Leptospira Interrogans”
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MARINA VON ATZINGEN DOS REIS “Expressão, purificação e caracterização de proteínas de superfície de Leptospira interrogans”. Tese apresentada ao Programa de Pós- Graduação Interunidades em Biotecnologia (USP / Instituto Butantan / IPT), para obtenção do título de Doutor em Biotecnologia. São Paulo 2009 MARINA VON ATZINGEN DOS REIS “Expressão, purificação e caracterização de proteínas de superfície de Leptospira interrogans”. Tese apresentada ao Programa de Pós- Graduação Interunidades em Biotecnologia (USP / Instituto Butantan / IPT), para obtenção do título de Doutor em Biotecnologia. Área de concentração: Biotecnologia Orientadora: Dra. Ana Lúcia Tabet Oller do Nascimento São Paulo 2009 Aos meus pais, Vitor e Yara, responsáveis pela minha formação desde o principio; Ao meu esposo, José Edson, pelo incentivo e apoio constante durante esta etapa acadêmica. Agradecimentos Aproveito para registrar meus agradecimentos àqueles e às instituições que de várias maneiras contribuíram para a realização dessa Tese de Doutorado. À Dra. Ana Lúcia Tabet Oller do Nascimento pela orientação, confiança e incentivo, fundamentais para o bom desenvolvimento desta tese e para minha formação. À Dra. Márcia Gamberini e ao Dr. Ricardo M. Gómez pela amizade e ajuda inestimável durante o Projeto Piloto Funcional do Genoma da L. interrogans e minha iniciação científica que serviram de base para o desenvolvimento técnico dessa tese. Ao professor Dr. Sílvio A. Vasconcellos, Ms. Amane P. Gonçales, Zenáide M. de Moraes e Gisele do Laboratório de Zoonose da Faculdade de Medicina Veterinária da USP pela colaboração com as culturas de leptospiras e ensaios de imunoproteção em hamster. À professora Dra. Eliete C. Romero do Instituto Adolfo Lutz pela colaboração com os soros de pacientes. À Dra. Beatriz G. Guimarães e doutoranda Priscila O. Giuseppe do Centro de Biologia Molecular Estrutural do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) pela colaboração com os ensaios de dicroísmo circular. À Dra. Patrícia A. E. Abreu e Dra. Tatiane R. Oliveira pela colaboração com a imunização e sangria dos camundongos. À professora Dra. Toshie Kawano e Alexsander S. Souza do Departamento de Parasitologia, Instituto Butantan, pelo auxílio no microscópio confocal. Ao professor Dr. Thales de Brito, Dirce M. C. Lima e Eduardo do Instituto de Medicina Tropical, e À Dra. Ângela S. Barbosa do Laboratório de Bacteriologia do Instituto Butantan pela colaboração científica. Ao Laboratório de Biotecnologia Molecular II, Centro de Biotecnologia do Instituto Butantan pelo inestimável auxílio e convivência diária, que fortifica a verdadeira amizade: Daiane, Daniel, Denise, Fernanda, Gabriela, Mariana, Mônica Larucci, Monica Watanabe, Raquel, Rosane, Sarai e Tatiane. Aos pesquisadores, funcionários e estudantes do Centro de Biotecnologia, pela ajuda e amizade durante todos esses anos. Aos meus pais, Vitor e Yara, meu esposo, José Edson, e familiares pelo incentivo, torcida e apoio constante durante minha formação. À coordenação do curso de Pós-Graduação Interunidades em Biotecnologia da Universidade de São Paulo / Instituto Butantan / Instituto de Pesquisas Tecnológicas, e a todos professores que contribuíram para a minha formação. À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pela concessão da bolsa de doutorado direto e financiamento do projeto, bem como ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e a Fundação Butantan, sem os quais este trabalho não seria viável. “Comece fazendo o que é necessário, depois o que é possível, e de repente você estará fazendo o impossível”. São Francisco de Assis. Resumo Atzingen MV. Expressão, purificação e caracterização de proteínas de superfície de Leptospira interrogans [Tese de Doutorado em Biotecnologia]. São Paulo: Instituto de Ciências Biomédicas da Universidade de São Paulo; 2009. Leptospirose é uma zoonose mundial causada por espécies patogênicas do gênero Leptospira. O sequenciamento genômico da L. interrogans sorovar Copenhageni e os avanços das análises bioinformáticas permitiram a identificação de novos candidatos vacinais e novos fatores de virulência. Assim, foram selecionados 15 genes que codificam proteínas hipotéticas conservadas preditas de superfície de L. interrogans sorovar Copenhageni. A conservação e a expressão desses genes foram confirmadas por PCR e RT-PCR em seis sorovares de L. interrogans predominantes no Brasil. As proteínas recombinantes foram clonadas em vetor de expressão de E. coli em fusão com seis resíduos de histidina e expressas no sistema induzível por NaCl (E. coli BL21 SI). A purificação por cromatografia de afinidade a metal foi bem sucedida, entretanto, somente sete proteínas foram purificadas na ausência do agente desnaturante (rLIC10368, rLIC10494, rLIC11207, rLIC11935, rLIC12690, rLIC12730 e rLIC12922). As proteínas rLIC10494, rLIC11207, rLIC12730 e rLIC12922 foram identificadas na superfície de leptospiras vivas através de imunofluorescência de fase líquida. As proteínas rLIC10494, rLIC11207, rLIC11935, rLIC12730, rLIC12922, rLIC20214 apresentaram reatividade com anticorpos presentes em soros de pacientes com leptospirose. Através de um ensaio de adesão por ELISA, identificamos uma nova adesina de leptospira codificada pelo gene LIC10368, denominada Lsa21 (Leptospiral surface adhesin of 21kDa), que interage fortemente com laminina, colágeno IV e fibronectina plasmática, de uma maneira dose dependente (Atzingen et al., 2008). Usando a metodologia de Western blotting, identificamos mais nove possíveis adesinas que interagem com laminina, fibronectina plasmática e celular e colágeno IV. Estas adesinas, juntamente com a Lsa21, que é provavelmente um novo fator de virulência, devem estar envolvidas na patogênese da leptospirose. Nossos ensaios de imunização e desafio demonstraram que a proteína rLIC12730 conferiu proteção significativa contra infecção letal de L. interrogans em hamsters. A imunoproteção conferida a estes animais é provavelmente via resposta Th2 revelada pelo aumento de título de anticorpos após a dose de reforço. Embora, mais estudos sejam necessários, nossos dados sugerem que a proteína rLIC12730 é um promissor candidato na prevenção da leptospirose. Palavras chave: Leptospira. Genoma. Proteína recombinante. Vacina. Abstract Atzingen MV. Expression, purification and characterization of surface proteins from Leptospira interrogans [Doctoral thesis in Biotechnology]. São Paulo: Instituto de Ciências Biomédicas da Universidade de São Paulo; 2009. Leptospirosis is a worldwide zoonosis caused by a pathogenic Leptospira. The whole-genome sequences of L. interrogans serovar Copenhageni and the bioinformatic tools allow us to search for novel candidate antigens suitable for improved vaccines against leptospirosis and to identify new virulent factors. We focused on fifteen genes encoding for conserved hypothetical proteins predicted to be exported to the outer membrane. The genes were amplified by PCR from six predominant pathogenic serovars in Brazil. The DNA sequences of the chosen genes were cloned into pDEST17TM, an E. coli vector, and the recombinant proteins were expressed in fusion with 6xHis-tag at N-terminus. Eleven proteins were expressed in NaCl-E. coli BL21 (SI)-induced cultures and purified by metal affinity chromatography, being seven of them recovered without the presence of urea (rLIC10368, rLIC10494, rLIC11207, rLIC11935, rLIC12690, rLIC12730 and rLIC12922). The proteins rLIC10494, rLIC11207, rLIC12730, rLIC12922 were shown to be surface-exposed by liquid-phase immunofluorescence assays with living organisms. The proteins rLIC10494, rLIC11207, rLIC11935, rLIC12730, rLIC12922, rLIC20214 were recognized by antibodies present in sera from human patients diagnosed with leptospirosis. By ELISA-attachment assay, we have identified a leptospiral protein encoded by LIC10368, named Lsa21, that binds strongly to laminin, collagen IV, and plasma fibronectin, in dose-dependent fashion (Atzingen et al., 2008). By western blotting assay, we have further identified nine novel probable adhesins that interact to laminin, plasma and cellular fibronectin and collagen IV. These adhesins, in addition to Lsa21, which is probably a novel virulence factor, might be involved in leptospiral pathogenesis. Our results with the immunization/challenge assays showed that the recombinant protein rLIC12730 afforded significant protection against lethal leptospiral inoculation in hamsters. The immunoprotection conferred to these animals is probable via Th2 response as revealed by the increase in antibody titers during subsequent boosters. Although more studies are needed, our data suggest that rLIC12730 is promising candidate for prevention of leptospirosis. Keywords: Leptospira. Genome. Recombinant protein. Vaccine. Lista de Ilustrações Figura 1 – Taxonomia das espiroquetas. ..............................................................26 Figura 2 – Modelo da estrutura da membrana de leptospira...............................28 Figura 3 – Mapa do vetor de clonagem pENTR/D-TOPO (Invitrogen) e suas características. ........................................................................................................40 Figura 4 – Mapa do vetor de expressão pDEST17 (Invitrogen) e suas características. ........................................................................................................41 Figura 5 – Análise da conservação dos genes selecionados em sorovares de L. interrogans prevalentes no Brasil e em L. biflexa sorovar Patoc através de eletroforese