoreceu a replicação intracelular bacteriana assim como a colonização de órgãos vitais em camundongos como o fígado e o baço. Investigamos também o papel do metabolismo lipídico durante a infecção através da análise da biogênese de corpúsculos lipídicos e ainda constatamos que a replicação intracelular bacteriana está relacionada com a presença da enzima ácido graxo-sintase. Portanto o presente trabalho caracterizou os diferentes mecanismos celulares envolvidos durante a ativação da resposta imune inata frente à infecção com uma linhagem patogênica de E. coli focando no papel do sistema de secreção do tipo VI, através do uso de cepas onde suas proteínas efetoras são ausentes, e ainda a relevância de componentes do inflamassoma nesse processo. / Escherichia coli (E. coli) infections remains a public health problem since its higher zoonotic power and the fact that in a lot of countries there are still cases with mortality risk. Secretion systems are described as important cellular apparatus to make bacteria capable of translocate effectors proteins to the host cell. Among all proteins constituent of type six secretion system (T6SS) effectors proteins, ClpV and IcmF are highlighted due to their importance to maintain T6SS functional. Therefore, the aim of the present work was to analyze the role of T6SS through ClpV and IcmF in inflammasome activation during innate immune response. Taken together, odemonstrated that T6SS is crucial to control intracellular bacterial replication in macrophages by modulating cytokines release, cell redox metabolism and inflammasome activation through caspase 1 cleavage. The NLRP3 receptor, as well as caspases 1 and 11, are necessary to increase IL-1β release induced by E. coli. We showed that the presence of caspases 1 and 11 and NLRP3 can influence in other process and cellular mechanisms active during E. coli infection, such as, lipid antigen presentation, generation of oxygen reactive species, nitric oxide and other pro-inflammatory cytokines production. The absence of inflammasome components improved bacterial intracellular replication and the colonization of the liver and spleen in mice. We also investigated the role of lipid metabolism during infection through analyses of lipid droplet biogenesis and verified that intracellular bacterial replication can be associated with fatty acid synthase. Therefore, this work characterized the different mechanisms involved during innate immune response activation upon infection with a pathogenic strain of E. coli focusing in the role of bacterial T6SS, using strains where its effector proteins are absent, and the relevance of inflammasome components in this process.

Orientadores: Wanderley Dias da Silveira, Eliana Guedes Stehling / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-17T23:32:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pace_Fernandade_D.pdf: 4667016 bytes, checksum: c841e6b899f0efc5569c9c6c6ce46935 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Linhagens de Escherichia coli patogênica para aves (APEC) causam infecções extraintestinais e são responsáveis por significativas perdas econômicas na indústria avícola mundial. Recentemente, foram descritos isolados de APEC geneticamente relacionados a diversas outras E.coli extraintestinais (ExPEC) de origem humana, indicando a possibilidade das mesmas constituírem risco zoonótico para humanos. Alguns dos conhecidos fatores de virulência de APEC incluem adesinas, sistema de aquisição de ferro, citotoxinas, entre outros. Nesse trabalho, demonstramos que a linhagem de APEC SEPT 362, isolada do fígado de uma ave apresentando sinais clínicos de septicemia, expressa o Sistema de Secreção Tipo VI (SST6), causa rearranjo do citoesqueleto de células epiteliais cultivadas in vitro, é capaz de aderir e invadir células HeLa e é viável dentro de macrófagos. Para estudar o envolvimento do SST6 na patogênese da linhagem SEPT362, foram deletados três genes desse sistema: hcp, que codifica para uma proteína estrutural e secretada, clpV, que codifica para uma ATPase e icmF (intracellular multiplication factor), gerando três mutantes, respectivamente. Todos os mutantes demonstraram uma diminuição nos processos de adesão e invasão a células HeLa, formação de biofilme e virulência in vivo. Estudos de transcriptoma mostraram que a expressão da fímbria tipo 1 encontra-se diminuída nesses mutantes, o que poderia ser responsável pela diminuição do processo de adesão e invasão às células epiteliais. Nesse trabalho, demonstramos que o SST6 é importante para o processo de patogenicidade, visto que todos os mutantes tiveram sua virulência atenuada em experimentos realizados in vivo com uma significativa diminuição de características relacionadas à patogenicidade in vitro. Esses resultados demonstram que os genes estudados do SST6 influenciam a expressão da fímbria tipo 1 e contribuem para a patogênese desta linhagem APEC / Abstract: Avian pathogenic Escherichia coli (APEC) strains frequently cause extraintestinal infections and are responsible for significant economic losses in the poultry industry worldwide. APEC isolates are closely related to human extraintestinal pathogenic E. coli (ExPEC) strains and may also act as pathogens for humans. Known APEC virulence factors include adhesins such as type 1 fimbriae and curli, iron acquisition systems, and cytotoxins, among others. Here we demonstrated that APEC strain SEPT362, isolated from a septicemic hen, expresses a type VI secretion system (T6SS), causes cytoskeleton rearrangements, invades epithelial cells, replicates within macrophages, and causes lethal disease in chicks. To assess the contribution of the T6SS to SEPT362 pathogenesis, we generated three mutants, ?hcp (which encodes a protein suggessed to be both secreted and a structural component of the T6SS), ?clpV (encoding the T6SS ATPase) and ?icmF (intracellular multiplication factor). All mutants showed decreased adherence and invasion to HeLa cells and decrease in several other pathogenicity related characteristics. Transcriptome studies showed that the level of expression of type 1 fimbriae was decreased in these mutants, which may account for the diminished adhesion and invasion of epithelial cells. The T6SS seems to be important for the disease process, given that both mutants (?hcp and ?clpV) were attenuated in an infection model in chicks. These results suggest that the T6SS influences the expression of type 1 fimbriae and contributes to the pathogenesis of this APEC strain pathogenesis / Doutorado / Genetica de Microorganismos / Doutor em Genetica e Biologia Molecular

Orientador: Rodrigo Tavanelli Hernandes / Resumo: O principal mecanismo de virulência de Escherichia coli enteropatogênica (EPEC) é a capacidade de causar uma lesão histopatológica na mucosa intestinal denominada attaching and effacing (AE), caracterizada pela aderência íntima das bactérias, destruição das microvilosidades e formação de estruturas semelhantes a pedestais, ricos em F-actina, nos enterócitos infectados. Genes do locus of enterocyte effacement (região LEE) codificam todas as proteínas necessárias para a formação da lesão AE. As EPEC são divididas em típicas (tEPEC) e atípicas (aEPEC), com base na presença do EPEC adherence factor plasmid no primeiro grupo. A partir de um conjunto de sete amostras de aEPEC pertencentes ao sorotipo O2:H16, obtidos de surtos e casos esporádicos de diarreia, mostramos que cinco deles produziram uma adesão híbrida localizada/difusa (AL/AD) em células HeLa. Neste estudo, uma amostra de aEPEC deste sorotipo (282/14), que produziu o padrão AL/AD, foi selecionada para investigar as estruturas bacterianas envolvidas em seu fenótipo adesivo. Para este propósito, a amostra de aEPEC 282/14 foi mutagenizada usando o kit EZ::TN <R6Kyori/KAN-2> Tnp transposome kit, gerando uma biblioteca de inserções Tn5. Esses mutantes de inserção Tn5 foram testados quanto a perda ou redução da capacidade aderente, em ensaios realizados em 6 h de incubação com células HeLa. Dentre 320 clones pesquisados, nove foram considerados deficientes em sua capacidade de interagir com células epiteliais e quatro deles a... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The main virulence mechanism of enteropathogenic Escherichia coli (EPEC) is the capacity to cause a histopathological lesion on the intestinal mucosa, termed Attaching and Effacing (AE); characterized by intimate bacterial adherence, microvillus destruction and formation of F-actin rich pedestal-like structures, in infected enterocytes. Genes of the locus of enterocyte effacement (LEE region) encode all proteins necessary for AE lesion formation. EPEC are divided in typical (tEPEC) and atypical (aEPEC), based on the presence of the EPEC adherence factor plasmid in the former group. From a collection of seven aEPEC O2:H16, obtained from outbreak and sporadic cases of diarrhea, we showed that five of them produced a hybrid localized/diffuse adherence (LA/DA) in HeLa cells. In this study, we selected one aEPEC isolate of this serotype (282/14) that produced the LA/DA pattern, to investigate the bacterial structures involved in its adhesive phenotype. For this purpose, aEPEC 282/14 was mutagenized using the EZ::TN < R6Kyori/KAN-2 > Tnp transposome kit, generating a library of Tn5 insertions. These Tn5 insertion mutants were screened for non-adherent or less adherent mutants, in assays performed in 6 h of incubation with HeLa cells. Among the 320 clones screened, nine were considered deficient in their ability to interact with epithelial cells, and four of them presented the Tn5 insertion in genes within the LEE region, such as tir, escV, and grlR. In order to confirm the role of ... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Aeromonas spp. são bastonetes Gram negativos amplamente distribuídos nos ambientes aquáticos, com relatos de isolamento em água de abastecimento público e alimentos. Este micro-organismo possui potencial de causar doenças intestinais e extraintestinais cuja patogenicidade está associada a sua virulência multifatorial. Diversos determinantes de virulência de Aeromonas já foram identificados, incluindo sistemas de secreção de proteínas. O sistema de secreção tipo VI (SST6) é o mais recente sistema de secreção de proteínas identificado em bactérias cuja presença em estirpes no gênero Aeromonas pode implicar atividades de citotoxicidade para o hospedeiro, pois esse sistema é capaz de injetar moléculas efetoras dentro da célula, interferindo diretamente nos processos celulares. A fim de determinar a presença e analisar a distribuição dos genes hcp e vgrG codificadores das proteínas efetoras do SST6 em Aeromonas spp. o presente estudo examinou 119 cepas isoladas de diversas origens pela técnica da PCR após o desenho de oligonucleotídeos iniciadores específicos. Objetivamos ainda analisar a variabilidade genética interespecífica dos genes hcp e vgrG a partir de dados de sequenciamento. Os resultados obtidos indicaram a distribuição dos genes vgrG e hcp em 46% das cepas de Aeromonas hydrophila e Aeromonas caviae de diferentes origens. Entre as cepas de A. hydrophila a maior frequência foi observada nas cepas isoladas de humanos, onde todas foram positivas para os iniciadores que amplificaram um produto de 541 pb do gene vgrG e 418 pb do gene hcp. Entre as cepas de A. caviae, a incidência de genes vgrG e hcp foi mais elevada nas cepas isoladas de alface (60%) e peixes (50%). As cepas analisadas de origem ambiental apresentaram índice total de 36% de positividade, apresentando frequência de 60% e 22% em A. hydrophila e A. caviae, respectivamente. Os dados obtidos da análise de cepas de origem alimentar mostraram a presença dos genes vgrG e hcp em 67% (A. hydrophila) e 60% (A. caviae) das cepas isoladas de folhas de alface. Nas cepas isoladas de queijo os genes foram encontrados em 67% e 12,5% das cepas de A. hydrophila e de A. caviae, respectivamente. O alinhamento múltiplo entre as sequências dos segmentos dos genes hcp e vgrG obtidas no sequenciamento indicou grau de identidade nucleotídica de 75 a 100% entre as sequências de hcp e 80 a 100% entre as sequências de vgrG. Em conclusão, nossos resultados indicaram que os iniciadores desenhados foram capazes de detectar suas sequências alvo em cepas de A. caviae e outras espécies de Aeromonas, sugerindo a existência de homologia entre os genes nas diferentes espécies, confirmada após sequenciamento de DNA. Os dados indicaram que esses genes estão distribuídos em várias espécies de Aeromonas e em cepas isoladas de diversas fontes. Ressaltamos a prevalência de cepas de A. hydrophila PCR-positivas em isolados clínicos, sugerindo a participação do SST6 no complexo universo da virulência multifatorial que permeia esse micro-organismo / Aeromonas species are Gram negative bacilli distributed widely in aquatic environments, with reports of isolation of this microorganism in water for public supply and food. Aeromonas have the potential to cause intestinal and extra intestinal infections whose pathogenicity is associated with multifactorial virulence. A number of virulence determinants have already been identified in Aeromonas, including protein secretion systems. The type VI secretion system (T6SS) is the most recent pathway to secrete proteins identified in bacteria. The presence of T6SS in Aeromonas strains may involve activities of cytotoxicity to the host, since this system is capable of injecting effectors molecules into the cell, interfering directly with a variety of cellular processes. The present study examined 119 strains of different origins by PCR, after the design of specific primers, to determine the distribution of vgrG and hcp genes encoding the effector proteins of T6SS in Aeromonas spp. We aimed to further analyze the interspecific sequence variation of hcp and vgrG genes based on sequencing data. The results show the presence of hcp and vgrG genes in 46% of A. hydrophila and A. caviae strains from different sources. All A. hydrophila strains isolated from humans were positive for the primers used to amplify a product of 541 bp and 418 bp of vgrG and hcp genes, respectively. Among A. caviae strains, the incidence of hcp and vgrG genes was high in the strains isolated from lettuce (60%) and fish (50%). The overall PCR-positive rate of strains from environmental source was 36%, with a frequency of 60% and 22% in A. hydrophila and A. caviae, respectively. The data obtained from analysis of food-borne strains showed the presence of hcp and vgrG genes in 67% (A. hydrophila) and 60% (A. caviae) of strains isolated from lettuce, while in the strains isolated from cheese the frequency was 67% (A. hydrophila) and 12.5% (A. caviae). The multiple alignment of hcp and vgrG sequences obtained revealed nucleotide identity rate between 75-100% among the hcp sequences and 80-100% in vgrG sequences. In conclusion, our results indicate that the primers designed were able to detect their target sequences in strains of A. caviae and other Aeromonas species, suggesting the existence of homology between genes in different species, as confirmed after DNA sequencing. The data indicate that these genes are distributed in various Aeromonas species from different sources. We emphasize the prevalence of PCR-positive A. hydrophila strains in clinical samples suggesting the involvement of T6SS in the complex universe of multifactorial virulence, which permeates this microorganism

Aeromonas spp. são bastonetes Gram negativos amplamente distribuídos nos ambientes aquáticos, com relatos de isolamento em água de abastecimento público e alimentos. Este micro-organismo possui potencial de causar doenças intestinais e extraintestinais cuja patogenicidade está associada a sua virulência multifatorial. Diversos determinantes de virulência de Aeromonas já foram identificados, incluindo sistemas de secreção de proteínas. O sistema de secreção tipo VI (SST6) é o mais recente sistema de secreção de proteínas identificado em bactérias cuja presença em estirpes no gênero Aeromonas pode implicar atividades de citotoxicidade para o hospedeiro, pois esse sistema é capaz de injetar moléculas efetoras dentro da célula, interferindo diretamente nos processos celulares. A fim de determinar a presença e analisar a distribuição dos genes hcp e vgrG codificadores das proteínas efetoras do SST6 em Aeromonas spp. o presente estudo examinou 119 cepas isoladas de diversas origens pela técnica da PCR após o desenho de oligonucleotídeos iniciadores específicos. Objetivamos ainda analisar a variabilidade genética interespecífica dos genes hcp e vgrG a partir de dados de sequenciamento. Os resultados obtidos indicaram a distribuição dos genes vgrG e hcp em 46% das cepas de Aeromonas hydrophila e Aeromonas caviae de diferentes origens. Entre as cepas de A. hydrophila a maior frequência foi observada nas cepas isoladas de humanos, onde todas foram positivas para os iniciadores que amplificaram um produto de 541 pb do gene vgrG e 418 pb do gene hcp. Entre as cepas de A. caviae, a incidência de genes vgrG e hcp foi mais elevada nas cepas isoladas de alface (60%) e peixes (50%). As cepas analisadas de origem ambiental apresentaram índice total de 36% de positividade, apresentando frequência de 60% e 22% em A. hydrophila e A. caviae, respectivamente. Os dados obtidos da análise de cepas de origem alimentar mostraram a presença dos genes vgrG e hcp em 67% (A. hydrophila) e 60% (A. caviae) das cepas isoladas de folhas de alface. Nas cepas isoladas de queijo os genes foram encontrados em 67% e 12,5% das cepas de A. hydrophila e de A. caviae, respectivamente. O alinhamento múltiplo entre as sequências dos segmentos dos genes hcp e vgrG obtidas no sequenciamento indicou grau de identidade nucleotídica de 75 a 100% entre as sequências de hcp e 80 a 100% entre as sequências de vgrG. Em conclusão, nossos resultados indicaram que os iniciadores desenhados foram capazes de detectar suas sequências alvo em cepas de A. caviae e outras espécies de Aeromonas, sugerindo a existência de homologia entre os genes nas diferentes espécies, confirmada após sequenciamento de DNA. Os dados indicaram que esses genes estão distribuídos em várias espécies de Aeromonas e em cepas isoladas de diversas fontes. Ressaltamos a prevalência de cepas de A. hydrophila PCR-positivas em isolados clínicos, sugerindo a participação do SST6 no complexo universo da virulência multifatorial que permeia esse micro-organismo / Aeromonas species are Gram negative bacilli distributed widely in aquatic environments, with reports of isolation of this microorganism in water for public supply and food. Aeromonas have the potential to cause intestinal and extra intestinal infections whose pathogenicity is associated with multifactorial virulence. A number of virulence determinants have already been identified in Aeromonas, including protein secretion systems. The type VI secretion system (T6SS) is the most recent pathway to secrete proteins identified in bacteria. The presence of T6SS in Aeromonas strains may involve activities of cytotoxicity to the host, since this system is capable of injecting effectors molecules into the cell, interfering directly with a variety of cellular processes. The present study examined 119 strains of different origins by PCR, after the design of specific primers, to determine the distribution of vgrG and hcp genes encoding the effector proteins of T6SS in Aeromonas spp. We aimed to further analyze the interspecific sequence variation of hcp and vgrG genes based on sequencing data. The results show the presence of hcp and vgrG genes in 46% of A. hydrophila and A. caviae strains from different sources. All A. hydrophila strains isolated from humans were positive for the primers used to amplify a product of 541 bp and 418 bp of vgrG and hcp genes, respectively. Among A. caviae strains, the incidence of hcp and vgrG genes was high in the strains isolated from lettuce (60%) and fish (50%). The overall PCR-positive rate of strains from environmental source was 36%, with a frequency of 60% and 22% in A. hydrophila and A. caviae, respectively. The data obtained from analysis of food-borne strains showed the presence of hcp and vgrG genes in 67% (A. hydrophila) and 60% (A. caviae) of strains isolated from lettuce, while in the strains isolated from cheese the frequency was 67% (A. hydrophila) and 12.5% (A. caviae). The multiple alignment of hcp and vgrG sequences obtained revealed nucleotide identity rate between 75-100% among the hcp sequences and 80-100% in vgrG sequences. In conclusion, our results indicate that the primers designed were able to detect their target sequences in strains of A. caviae and other Aeromonas species, suggesting the existence of homology between genes in different species, as confirmed after DNA sequencing. The data indicate that these genes are distributed in various Aeromonas species from different sources. We emphasize the prevalence of PCR-positive A. hydrophila strains in clinical samples suggesting the involvement of T6SS in the complex universe of multifactorial virulence, which permeates this microorganism

Escherichia coli enteroinvasora (EIEC) é um dos agentes etiológicos da disenteria bacilar. Seu processo fisiopatológico é desencadeado pela expressão de fatores de virulência, que proporcionam sua invasão e sobrevivência nas células do hospedeiro, ativando o sistema imune inato e adaptativo da mucosa intestinal. Trabalhos recentes têm salientado a importância do sistema de secreção e da flagelina bacteriana como agonista de receptores da imuninade inata dos macrófagos, em especial alguns dos receptores do tipo NLR. Uma vez que esta espécie de E. coli também é capaz de expressar flagelina e fazer a montagem completa do flagelo e do sistema de secreção do tipo III, a nossa proposta foi avaliar o papel da flagelina e do sistema de secreção de EIEC na resposta imune dos macrófagos murinos. Para isso, utilizamos três cepas de EIEC: a cepa selvagem; a cepa mutante no gene responsável pela síntese da flagelina; e a cepa sem o plasmídio de virulência plnv, deficiente no sistema de secreção, para a infecção de macrófagos peritoniais de camundongos C57BI/6, caspase-1-/-, IPAF-/- e ASC-/-. Neste estudo foi possível observar que o escape bacteriano e a morte dos macrófagos infectados por EIEC, assim como a ativação da caspase-1 e posterior secreção de IL-1&#946; é independente da flagelina bacteriana, mas dependente do sistema de secreção, além disso, a ativação da caspase-1 de macrófagos infectados por EIEC é dependente do receptor IPAF e parcialmente da proteína adaptadora ASC. Assim, no nosso modelo, a ativação da caspase-1 dos macrófagos infectados por EIEC parece estar envolvida com o processamento e secreção de IL-1&#946; e, possivelmente na secreção de IL-18, mas não na morte celular. No modelo de infecção in vivo, o sistema de secreção bacteriano foi importante para a sobrevivência bacteriana no hospedeiro, assim como para a indução de uma resposta inflamatória no local da infecção. Ainda, a caspase-1 parece ter um papel importante para o controle da infecção in vivo por EIEC, podendo assim contribuir para uma resposta imune protetora do hospedeiro. / Enteroinvasive Escherichia coli (EIEC) is one of the etiologic agents responsible for bacillary dysentery. The pathophysiological process induced by this bacteria is triggered by the expression of virulence factors that provide the invasion and survival in host cells, resulting in activation of innate and adaptive immune system present on intestinal mucosa. Recent studies have emphasized the importance of the secretion system and bacterial flagellin as agonist of innate immune receptors present in macrophage, especially NLR (Nod like receptors). Then, our proposal was evaluate the role of flagellin (f1iC) and secretion system of EIEC in the induction of immune response of murine macrophages using the EIEC strains wild type (WT), mutant flagellin gene (f1iC), and a strain deficient in secretion system (DSS) for infection of peritoneal macrophages of C57Bl/6, caspase-1-/-, IPAF-/- and ASC-/-- mice. In this study we observed that the bacterial escape and death of infected macrophages with EIEC, the caspase-1 activation and subsequent IL-1&#946; secretion is independent of bacterial flagellin, but dependent of secretion system, moreover, the caspase-1 activation in infected macrophages is IPAF-dependent and partially dependent of the adapter protein ASC. Thus, in our model, the caspase-1 activation in EIEC infected macrophages seems to be involved with the processing and secretion of IL-1&#946; and possibly with the secretion of IL-18, but not involved with cell death. In the infection model in vivo, bacterial secretion system was important for bacterial survival in the host, as well as for the inflammatory response induction at the infection site. In addition, caspase-1 seems to have an important role to the control of in vivo infection by EIEC and can contribute to a protective immune response of the host.

Escherichia coli enteroinvasora (EIEC) é um dos agentes etiológicos da disenteria bacilar. Seu processo fisiopatológico é desencadeado pela expressão de fatores de virulência, que proporcionam sua invasão e sobrevivência nas células do hospedeiro, ativando o sistema imune inato e adaptativo da mucosa intestinal. Trabalhos recentes têm salientado a importância do sistema de secreção e da flagelina bacteriana como agonista de receptores da imuninade inata dos macrófagos, em especial alguns dos receptores do tipo NLR. Uma vez que esta espécie de E. coli também é capaz de expressar flagelina e fazer a montagem completa do flagelo e do sistema de secreção do tipo III, a nossa proposta foi avaliar o papel da flagelina e do sistema de secreção de EIEC na resposta imune dos macrófagos murinos. Para isso, utilizamos três cepas de EIEC: a cepa selvagem; a cepa mutante no gene responsável pela síntese da flagelina; e a cepa sem o plasmídio de virulência plnv, deficiente no sistema de secreção, para a infecção de macrófagos peritoniais de camundongos C57BI/6, caspase-1-/-, IPAF-/- e ASC-/-. Neste estudo foi possível observar que o escape bacteriano e a morte dos macrófagos infectados por EIEC, assim como a ativação da caspase-1 e posterior secreção de IL-1&#946; é independente da flagelina bacteriana, mas dependente do sistema de secreção, além disso, a ativação da caspase-1 de macrófagos infectados por EIEC é dependente do receptor IPAF e parcialmente da proteína adaptadora ASC. Assim, no nosso modelo, a ativação da caspase-1 dos macrófagos infectados por EIEC parece estar envolvida com o processamento e secreção de IL-1&#946; e, possivelmente na secreção de IL-18, mas não na morte celular. No modelo de infecção in vivo, o sistema de secreção bacteriano foi importante para a sobrevivência bacteriana no hospedeiro, assim como para a indução de uma resposta inflamatória no local da infecção. Ainda, a caspase-1 parece ter um papel importante para o controle da infecção in vivo por EIEC, podendo assim contribuir para uma resposta imune protetora do hospedeiro. / Enteroinvasive Escherichia coli (EIEC) is one of the etiologic agents responsible for bacillary dysentery. The pathophysiological process induced by this bacteria is triggered by the expression of virulence factors that provide the invasion and survival in host cells, resulting in activation of innate and adaptive immune system present on intestinal mucosa. Recent studies have emphasized the importance of the secretion system and bacterial flagellin as agonist of innate immune receptors present in macrophage, especially NLR (Nod like receptors). Then, our proposal was evaluate the role of flagellin (f1iC) and secretion system of EIEC in the induction of immune response of murine macrophages using the EIEC strains wild type (WT), mutant flagellin gene (f1iC), and a strain deficient in secretion system (DSS) for infection of peritoneal macrophages of C57Bl/6, caspase-1-/-, IPAF-/- and ASC-/-- mice. In this study we observed that the bacterial escape and death of infected macrophages with EIEC, the caspase-1 activation and subsequent IL-1&#946; secretion is independent of bacterial flagellin, but dependent of secretion system, moreover, the caspase-1 activation in infected macrophages is IPAF-dependent and partially dependent of the adapter protein ASC. Thus, in our model, the caspase-1 activation in EIEC infected macrophages seems to be involved with the processing and secretion of IL-1&#946; and possibly with the secretion of IL-18, but not involved with cell death. In the infection model in vivo, bacterial secretion system was important for bacterial survival in the host, as well as for the inflammatory response induction at the infection site. In addition, caspase-1 seems to have an important role to the control of in vivo infection by EIEC and can contribute to a protective immune response of the host.

Bacteria use specialized systems, called secretion systems, in order to translocate substrates to the environment or to other cells, or even to uptake molecules from the exterior environment. Six different secretion systems have been described in Gram-negative bacteria. The Type IV Secretion System (T4SS) is involved in translocation of virulence factors, bacterial conjugation, uptake and release of DNA, and in the secretion of antibacterial toxins. The T4SS channel corresponds to a toroidal upramolecular complex consisting of 14 repetitions of the VirB7-VirB9-VirB10 heterotrimer. This channel, also called \"core complex\", is divided in two layers, an outer layer consisting of the VirB7 lipoprotein in complex with the C-terminal domains of VirB9 (VirB9CT) and VirB10 (VirB10CT), and an inner layer composed by the N-terminal domains of VirB9 (VirB9NT) and VirB10 (VirB10NT). Xanthomonas citri pv. citri (Xac) is a gram-negative bacterium that infects citrus plants causing a disease called \"citrus canker\". Although not directly involved in causing the disease, the chromosomally encoded T4SS is responsible for the secretion of toxins, working as a bacterial killing machine (Souza et al., 2015). The three-dimensional structure of Xac\'s VirB7 obtained by Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy (PDB 2L4W) revealed that, unlike the canonical VirB7, Xac\'s VirB7 consists of a flexible N-terminal domain followed by a C-terminal globular domain. The flexible N-terminal tail is involved in interaction with VirB9CT. In this thesis, the NMR structure of the complex formed between VirB9CT and a peptide derived from the N-terminal tail of Xac-VirB7 (VirB7NT) was solved. This complex is stabilized by hydrophobic interactions involving the side chains of particular amino acid residues such as Phe30, Trp34 and Val37 in VirB7, and Arg250, Tyr167 and Tyr169 in VirB9. Mutations of such amino acids affect not only the stability of the VirB9:VirB7 complex in vitro, but also reduce the T4SS activity and impairs its assembly in vivo. Furthermore, the ability of forming VirB7:VirB7 oligomers is essential for a functional T4SS, although it is not required for assembling the complex. The structural propensity and flexibility of a fragment derived from the proline-rich region (PRR) of the N-terminal tail of VirB10 (VirB10NT - residues 85 to 182) were studied. Measurements of the {1H}-15N heteronuclear NOE showed that VirB10NT is highly flexible on a sub-nanosecond time scale. Analysis of chemical shifts and NOEs showed that the ensemble and time average conformation of VirB10NT consists of a short alpha helix between residues 151-163, and that this helix is involved in interactions with VirB9NT. These findings provide the first compelling evidence for the interaction between the N-terminal domains of VirB9 and VirB10, and for the existence of significant flexibility within Xacs T4SS. / Bactérias usam sistemas especializados, denominados sistemas de secreção, a fim de translocar substratos para o ambiente ou para outras células, ou até mesmo para capturar moléculas do meio externo. Seis diferentes sistemas de secreção foram descritos em bactérias gram-negativas. O Sistema de Secreção do Tipo IV (T4SS) está envolvido na translocação de fatores de virulência, conjugação bacteriana, absorção e liberação de DNA, e secreção de toxinas antibacterianas. O canal do T4SS (core complex) corresponde a um complexo formado por 14 repetições do heterotrimero VirB7-VirB9-VirB10. A camada externa deste canal é constituída por VirB7 em complexo com os domínios C-terminal de VirB9 (VirB9CT) e VirB10 (VirB10CT). Os domínios N-terminal de VirB9 (VirB9NT) e VirB10 (VirB10NT) formam a camada interna do core complex. Xanthomonas citri pv. citri (Xac) é uma bactéria gram-negativa que infecta plantas cítricas causando uma doença chamada \"cancro cítrico\". Embora não esteja diretamente envolvido na infecção, o T4SS cromossomal secreta toxinas capazes de matar outras bactérias gram-negativas. VirB7 de Xac possui uma cauda N-terminal flexível e um domínio globular C-terminal ausente em outras proteínas VirB7. VirB7 interage com VirB9CT através de sua cauda N-terminal. Nesta tese, a estrutura de RMN do complexo formado por VirB9CT e um peptídeo derivado do segmento N-terminal de VirB7 foi resolvida. O complexo é estabilizado, principalmente, por interações hidrofóbicas envolvendo as cadeias laterais de determinados resíduos de aminoácidos, particularmente a Phe30, o Trp34 e a Val37 em VirB7 e a Arg250, a Tyr167 e a Tyr169 em VirB9. A substituição de alguns destes aminoácidos por alanina afeta não só a constante de dissociação do complexo in vitro, como também a atividade e a montagem do T4SS in vivo. Além disso, resíduos específicos envolvidos em oligomerização de VirB7 são essenciais para a manutenção de um T4SS funcional, embora não sejam essenciais para a montagem do sistema. Estudos estruturais, de dinâmica e de interações de um fragmento derivado da região rica em prolinas (proline-rich region - PRR) contida no N-terminal de VirB10 (VirB10NT - resíduos 85-182) também foram realizados. Medidas de {1H}-15N NOE heteronuclear mostraram que VirB10NT é altamente flexível. Análises de deslocamentos químicos e NOEs mostrou que VirB10NT forma uma hélice curta entre os resíduos 151-163. Ensaios de interação por RMN indicaram que esta hélice está envolvida em interações com VirB9NT. Estes resultados são a primeira evidência convincente para a especificidade de interação entre os domínios N-terminal de VirB9 e VirB10. Estes dados apontam também para a existência de flexibilidade dentro do T4SS de Xac.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:51:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Anexos-Final.pdf: 7146890 bytes, checksum: bb4f151b856a0b67e03a2261753fccfe (MD5) Previous issue date: 2008-10-31 / Coordenacao de Aperfeicoamento de Pessoal de Nivel Superior / The type IV secretion system can be classified as a large family of macromolecule transporters divided in three recognized sub-families involved in different bacterial functions. The major sub-family of T4SS is the conjugation system, which allows transfer of genetic material as a nucleoprotein via cell contact among bacteria. Analogously to bacterial conjugation, the T4SS can transfer genetic material from bacteria to eukaryotic cells; such is the case of T-DNA transfer of Agrobacterium tumefaciens to host plant cells. The system of effector proteins transport constitutes the second sub-family, being indispensable for infection processes of several mammalian and plants pathogens. The third sub-family corresponds to the DNA uptake/release system involved in genetic transformation competence, independently of cell contact, as it was described to the systems VirB/D4 from Campylobacter jejuni and ComB form Helicobacter pylori. Several essential features of T4SS are well known, but the knowledge in support of an uncomplicated classification or proper protein annotation of system subunits remains confusing, which in same cases can avoid making inferences about evolution of the system in bacterial species. The purpose of this work was to organize, classify and integrate the knowledge about T4SS through building a database devoted to this bacterial secretion system. The T4SS database was created using the SGBD MySQL and Perl programming language and with a web interface (HTML/CGI) that gives access to the database. Currently, this database hold genomic data from 43 bacteria and 10 plasmids acquired from the GenBank NCBI, these organisms comprise groups from Actionobacteria to Gram-negative Proteobacteria including symbiotic and pathogenic bacteria. By applying Bidirectional Best-Hits method was possible to get a core set of 75 clusters with 974 proteins involved in the T4SS. Also, during this procedure BlastP, Muscle e ClustalW algorithms were applied. The database was manually annotated supported by cross references built-in the T4SS annotation pages, such as the UniProtKB/Swiss-Prot, COG, InterPro and TCDB as well as by the methods for signal peptide and transmembrane regions prediction. All T4SS protein records scattered into 75 ortholog clusters were organized into five different classes of type IV secretion system proteins: (i) Type IVA Mpf/T4CP; (ii) Type IVA Dtr; (iii) F-type plasmid; (iv) IncP-1-type plasmid; (v) Type IVB Icm/Dot. All 974 proteins were annotated into 68 well-known families, which can be involved in conjugation, effector translocator, DNA uptake/release or even can be bifunctional proteins. Also, by using the Maximum Likelihood method were built 70 unrooted phylogenetic trees that represents just 70 clusters instead of 75, this is due to five clusters had only two protein sequences, five unrooted phylogenetic trees were built for each group of first hierarchical classification, one unrooted phylogenetic trees including proteins from archetype systems of all groups, one unrooted phylogenetic trees from 16S sequence of each organism and one rooted tree including a sequence from a Gram-positive bacteria as an external group. The phylogenetic analyses show that some proteins of T4SS are more divergent than others, which indicate that for a particular function few sequence mutations were needed, but other proteins required many sequence mutations to get another functions. Thus, these results proved that proteins belong to the same cluster show different functions: conjugation, DNA uptake/release or effector translocator. Consequently, it was possible verify that similar functions were grouped together within phylogenetic tree, which allowed to annotate a probable function of some uncharacterized proteins, that is possibly due to the sequence similarity may reveal a similar evolution to get the same function. Thus, the phylogenetic trees allowed confirming the protein annotation as well as inferring whether uncharacterized proteins would encompass a known function. The T4SS database will be an open access, given to the users searching and submission sequence tools, which will permit to get insights about classification and phylogeny of T4SS sequence of interest. T4SS Database is accessible at the URL http://www.t4ss.lncc.br. / O T4SS pode ser classificado como uma família de transportadores de macromoléculas envolvidos em diferentes funções bacterianas. A maior subfamília do T4SS é a do sistema de conjugação, o qual permite a transferência de material genético entre bactérias. Analogamente à conjugação, o sistema pode transferir material genético entre bactérias e eucariotos, tal como a transferência de T-DNA de Agrobacterium tumefaciens. O sistema de transporte de proteínas efetoras constitui uma segunda subfamília do T4SS, sendo indispensável nos processos de infecção de vários patógenos de mamíferos e plantas. A última subfamília corresponde ao sistema DNA-uptake/release" que funciona independente de contato com uma célula alvo, representado pelos sistemas VirB/D4 de Campylobacter jejuni e ComB de Helicobacter pylori. Muitas características básicas do T4SS são bem conhecidas, entretanto o conhecimento para a classificação simples e intuitiva ou a anotação apropriada das proteínas ainda não está claro, impedindo em alguns casos estabelecer correlações evolutivas deste sistema em bactérias. O objetivo deste trabalho foi o de organizar, classificar e integrar o conhecimento do T4SS através da construção de um banco de dados especializado para este sistema secretório bacteriano. O banco de dados T4SS foi criado utilizando o SGBD MySQL e a linguagem de programação Perl e com uma interface web (HTML/CGI) que fornece acesso ao banco. Este banco consta atualmente com 43 genomas bacterianos e 10 plasmídeos obtidos do GenBank NCBI, estes organismos vão desde Actinobactérias até Proteobactérias Gram-negativas, incluindo simbiontes e patogênicos. Foi utilizada a metodologia do Bidirectional Best-Hits", com a qual foi possível obter um conjunto mínimo de 75 clusters" com 974 proteínas envolvidas no T4SS. Também, durante este procedimento foram utilizados os algoritmos BlastP, Muscle e ClustalW. O banco foi anotado manualmente utilizando referências cruzadas incluídas nas páginas de anotação do T4SS, tais como UniProtKB/Swiss-Prot, COG, InterPro e TCDB e métodos para predição de regiões de peptídeos sinal e transmembrana. As análises do banco T4SS permitiram criar uma classificação hierárquica e funcional para as proteínas do T4SS, consistindo em cinco grupos: (i) Type IVA Mpf/T4CP; (ii) Type IVA Dtr; (iii) F-type plasmid; (iv) IncP-1-type plasmid; (v) Type IVB Icm/Dot). As 974 proteínas foram anotadas em 68 famílias conhecidas, as quais podem estar envolvidas em conjugação, transferência de T-DNA, transferência de proteínas efetoras, DNA-uptake/release" ou bem serem proteínas bifuncionais. Também, através do método de máxima verossimilhança foram geradas 70 árvores filogenéticas não enraizadas (NR) representando apenas 70 clusters, já que cinco clusters apresentaram apenas duas seqüências de proteínas, cinco árvores filogenéticas NR foram criadas para cada grupo da primeira categoria hierárquica, uma árvore NR com representantes de todos os grupos, uma árvore NR gerada a partir das seqüências 16S de cada organismo e uma árvore de um cluster incluindo uma seqüência de bactéria Gram-positiva como grupo externo. As análises filogenéticas mostram que determinadas proteínas do sistema são mais divergentes que outras, indicando que para uma determinada função poucas mutações de seqüências foram necessárias, já outras proteínas precisaram de maiores mutações para adquirir outras funções. Por isso, verifica-se que proteínas de um mesmo cluster apresentam diferentes funções: conjugação, DNA-uptake/release", traslocadores de proteínas efetoras. Conseqüentemente, foi possível verificar que funções semelhantes se agruparam juntas nas árvores filogenéticas, permitindo anotar uma função provável das proteínas ainda não caracterizadas ( unknown"), isto possivelmente devido a que em virtude de sua semelhança de seqüências, possivelmente evoluíram para realizar a mesma função. Assim, as arvores possuíram a finalidade de confirmar a anotação e contribuíram permitindo inferir se os unknown" ou probable" podem ser de uma determinada classificação funcional. O banco T4SS será de uso público, oferecendo ao usuário ferramentas de buscas e submissão de seqüências, as quais permitirão inferir respostas sobre a classificação e filogenia da seqüência T4SS de interesse. O banco de dados T4SS pode ser acessado na URL: http://www.t4ss.lncc.br.

Xanthomonas axonopodis pv. citri (Xac) é o causador do cancro de plantas cítricas. Entre os potenciais fatores de virulência codificados por Xac, está o Sistema de Secreção do Tipo IV (T4SS), um grande complexo multiprotéico que atravessa o periplasma e as membranas interna e externa de bactérias Gram-negativas. O T4SS está envolvido com secreção de proteínas e/ou DNA para o meio extracelular ou diretamente no interior da célula do hospedeiro. Este Sistema requer tipicamente 12 proteínas para realizar suas funções: VirB1-VirB11 e VirD4. O T4SS codificado pelo cromossomo de Xac está aparentemente incompleto, devido a não codificar nenhuma proteína com similaridade de seqüência a VirB7. Os objetivos deste trabalho são estudar a estrutura, função e interações das proteínas do T4SS de Xanthomonas. Foram clonados 23 genes que codificam proteínas ou domínios relacionados ao T4SS, e os polipeptídeos foram produzidos de forma recombinante em E. coli. Treze deles foram purificados e submetidos a estudos estruturais, espectroscópicos e de interações proteína-proteína. A estrutura em solução de Xac262224-139 foi resolvida, apresentando uma região N-terminal desenovelada de aproximadamente 30 resíduos e um domínio globular. Este polipeptídeo oligomeriza em troca química rápida na escala de tempo de RMN e o seu N-terminal desenovelado reconhece o domínio C-terminal de VirB9 (VirB9154-255) em troca lenta. Análise de RMN demonstrou que VirB9154-255 possui uma estrutura flexível em solução, sofrendo uma marcante mudança conformacional na presença de Xac262224-139. Ambas proteínas se tornam rígidas após a interação. Xac2622 é o equivalente a VirB7 em Xanthomonas, baseado na localização do seu gene no lócus do T4SS, localização subcelular predita do polipeptídeo codificado e sua interação com VirB9. Porém, diferente de outras proteínas da família VirB7, Xac2622 possui um domínio globular adicional, com topologia e estrutura similares a domínios presentes apenas em proteínas associadas à membrana externa de bactérias Gram-negativas. Nocaute do gene xac2622, contudo, não afetou a virulência de Xac na infecção de plantas de laranja pêra. O domínio enovelado de Xac2622 foi cristalizado, e os cristais obtidos difrataram até uma resolução de 1,0 Å, pertencendo ao grupo espacial C2221. O modelo preliminar possui Rfactor de 0,121 e Rfree de 0,147. Foram obtidos cristais de outras 3 proteínas relacionadas ao T4SS de Xac, porém somente um deles difratou em alta resolução (2,0 Å, pertencendo ao grupo espacial C2). O potencial sinal de secreção pelo T4SS de Xanthomonas é um domínio C-terminal conservado de aproximadamente 115 resíduos, encontrado nos substratos putativos do T4SS. Caracterizamos um destes domínios, presente na proteína Xac2609, e ele é intrinsicamente desestruturado. Essa observação pode ter implicações funcionais, visto que os substratos são desenovelados antes de sua passagem pelo canal de secreção do T4SS / Xanthomonas axonopodis pv. citri (Xac) is a gram-negative bacterial phytopathogen that infects citrus. One possible virulence determinant is a chromosomally encoded Type IV Secretion System (T4SS), a multiprotein complex that spans the bacterial periplasm and both inner and outer membranes. The T4SS is used by some bacteria to secrete proteins and/or DNA to the extracellular milieu or the host interior. The model T4SS from Agrobacterium tumefaciens is made up of twelve structural proteins: VirB1-VirB11 and VirD4. The Xanthomonas T4SS is apparently incomplete because of the lack of a polypeptide with sequence similarity to VirB7. The aim of this project is the study of structure-function relationships in the Xanthomonas T4SS. Twenty-three T4SS protein-coding genes, including full-length proteins or domains, were cloned and the proteins were produced in different E. coli strains. Thirteen polypeptides were purified and some of them were submitted to structural, spectroscopic and protein-protein interaction studies. We used NMR to solve the solution structure of Xac262224-139 which consists of an unfolded N-terminal segment of ~30 residues followed by a globular domain. Xac262224-139 oligomerizes in fast exchange at the NMR time scale and interacts via its unfolded N-terminus with the VirB9 C-terminus (VirB9154-255) in slow exchange. NMR analysis showed that VirB9154-255 has a flexible structure in solution. However, this polypeptide undergoes a significant conformational modification in the presence of Xac2622,24-139 and both proteins become rigid upon interaction. Xac2622 is the Xanthomonas VirB7, based on the chromosomal localization of its gene, predicted subcellular localization and protein interaction analysis. But surprisingly, unlike other VirB7 proteins, Xac2622 has an extra C-terminal folded domain whose topology and structure are strikingly similar to that of periplasmic domains found in outer membrane proteins of many bacterial Secretion Systems. Knockout of the xac2622 gene, however, does not affect the Xac virulence in orange leaf infection assays. The Xac2622 folded domain was also crystallized, and these crystals diffracted up to 1.0 Å resolution and belong to the space group C2221. The preliminary refined model has Rfactor of 0.121 and Rfree of 0.147. Crystals of three other T4SS proteins have been obtained, but only one of them diffracted to high resolution (2.0 Å; space group C2). Xac2610 is a hypothetical protein whose gene is located in the T4SS locus, and its interactions were studied with VirB9, VirB11 and Xac2609, a putative T4SS substrate. The potential T4SS secretion signal is a conserved, approximately 115 residues, C-terminal domain found in the putative substrates of the Xanthomonas T4SS. This sequence mediates interactions with VirD4. We have characterized this domain from one substrate and it is mainly unfolded. This observation may have functional implications, as the substrates are unfolded before their secretion through the T4SS channel