Gram-positive pathogenic bacteria utilize cell-surface anchored proteins to bind and transport heme into the cell. These bacteria acquire iron from host proteins containing heme e.g., hemoglobin. Proteins like HmuT from Corynebacterium diphtheriae bind and help transport heme into the cell. Residues His136 and Tyr235 are utilized as the axial ligands, with a conserved Arg237 residue acting as the hydrogen bonding partner to the axial Tyr235. Similarly, Streptococcus pyogenes utilizes the cell anchored protein Shr to transfer heme into the cell. Shr-NEAT2 is hexacoordinated by two axial methionines and is prone to autoreduction where lysines are the most likely source of electrons. Lastly, PefR of Group A Streptococcus is a DNA transcription factor which regulates protein expression. Preliminary studies indicate a cysteine may coordinate the heme. A combination of UV-visible, resonance Raman, and magnetic circular dichroism spectroscopies shows these proteins play a crucial role heme transport and regulation.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A vacina anti-diftérica de uso corrente no Brasil (DTP), embora de alta eficácia na prevenção da difteria, está associada com episódios de toxicidade e reatogenicidade no recipiente vacinal, resultantes de proteínas residuais derivadas do processo de produção ou detoxificação. Estratégias para o desenvolvimento de vacinas menos reatogênicas e ao mesmo tempo mais eficazes e economicamente viáveis contra a difteria têm sido alvo de intensa investigação. A alternativa proposta por nosso grupo é a utilização da vacina contra a tuberculose (Mycobacterium bovis BCG sub-cepa Moreau), como vetor do gene que codifica o fragmento B da toxina diftérica (dtb) de 58,3 kDa. Neste trabalho o dtb foi clonado no vetor micobacteriano bifuncional (pUS977) de expressão citoplasmática e os clones recombinantes (pUS977dtbPW8), após a transformação do BCG, foram testados com relação a expressão do DTB em BCG e quanto a antigenicidade frente a anticorpos policlonais anti-toxóide diftérico por Immunobloting. A integridade do gene dtb e a identidade das sequências de DNA da construção plasmidial pUS977dtbPW8 foram confirmadas por sequenciamento de DNA e análise de similaridade. A imunogenicidade do BCGr pUS977dtbPW8 expressando o DTB foi investigada em camundongos BALB/c, os resultados obtidos revelaram uma soroconversão específica (IgG). A infectividade e atividade microbicida do BCGr pUS977dtbPW8 no ambiente intracelular foi avaliada através da infecção de linhagens de células de monócitos humano (THP-1), os dados obtidos indicaram que houve sobrevivência intracelular em até 12 dias. Nesse contexto, esplenócitos dos camundongos imunizados com 30 e 60 dias foram extraídos, mostrando que o BCGr pUS977dtbPW8 persistiu até 60 dias na ausência de pressão seletiva e a viabilidade celular não sofreu alteração significativa durante o período testado. Por outro lado, o BCGr pUS977dtbPW8, quando submetido a seis sub-cultivos consecutivos in vitro não apresentou diferença significativa na capacidade de expressar o DTB, demonstrando portanto a persistência da estabilidade funcional da linhagem recombinante. A estabilidade estrutural da construção pUS977dtbPW8 também foi avaliada por PCR confirmando a presença do gene dtb em colônias do BCGr pUS977dtbPW8 . Adicionalmente, foi possível avaliar preliminarmente in vitro a capacidade soroneutralizante dos soros de camundongos imunizados com BCGr pUS977dtbPW8 após 30 e 60 dias em células VERO. A ação citotóxica da toxina diftérica entre as diluições de 1/4 e 1/16 foram neutralizadas com o pool de soros imunes com 60 dias. Finalmente, em nosso estudo foi possível avaliar o potencial da vacina BCG como vetor de expressão de um antígeno de Corynebacterium diphtheriae in vitro e in vivo. / The diphtheria vaccine currently used in Brazil (DTP), despite its history of high efficacy in the prevention of diphtheria, is associated with episodes of toxicity and vaccine reactogenicity in the vaccinee, resulting from the presence in the vaccine of residual proteins derived from the production process or detoxification. Strategies for the development of new vaccines more effective and economically viable against diphtheria have been the subject of intense investigation. The alternative proposed by our group is the use of the vaccine against tuberculosis (Mycobacterium bovis BCG Moreau sub strain) as a vector for the gene that encodes the 58.3 kDa fragment B of the diphtheria toxin (DTB). In our project the dtb gene was cloned into the bifunctional vector pUS977 for cytoplasmic expression and recombinant BCG (rBCG) clones, selected after transformation of BCG, were tested for expression of the DTB polypeptide and antigenicity against polyclonal antibodies anti- diphtheria toxoid by immunoblotting. The integrity and identity of the DNA sequence encoding the dtb gene carried by the plasmid construct pUS977dtbPW8 was confirmed by DNA Sequencing and Analysis of Similarity. The immunogenicity of the rBCG expressing the DTB was investigated in BALB/c mice and the results revealed a specific seroconversion (IgG). Also, infectivity and microbicidal activity were analyzed in the intracellular environment by infecting human monocytes (THP-1 cell line) with rBCG. The data obtained indicated intracellular survival within 12 days. In this context, splenocytes collected from mice at days 30 and 60 after immunization were removed and assayed for live bacteria. The results showed that rBCG persisted viable up to 60 days in the absence of selective pressure and cell viable counts did not change significantly during testing. Additionally, the rBCG subjected to six consecutive sub-cultures in vitro showed no significant difference in the ability to express the DTB, thus demonstrating the functional stability of the recombinant vaccine. The structural stability of the construct pUS977dtbPW8 was also confirmed by PCR detection of the dtb gene in rBCG colonies. Also, it was possible to have a preliminary evaluation of the neutralizing capacity of sera from mice immunized with BCGr 30 and 60 days after immunization. The cytotoxic action of diphtheria toxin, between dilutions 1/ 4 and 1/16, was neutralized by mice sera in an in vitro assay using VERO cells. Finally, in our study it was possible to evaluate the potential of BCG as a vector for expression of an antigen of Corynebacterium diphtheriae in vitro and in vivo.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A vacina anti-diftérica de uso corrente no Brasil (DTP), embora de alta eficácia na prevenção da difteria, está associada com episódios de toxicidade e reatogenicidade no recipiente vacinal, resultantes de proteínas residuais derivadas do processo de produção ou detoxificação. Estratégias para o desenvolvimento de vacinas menos reatogênicas e ao mesmo tempo mais eficazes e economicamente viáveis contra a difteria têm sido alvo de intensa investigação. A alternativa proposta por nosso grupo é a utilização da vacina contra a tuberculose (Mycobacterium bovis BCG sub-cepa Moreau), como vetor do gene que codifica o fragmento B da toxina diftérica (dtb) de 58,3 kDa. Neste trabalho o dtb foi clonado no vetor micobacteriano bifuncional (pUS977) de expressão citoplasmática e os clones recombinantes (pUS977dtbPW8), após a transformação do BCG, foram testados com relação a expressão do DTB em BCG e quanto a antigenicidade frente a anticorpos policlonais anti-toxóide diftérico por Immunobloting. A integridade do gene dtb e a identidade das sequências de DNA da construção plasmidial pUS977dtbPW8 foram confirmadas por sequenciamento de DNA e análise de similaridade. A imunogenicidade do BCGr pUS977dtbPW8 expressando o DTB foi investigada em camundongos BALB/c, os resultados obtidos revelaram uma soroconversão específica (IgG). A infectividade e atividade microbicida do BCGr pUS977dtbPW8 no ambiente intracelular foi avaliada através da infecção de linhagens de células de monócitos humano (THP-1), os dados obtidos indicaram que houve sobrevivência intracelular em até 12 dias. Nesse contexto, esplenócitos dos camundongos imunizados com 30 e 60 dias foram extraídos, mostrando que o BCGr pUS977dtbPW8 persistiu até 60 dias na ausência de pressão seletiva e a viabilidade celular não sofreu alteração significativa durante o período testado. Por outro lado, o BCGr pUS977dtbPW8, quando submetido a seis sub-cultivos consecutivos in vitro não apresentou diferença significativa na capacidade de expressar o DTB, demonstrando portanto a persistência da estabilidade funcional da linhagem recombinante. A estabilidade estrutural da construção pUS977dtbPW8 também foi avaliada por PCR confirmando a presença do gene dtb em colônias do BCGr pUS977dtbPW8 . Adicionalmente, foi possível avaliar preliminarmente in vitro a capacidade soroneutralizante dos soros de camundongos imunizados com BCGr pUS977dtbPW8 após 30 e 60 dias em células VERO. A ação citotóxica da toxina diftérica entre as diluições de 1/4 e 1/16 foram neutralizadas com o pool de soros imunes com 60 dias. Finalmente, em nosso estudo foi possível avaliar o potencial da vacina BCG como vetor de expressão de um antígeno de Corynebacterium diphtheriae in vitro e in vivo. / The diphtheria vaccine currently used in Brazil (DTP), despite its history of high efficacy in the prevention of diphtheria, is associated with episodes of toxicity and vaccine reactogenicity in the vaccinee, resulting from the presence in the vaccine of residual proteins derived from the production process or detoxification. Strategies for the development of new vaccines more effective and economically viable against diphtheria have been the subject of intense investigation. The alternative proposed by our group is the use of the vaccine against tuberculosis (Mycobacterium bovis BCG Moreau sub strain) as a vector for the gene that encodes the 58.3 kDa fragment B of the diphtheria toxin (DTB). In our project the dtb gene was cloned into the bifunctional vector pUS977 for cytoplasmic expression and recombinant BCG (rBCG) clones, selected after transformation of BCG, were tested for expression of the DTB polypeptide and antigenicity against polyclonal antibodies anti- diphtheria toxoid by immunoblotting. The integrity and identity of the DNA sequence encoding the dtb gene carried by the plasmid construct pUS977dtbPW8 was confirmed by DNA Sequencing and Analysis of Similarity. The immunogenicity of the rBCG expressing the DTB was investigated in BALB/c mice and the results revealed a specific seroconversion (IgG). Also, infectivity and microbicidal activity were analyzed in the intracellular environment by infecting human monocytes (THP-1 cell line) with rBCG. The data obtained indicated intracellular survival within 12 days. In this context, splenocytes collected from mice at days 30 and 60 after immunization were removed and assayed for live bacteria. The results showed that rBCG persisted viable up to 60 days in the absence of selective pressure and cell viable counts did not change significantly during testing. Additionally, the rBCG subjected to six consecutive sub-cultures in vitro showed no significant difference in the ability to express the DTB, thus demonstrating the functional stability of the recombinant vaccine. The structural stability of the construct pUS977dtbPW8 was also confirmed by PCR detection of the dtb gene in rBCG colonies. Also, it was possible to have a preliminary evaluation of the neutralizing capacity of sera from mice immunized with BCGr 30 and 60 days after immunization. The cytotoxic action of diphtheria toxin, between dilutions 1/ 4 and 1/16, was neutralized by mice sera in an in vitro assay using VERO cells. Finally, in our study it was possible to evaluate the potential of BCG as a vector for expression of an antigen of Corynebacterium diphtheriae in vitro and in vivo.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / A difteria é uma síndrome toxêmica causada pelo Corynebacterium diphtheriae. Embora programas de imunização mantenham a doença sob controle em países desenvolvidos, a difteria ainda permanece endêmica em diversas partes do mundo, especialmente em indivíduos parcialmente imunizados para toxina diftérica. Junto a isso, nos últimos 20 anos, tem-se observado a ocorrência crescente de quadros de infecções sistêmicas causados por cepas atoxinogênicas. A penicilina e eritromicina são as principais drogas de escolha no tratamento destas infecções, entretanto, a escassez de trabalhos reavaliando a terapia de escolha e a influência dos antibióticos no processo de interação bacteriana com células epiteliais humanas são escassos, logo compreendem aspectos que justificam o presente estudo. O objetivo principal deste projeto consiste na análise da influência do pré-tratamento de células epiteliais Hep-2 com os antimicrobianos penicilina e eritromicina na colonização e viabilidade intracelular de amostras de C. diphtheriae. As monocamadas foram submetidas ao tratamento prévio com doses séricas terapêuticas de penicilina (5g mL1) e eritromicina (1,92 g mL1) por 24 horas e os antibióticos foram removidos por lavagens com PBS antes da interação com a suspensão bacteriana (MOI de 107). Três horas após a infecção, o padrão de aderência foi investigado como também, realizada a análise das bactérias viáveis associadas e internalizadas nas monocamadas. O pré-tratamento com penicilina induziu a formação de perfil de aderência difuso (AD) pelas amostras estudadas. Microorganismos que normalmente apresentam padrão de aderência localizado (AL) passaram a expressar perfil (AD) após pré-tratamento das camadas com ambos antimicrobianos. A expressão do tipo agregativo (AA) não foi influenciada pela presença de eritromicina. A penicilina e a eritromicina reduziram o número de bactérias viáveis associadas às células HEp-2 na maioria das oportunidades. Entretanto, a penicilina interferiu em maior magnitude nesse processo. As três amostras invasoras de C. diphtheriae (HC01, HC04 e BR5015), apresentaram maior capacidade de sobrevivência no compartimento intracelular, independente do pré-tratamento. A expressão dos perfis de aderência assim como a capacidade de sobrevivência no compartimento intracelular frente aos antimicrobianos testados mostraram-se independentes da produção de toxina e dos percentuais de associação com as células HEp-2. Foi observada uma maior eficiência da eritromicina na eliminação de bactérias viáveis internalizadas reforçando a utilização clínica da eritromicina tanto no tratamento de pacientes quanto na erradicação do estado de portador. Novos estudos serão desenvolvidos para investigar alterações na expressão de fatores de virulência por amostras de C. diphtheriae na interação com células HEp-2 pré-tratadas com antimicrobianos e a influência sobre a evolução clínica das infecções por corinebactérias / Diphtheria is a syndrome caused by Toxigenic Corynebacterium diphtheriae. Although immunization programs have kept diphtheria under control in the great majority of developed countries, the disease remains endemic in many parts of the world, especially in individuals partially immunized to diphtheria toxoid. Additionally, an increase in the number of cases of systemic infections caused by non-toxigenic strains has been observed along the last 20 years. Penicillin and erythromycin have long been the drugs of choice for the treatment of C. diphtheriae infections, though the studies reviewing the choice of treatment and the influence of antibiotics in the process of bacterial interaction with human epithelial cells are scarce, and comprise the aspects that justify the present investigation. The main objective was to analyze the influence of pre-treatment of HEp-2 epithelial cells with the penicillin and erythromycin in adherence and intracellular viability of C. diphtheriae strains. HEp-2 monolayers were pre-treated for 24 hours with the serum concentration doses of penicillin (5g mL-1) and erythromycin (1.92 mg mL-1), and antibiotics were removed by washing with PBS before infection with bacterial suspension (MOI of 107). Three hours post-infection, the adherence pattern was investigated, and both percentage of viable cell-associated bacteria and intracellular bacteria was determined. Penicillin treatment induced the bacterial strains to exhibit diffuse adherence patterns (DA). Microorganisms that usually express localized adherence patterns (LA) began to express DA pattern after pre-treatment of monolayers with both antibiotics. Erythromycin did not influence the aggregative adherence pattern (AA). Penicillin and erythromycin reduced the number of viable HEp-2 cell-associated bacteria for the most of the strains. However, penicillin interfered in this process in a greater magnitude. The C. diphtheriae invasive strains (HC01, HC04 and BR5015) showed higher ability to survive within the intracellular compartment, regardless of pre-treatment. The expression of adherence patterns as well as the ability to survive in the intracellular environment of pre-treated cells, proved to be independent of toxin production and the usual percentage of association with HEp-2 cells. A higher efficiency in the reduction of intracellular viability with the use of erythromycin was observed for the majority of strains, and reinforces the clinical use of erythromycin in the treatment of patients alongside the eradication of the carrier state. Further studies will be necessary to investigate the changes in the expression of virulence factors in C. diphtheriae during the interaction with HEp-2 cells pre-treated with antimicrobials and the influence on the clinical evolution of corynebacterial infections

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / A difteria é uma síndrome toxêmica causada pelo Corynebacterium diphtheriae. Embora programas de imunização mantenham a doença sob controle em países desenvolvidos, a difteria ainda permanece endêmica em diversas partes do mundo, especialmente em indivíduos parcialmente imunizados para toxina diftérica. Junto a isso, nos últimos 20 anos, tem-se observado a ocorrência crescente de quadros de infecções sistêmicas causados por cepas atoxinogênicas. A penicilina e eritromicina são as principais drogas de escolha no tratamento destas infecções, entretanto, a escassez de trabalhos reavaliando a terapia de escolha e a influência dos antibióticos no processo de interação bacteriana com células epiteliais humanas são escassos, logo compreendem aspectos que justificam o presente estudo. O objetivo principal deste projeto consiste na análise da influência do pré-tratamento de células epiteliais Hep-2 com os antimicrobianos penicilina e eritromicina na colonização e viabilidade intracelular de amostras de C. diphtheriae. As monocamadas foram submetidas ao tratamento prévio com doses séricas terapêuticas de penicilina (5g mL1) e eritromicina (1,92 g mL1) por 24 horas e os antibióticos foram removidos por lavagens com PBS antes da interação com a suspensão bacteriana (MOI de 107). Três horas após a infecção, o padrão de aderência foi investigado como também, realizada a análise das bactérias viáveis associadas e internalizadas nas monocamadas. O pré-tratamento com penicilina induziu a formação de perfil de aderência difuso (AD) pelas amostras estudadas. Microorganismos que normalmente apresentam padrão de aderência localizado (AL) passaram a expressar perfil (AD) após pré-tratamento das camadas com ambos antimicrobianos. A expressão do tipo agregativo (AA) não foi influenciada pela presença de eritromicina. A penicilina e a eritromicina reduziram o número de bactérias viáveis associadas às células HEp-2 na maioria das oportunidades. Entretanto, a penicilina interferiu em maior magnitude nesse processo. As três amostras invasoras de C. diphtheriae (HC01, HC04 e BR5015), apresentaram maior capacidade de sobrevivência no compartimento intracelular, independente do pré-tratamento. A expressão dos perfis de aderência assim como a capacidade de sobrevivência no compartimento intracelular frente aos antimicrobianos testados mostraram-se independentes da produção de toxina e dos percentuais de associação com as células HEp-2. Foi observada uma maior eficiência da eritromicina na eliminação de bactérias viáveis internalizadas reforçando a utilização clínica da eritromicina tanto no tratamento de pacientes quanto na erradicação do estado de portador. Novos estudos serão desenvolvidos para investigar alterações na expressão de fatores de virulência por amostras de C. diphtheriae na interação com células HEp-2 pré-tratadas com antimicrobianos e a influência sobre a evolução clínica das infecções por corinebactérias / Diphtheria is a syndrome caused by Toxigenic Corynebacterium diphtheriae. Although immunization programs have kept diphtheria under control in the great majority of developed countries, the disease remains endemic in many parts of the world, especially in individuals partially immunized to diphtheria toxoid. Additionally, an increase in the number of cases of systemic infections caused by non-toxigenic strains has been observed along the last 20 years. Penicillin and erythromycin have long been the drugs of choice for the treatment of C. diphtheriae infections, though the studies reviewing the choice of treatment and the influence of antibiotics in the process of bacterial interaction with human epithelial cells are scarce, and comprise the aspects that justify the present investigation. The main objective was to analyze the influence of pre-treatment of HEp-2 epithelial cells with the penicillin and erythromycin in adherence and intracellular viability of C. diphtheriae strains. HEp-2 monolayers were pre-treated for 24 hours with the serum concentration doses of penicillin (5g mL-1) and erythromycin (1.92 mg mL-1), and antibiotics were removed by washing with PBS before infection with bacterial suspension (MOI of 107). Three hours post-infection, the adherence pattern was investigated, and both percentage of viable cell-associated bacteria and intracellular bacteria was determined. Penicillin treatment induced the bacterial strains to exhibit diffuse adherence patterns (DA). Microorganisms that usually express localized adherence patterns (LA) began to express DA pattern after pre-treatment of monolayers with both antibiotics. Erythromycin did not influence the aggregative adherence pattern (AA). Penicillin and erythromycin reduced the number of viable HEp-2 cell-associated bacteria for the most of the strains. However, penicillin interfered in this process in a greater magnitude. The C. diphtheriae invasive strains (HC01, HC04 and BR5015) showed higher ability to survive within the intracellular compartment, regardless of pre-treatment. The expression of adherence patterns as well as the ability to survive in the intracellular environment of pre-treated cells, proved to be independent of toxin production and the usual percentage of association with HEp-2 cells. A higher efficiency in the reduction of intracellular viability with the use of erythromycin was observed for the majority of strains, and reinforces the clinical use of erythromycin in the treatment of patients alongside the eradication of the carrier state. Further studies will be necessary to investigate the changes in the expression of virulence factors in C. diphtheriae during the interaction with HEp-2 cells pre-treated with antimicrobials and the influence on the clinical evolution of corynebacterial infections

Corynebacterium diphtheriae, Pseudomonas aeruginosa, Ricinus communis, Shigella dysentariae, and Vibrio cholerae produce AB toxins which share the same basic structural characteristics: a catalytic A subunit attached to a cell-binding B subunit. All AB toxins have cytosolic targets despite an initial extracellular location. AB toxins use different methods to reach the cytosol and have different effects on the target cell. Broad-spectrum inhibitors against these toxins are therefore hard to develop because they use different surface receptors, entry mechanisms, enzyme activities, and cytosolic targets. We have found that grape seed extract provides resistance to five different AB toxins: diphtheria toxin (DT), P. aeruginosa exotoxin A (ETA), ricin, Shiga toxin, and cholera toxin (CT). To identify individual compounds in grape seed extract that are capable of inhibiting the activities of these AB toxins, we screened twenty common phenolic compounds of grape seed extract for anti-toxin properties. Three compounds inhibited DT, four inhibited ETA, one inhibited ricin, and twelve inhibited CT. Additional studies were performed to determine the mechanism of inhibition against CT. Two compounds inhibited CT binding to the cell surface and even stripped bound CT off the plasma membrane of a target cell. Two other compounds inhibited the enzymatic activity of CT. We have thus identified individual toxin inhibitors from grape seed extract and some of their mechanisms of inhibition against CT. This work will help to formulate a defined mixture of phenolic compounds that could potentially be used as a therapeutic against a broad range of AB toxins.