Bacillus anthracis’ lethal toxin induces broad transcriptional responses in human peripheral monocytes
Kassidy M ChaunceyMariela LopezGurjit SidhuSarah E. SzarowiczHenry V. BakerConrad P. QuinnFrederick S. Southwick
8
Citation
34
Reference
10
Related Paper
Citation Trend
Abstract:
Anthrax lethal toxin (LT), produced by the Gram-positive bacterium Bacillus anthracis, is a highly effective zinc dependent metalloprotease that cleaves the N-terminus of mitogen-activated protein kinase kinases (MAPKK or MEKs) and is known to play a role in impairing the host immune system during an inhalation anthrax infection. Here, we present the transcriptional responses of LT treated human monocytes in order to further elucidate the mechanisms of LT inhibition on the host immune system.Western Blot analysis demonstrated cleavage of endogenous MEK1 and MEK3 when human monocytes were treated with 500 ng/mL LT for four hours, proving their susceptibility to anthrax lethal toxin. Furthermore, staining with annexin V and propidium iodide revealed that LT treatment did not induce human peripheral monocyte apoptosis or necrosis. Using Affymetrix Human Genome U133 Plus 2.0 Arrays, we identified over 820 probe sets differentially regulated after LT treatment at the p <0.001 significance level, interrupting the normal transduction of over 60 known pathways. As expected, the MAPKK signaling pathway was most drastically affected by LT, but numerous genes outside the well-recognized pathways were also influenced by LT including the IL-18 signaling pathway, Toll-like receptor pathway and the IFN alpha signaling pathway. Multiple genes involved in actin regulation, signal transduction, transcriptional regulation and cytokine signaling were identified after treatment with anthrax LT.We conclude LT directly targets human peripheral monocytes and causes multiple aberrant gene responses that would be expected to be associated with defects in human monocyte's normal signaling transduction pathways and function. This study provides further insights into the mechanisms associated with the host immune system collapse during an anthrax infection, and suggests that anthrax LT may have additional downstream targets outside the well-known MAPK pathway.Keywords:
Bacillus anthracis
Bacillus anthracis
Anthrax vaccines
Anthrax toxin
Bacillus (shape)
Cite
Citations (0)
Ο Bacillus anthracis, ένα θετικό κατά Gram βακτήριο που έχει την ικανότητα να σχηματίζει σπόρια, χρησιμοποιείται ως βιολογικό όπλο σε τρομοκρατικές ενέργειες. Η κατάποση ή η εισπνοή των σπορίων του B. anthracis προκαλεί την ασθένεια του άνθρακα, η οποία, τις περισσότερες φορές, οδηγεί στο θάνατο του ξενιστή. Τα αντιβιοτικά που χρησιμοποιούνται για την καταπολέμηση της ασθένειας του άνθρακα, παρουσιάζουν μειωμένη δραστικότητα σε ανθεκτικά στελέχη B. anthracis, καθιστώντας απαραίτητη την ανάγκη για την ταυτοποίηση νέων στόχων και την ανάπτυξη νέων αντιμικροβιακών φαρμάκων για το συγκεκριμένο παθογόνο. Οι απακετυλάσες πολυσακχαριτών του B. anthracis αποτελούν στόχους αντιβιοτικών λόγω των σημαντικών τους ρόλων στη φυσιολογία του συγκεκριμένου παθογόνου. Οι απακετυλάσες πολυσακχαριτών εμπλέκονται στην ανθεκτικότητα του B. anthracis στη λυσοζύμη του ξενιστή καθώς και σε άλλες κυτταρικές λειτουργίες όπως στη βιογένεση της πεπτιδογλυκάνης κατά την επιμήκυνση και την κυτταρική διαίρεση, στη διατήρηση του κυτταρικού σχήματος και στην διατήρηση της κυτταρικής σταθερότητας παρουσία υψηλής οσμωτικής πίεσης, στο σχηματισμό βιοφίλμ αλλά και στην προσκόλληση και εισβολή στα κύτταρα του ξενιστή. Οι απακετυλάσες πολυσακχαριτών είναι μέλη της οικογένειας 4 των εστερασών υδατανθράκων (CE4) στην οποία ανήκουν οι εστεράσες ακετυλ-ξυλάνης, οι απακετυλάσες χιτίνης, οι απακετυλάσες χιτοολιγοσακχαριτών και οι απακετυλάσες πεπτιδογλυκάνης. Εξαιρετικό ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι το γονιδίωμα του B. anthracis περιέχει έντεκα γονίδια τα οποία κωδικοποιούν για πιθανές απακετυλάσες πολυσακχαριτών. Εκτός από τις ενεργές απακετυλάσες, ο B. anthracis διαθέτει και ψευδο-απακετυλάσες πολυσακχαριτών. Τα ψευδο-ένζυμα αποτελούν ομόλογα ενζύμων τα οποία διατηρούν την γονιδιακή έκφραση, τον κυτταρικό εντοπισμό και την χαρακτηριστική πρωτεϊνική αναδίπλωση των ενεργών τους ομόλογων ενζύμων όμως έχουν χάσει την καταλυτική τους δράση. Τα ψευδο-ένζυμα εμπλέκονται σε διαφορετικές κυτταρικές διεργασίες όπως στη ρύθμιση των ενεργών ομόλογών τους ή στην αλληλεπίδραση με τα υποστρώματα αυτών ή στην πρόσδεση και στόχευση πρωτεϊνών σε συγκερκιμένα υποκυτταρικά διαμερίσματα ή στην ρύθμιση της ουβικουιτινιλίωσης πρωτεϊνών ή στη μεταγωγή σήματος.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε ο ρόλος των πιθανών απακετυλασών πολυσακχαριτών ΒΑ1836 και ΒΑ3943 στη φυσιολογία του B. anthracis πραγματοποιώντας βιοχημική και γενετική ανάλυση. Το γονίδιο ba1836 εκφράζεται κατά την είσοδο των κυττάρων στη στατική φάση ανάπτυξης και επάγεται κατά τα πρώτα στάδια της σπορίωσης. Το στέλεχος B. anthracis στο οποίο είχαμε διαγράψει το γονίδιο ba1836 (Δba1836) εμφάνισε φυσιολογικό ρυθμό ανάπτυξης, δεν παρουσίασε σημαντικές διαφορές στην σύσταση της πεπτιδογλυκάνης κυττάρων στατικής φάσης ανάπτυξης και δεν ήταν ευαίσθητο στη λυσοζύμη, όμως έδειξε αδυναμία διαχωρισμού των κυτταρικών αλυσίδων σε σύγκριση με το στέλεχος αγρίου τύπου. Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσίασε το γεγονός ότι το μεταλλαγμένο στέλεχος Δba1836 παρουσίασε σημαντική καθυστέρηση στη δημιουργία των σπορίων, παρότι τα ώριμα σπόρια εμφάνισαν φυσιολογική μορφολογία. Τέλος, η υδρόλυση της πεπτιδογλυκάνης των ώριμων μεταλλαγμένων σπορίων με μουραμιδάση παρήγαγε παρόμοια αλλά ποσοτικά μειωμένα μουροπεπτίδια σε σύγκριση με την πεπτιδογλυκάνη των σπορίων του αγρίου τύπου ενώ τα μεταλλαγμένα σπόρια παρουσίασαν χαμηλότερο ρυθμό εκβλάστησης. Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης αποδεικνύουν ότι η ΒΑ3943 είναι μία ψευδο-απακετυλάση πολυσακχαριτών. Τρία συντηρημένα και απαραίτητα για την κατάλυση αμινοξέα απουσιάζουν από το ενεργό της κέντρο με αποτέλεσμα να μην εμφανίζει δράση απακετυλάσης. Επιπλέον, απουσιάζει η υδροξυλίωση στον Cα της συντηρημένης προλίνης του ενεργού της κέντρου η οποία πρόσφατα βρέθηκε ότι ενισχύει την ενζυμική δράση των απακετυλασών πολυσακχαριτών του B. anthracis. Επίσης, η κρυσταλλική δομή της ΒΑ3943 αποκάλυψε την παρουσία μίας περιοχής πλούσιας σε λυσίνες στο άμινο-τελικό της άκρο. Η περιοχή αυτή είναι μοναδική καθώς δεν έχει βρεθεί σε καμία άλλη οικογένεια ενζύμων εώς τώρα. Κατευθυνόμενη μεταλλαξιγένεση στις τρεις συντηρημένες αμινοξικές θέσεις του ενεργού κέντρου της ΒΑ3943 οδήγησε σε επαναφορά των δράσεων της απακετυλίωσης και των επιπέδων της υδροξυλίωσης. Το γονίδιο της ba3943 εκφράζεται στη σπορίωση, κατά την είσοδο των κυττάρων στο στάδιο της εγκόλπωσης. Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσίασε το γεγονός ότι το στέλεχος B. anthracis στο οποίο είχαμε διαγράψει το γονίδιο της ba3943 (Δba3943) εμφάνισε σημαντικό μειονέκτημα κατά τον συναγωνισμό με κύτταρα αγρίου τύπου σε συνθήκες σπορίωσης, υποδεικνύοντας ότι η ΒΑ3943 εμπλέκεται ενεργά στη διαδικασία αυτή. Εντούτοις, τα ώριμα σπόρια εμφάνισαν φυσιολογική μορφολογία και ήταν ικανά να εκβλαστήσουν. Τέλος, το μεταλλαγμένο Δba3943 στέλεχος είχε φυσιολογικό ρυθμό ανάπτυξης, δεν παρουσίασε σημαντικές διαφορές στην σύσταση της πεπτιδογλυκάνης κυττάρων στατικής φάσης ανάπτυξης αλλά και ώριμων σπορίων και δεν ήταν ευαίσθητο στη λυσοζύμη, όμως έδειξε αδυναμία διαχωρισμού των κυτταρικών αλυσίδων σε σύγκριση με το στέλεχος αγρίου τύπου Ο ρόλος της ΒΑ1836 στη σπορίωση και στην εκβλάστηση είναι μοναδικός ανάμεσα στις λειτουργίες των υπόλοιπων απακετυλασών πολυσακχαριτών ενώ η ΒΑ3943 αποτελεί μία ψευδο-απακετυλάση, η οποία επηρεάζει τη σπορίωση του B. anthracis. Η παρούσα διδακτορική διατριβή παρέχει πληροφορίες οι οποίες θα συνεισφέρουν στην κατανόηση των πολύπλοκων διαδικασιών της σπορίωσης και εκβλάστησης του συγκεκριμένου παθογόνου.
Bacillus anthracis
Cite
Citations (0)
Abstract : Interest in the development of an improved anthrax vaccine has increased since the 2001 bioterrorist event that involved the public dispersal of Bacillus anthracis spores through the United States postal system. The currently licensed anthrax vaccine adsorbed (AVA) is a crude extract in which the primary protective immunogen is the toxin binding component of the anthrax toxins, called protective antigen (PA); this antigen is given to elicit toxin-neutralizing antibodies in the recipient. Unfortunately, AVA has several drawbacks not the least of which are that it is administered as a six dose series over an extended period and that painful local reactions to the vaccine are commonly reported. Moreover, AVA may be less than optimally effective against the most lethal form of the disease, inhalational anthrax. Therefore, the first goal of this study was to explore the use of a B. anthracis spore surface antigen as a means of increasing protection afforded by a Protective Antigen (PA) - based vaccine.
Bacillus anthracis
Anthrax vaccines
Anthrax toxin
Immunogen
Cite
Citations (0)
The isolation of Bacillus anthracis (B. anthracis) from a clinical specimen has the ability to stir a state public health department and all of its counterparts into a colossal windstorm of activity. The organism has been used as an agent of bioterrorism and has the ability to cause severe illness and death. Although neither difficult to grow nor requiring special media, anthrax does require specific methods for confirmation and identification, distinguishing it from other Bacillus species. This article describes the presence of B. anthracis in the United States, the type of infections it causes, and what occurred when a single case of gastrointestinal anthrax was identified in New Hampshire.
Bacillus anthracis
Isolation
Anthrax vaccines
Bacillus (shape)
Cite
Citations (3)
Gram-positive bacilli isolated during epidemiological investigations which, on the basis of conventional tests, resemble Bacillus anthracis but which fail to produce the capsule or to induce anthrax in test animals have long been dismissed in clinical and veterinary laboratories as B. cereus or simply as unidentified Bacillus spp. and thereupon discarded as inconsequential. In this study, the application of newly available DNA probe, polymerase chain reaction and specific toxin antigen detection technology has revealed that a proportion of such strains are B. anthracis which lack the plasmid carrying the capsule gene (pXO2). While these techniques cannot, of course, be used to confirm the identities of strains resembling B. anthracis but which also lack the plasmid carrying the toxin genes (pXO1), the likelihood that these also are bona fide B. anthracis becomes more acceptable. (As yet no naturally occurring pXO1-/2+ strains have been found.) At this point, the significance of the presence of such avirulent forms of B. anthracis in specimens can only be a subject for speculation, but the possibility that they may be indicators of virulent parents somewhere in the system being examined must be considered.
Bacillus anthracis
Anthrax toxin
Bacillus (shape)
Cite
Citations (148)
Bacillus anthracis , the causative agent of anthrax, has been a subject of research for over 150 years, beginning with the work of Rayer and Davaine who found "small filiform bodies" in the blood of anthrax-infected sheep and, from this finding, coined the term bacteria. Several years later, Koch proved conclusively that B. anthracis was the causative agent of anthrax, providing the first demonstration that a disease was caused by a specific bacterium. He later developed the first live attenuated bacterial vaccine with a heat-attenuated strain of B. anthracis . Despite its illustrious beginnings as a subject of research, an understanding of the molecular biology of B. anthracis has lagged behind that of some other bacteria. Bacillus anthracis has recently come back into focus as a target of research with the goal of being able to readily detect this bacterium in environmental samples and to understand its pathogenesis and evolution better.
Bacillus anthracis
Bacillus (shape)
Anthrax vaccines
Cite
Citations (0)
Recent world events refocused attention on the possibility of nations engaging in biologic warfare, including an attack with Bacillus anthracis . The single available anthrax vaccine in the United States for human use, formerly known as MDPH‐PA, has decreased ability to protect laboratory animals against virulent B. anthracis strains, especially compared with new vaccines being developed. Studies with these vaccines, however, have several shortcomings. The pathogenesis, diagnosis, treatment, and prophylaxis of anthrax are discussed, as well as the implications that an attack with B. anthracis would place on the health care system.
Bacillus anthracis
Anthrax vaccines
Biological Warfare
Cite
Citations (23)
ABSTRACT Currently available detectors for spores of Bacillus anthracis , the causative agent of anthrax, are inadequate for frontline use and general monitoring. There is a critical need for simple, rugged, and inexpensive detectors capable of accurate and direct identification of B. anthracis spores. Necessary components in such detectors are stable ligands that bind tightly and specifically to target spores. By screening a phage display peptide library, we identified a family of peptides, with the consensus sequence TYPXPXR, that bind selectively to B. anthracis spores. We extended this work by identifying a peptide variant, ATYPLPIR, with enhanced ability to bind to B. anthracis spores and an additional peptide, SLLPGLP, that preferentially binds to spores of species phylogenetically similar to, but distinct from, B. anthracis . These two peptides were used in tandem in simple assays to rapidly and unambiguously identify B. anthracis spores. We envision that these peptides can be used as sensors in economical and portable B. anthracis spore detectors that are essentially free of false-positive signals due to other environmental Bacillus spores.
Bacillus anthracis
Bacillus (shape)
Cite
Citations (83)
Bacillus anthracis
Anthrax toxin
Anthrax vaccines
Virulence factor
Cite
Citations (0)