Studies on the enzymatic specificity of diguanylate cyclases domains and the production of new second messengers / Estudos na especificidade enzimática de diguanilato ciclases e na produção de novos segundos mensageiros

In the first chapter, studies on substrate recognition and enzymatic activity of GGDEF domains are presented. Many proteins containing GGDEF domains are diguanylate cyclases (DGCs, EC 2.7.7.65), enzymes that catalyze the conversion of 2 GTP molecules into the second messenger c-di-GMP in prokaryotes. This molecule is primarily implicated in the transition between motile and sessile lifestyles, as well several other phenotypes. Redundancy and diversity of GGDEF domain sequences in many bacterial genomes raises the possibility that other enzymatic functions may yet be discovered. To test this hypothesis, i) the effect of point mutations on the structure and enzymatic activity of GGDEF domains is analyzed, ii) the enzymatic specificity of wild-type GGDEF domains from different proteins is also tested, and iii) when non-canonical products are detected, enzymatic models are studied to understand its preferential production. The principal results obtained from these studies are as follows. Seven mutants of the DGC PleD (a GGDEF containing-protein from Caulobacter crescentus) were constructed and the crystallographic structure of two of them was solved, showing that they are unlikely to bind the guanine moiety in its active site. Additionally, five mutants of XAC0610, another DGC from Xanthomonas citr, were constructed and their substrate specificities were evaluated. None of those mutants were able to use ATP as a substrate. Finally, seven different GGDEF domain-containing DGCs from different sources were expressed and purified and their enzymatic specificities were tested with several nucleotide triphosphates. One enzyme, GSU1658 from Geobacter sulfurreducens was particularly promiscuous and shown to produce c-di-GMP, c-di-AMP, c-di-IMP, c-di-2´dGMP, cGAMP, c-GIMP, and c-AIMP. Interestingly, XAC0610 was able to recognize 2´dGTP as substrate. Analysis of enzyme kinetics of XAC0610 in presence of 2´dGTP and/or GTP showed the preferential formation of the hybrid linear product pppGp2´dG. The second chapter present studies on cyanide metabolism in Bacillus with focus on the cyanide dihydratase of Bacillus safensis. Cyanide is widely used in industries due to its high affinity for metals. This same ability confers potent toxicity to this compound. Thus, industries must reduce the cyanide concentration from wastewater before its final disposal. Physical, chemical, and biological methods have been developed to achieve this goal, but knowledge about metabolic pathways and the biology of enzymes involved in cyanide degradation is still scarce. Here, the isolation of a Bacillus safensis strain from mine tailings in Peru is described. Classification of this strain was done through a comparative analysis of 132 core genomes of strains from the Bacillus pumilus group. Sequence analysis determined that a cyanide dihydratase (CynD, EC 3.5.5.1)) encoded in the genome of the isolated strain was likely the enzyme responsible for cyanide degradation. Confirmation of the cyanide degrading activity of CynD from this strain was achieved by cloning, expression and purification of the enzyme and its enzymatic characterization. CynD from this strain was active up to pH 9 and oligomerization patterns analyzed by SEC-MALS and electron microscopy showed that the enzyme forms large helical structures at pH 8 and smaller structures at higher pHs. Finally, we show that CynD expression is strongly induced in the presence of cyanide. The last two years of graduate studies were carried out in the context of the COVID-19 pandemic. Thanks to the large amount of publicly available genomic data, we were able to carry out studies on the worldwide dynamics of the spread of SARS-CoV-2 mutants forms. In the first year of the pandemic, genomic classification of 171,461 genomes showed the presence of five major haplotypes based on nine mutations. The worldwide distribution and the temporal evolution of frequency of these haplotypes was carefully analyzed. All the haplotypes were identified in the six regions analyzed (South America, North America, Europe, Asia, Africa, and Oceania); however, the frequency of each of them was different in each of these regions. As of September 30, 2020, haplotype 3 (or operational taxonomic unit 3, OTU_3) was the most prevalent in four regions (South America, Asia, Africa, and Oceania). OTU_5 was the most prevalent in North America and OTU_2 in Europe. Temporal dynamics of the haplotypes showed that OTU_1 became nearly extinct after 8 months of pandemic (November 2020). Other OTUs are still present in different frequencies all around the world, while currently generating new variants. Based on their temporal dynamics, a classification scheme of 115 SARS-CoV-2 mutations identified from 1,058,020 SARS-COV-2 genomes was also performed. Three types of temporal dynamics of mutations were identified: i) High-Frequency mutations are characterized by a rapid increase in frequency upon its appearance, ii) medium and iii) low-frequency mutations maintain mid or low-frequencies for several months and can be region-specific. Finally, we performed a correlation analysis of the effective reproduction number (Rt) of SARS-CoV-2 harboring the high-frequency mutation N501Y with the level of control measures adopted in specific jurisdictions. We show that Rt is negatively correlated with the level of control measures in eight of the nine countries analyzed. This negative correlation was similar when we analyzed the Rt of SARS-CoV-2 not-harboring N501Y. Thus, the control measures likely diminish the Rt of both SARSCoV-2 wild-type and N501Y

O presente trabalho está dividido em três capítulos sobre linhas de pesquisa diferentes desenvolvidas pelo autor durante o período de doutorado No primeiro capítulo, são apresentados estudos relacionados ao reconhecimento estrutural de substratos e análise enzimática de domínios GGDEF com atividade diguanilato ciclase (EC 2.7.7.65). As proteínas contendo domínios GGDEF estão relacionados à produção enzimática do segundo mensageiro c-di-GMP, a partir de duas moléculas de GTP, em procariotos. Esta molécula está principalmente envolvida na transição entre os estilos de vida móveis e sésseis, bem como vários outros fenótipos. Redundância e diversidade de sequências de domínio GGDEF aumentam a possibilidade de que outras funções enzimáticas ainda possam ser descobertas. Para testar esta hipótese, i) o efeito de mutações pontuais na estrutura e atividade enzimática dos domínios GGDEF é analisado, ii) a especificidade enzimática de domínios GGDEF de enzimas diferentes também é testada e iii) quando produtos não canônicos são detectados, modelos enzimáticos são estudados para entender sua produção preferencial. Como resultados mais importantes, sete mutantes do PleD (uma proteína contendo GGDEF) foram construídos e a estrutura cristalográfica de dois delas foi resolvida, mostrando que é improvável que eles liguem à porção guanina em seu sítio ativo. Além disso, cinco mutantes da proteína XAC0610 de Xanthomonas citri foram construídos e sua capacidade de usar ATP ou GTP como substrato foi avaliada. Nenhum desses mutantes foi capaz de usar ATP como substrato. Finalmente, sete outras proteínas contendo GGDEF foram purificadas e sua especificidade enzimática foi avaliada com vários trifosfatos de nucleotídeos. Uma enzima promíscua chamada GSU1658 mostrou produzir c-di-GMP, c-di-AMP, c-di-IMP, c-di-2´dGMP, c-GAMP, cGIMP e c-AIMP. Curiosamente, o XAC0610 foi capaz de reconhecer 2´dGTP como substrato. A análise da cinética enzimática de XAC0610 na presença de 2´dGTP e GTP mostrou a formação preferencial do produto linear híbrido pppGp2´dG. O segundo capítulo aborda estudos sobre o metabolismo do cianeto em Bacillus com foco na cianeto dihidratase de Bacillus safensis. O cianeto é amplamente utilizado nas indústrias devido à sua alta afinidade com os metais. Esta mesma capacidade confere toxicidade potente a este composto. Assim, as indústrias têm que reduzir a concentração de cianeto das águas residuais antes de sua disposição final. Métodos físicos, químicos e biológicos têm sido desenvolvidos para atingir esse objetivo, mas o conhecimento sobre as vias metabólicas e a biologia das enzimas envolvidas na degradação do cianeto ainda é escasso. Aqui, é descrito o isolamento de uma cepa de Bacillus safensis de rejeitos de minas no Peru. A classificação desta cepa foi feita através de uma análise comparativa de 132 core genomes de cepas do grupo de Bacillus pumilus. Em seguida, determinamos que uma cianeto dihidratase (CynD, EC 3.5.5.1) codificada no genoma da cepa isolada era provavelmente a enzima responsável pela degradação do cianeto. A confirmação da atividade degradante de cianeto de CynD desta cepa foi feita por clonagem, expressão e purificação da enzima e realização de caracterização enzimática. O CynD desta cepa é ativo até pH 9 e os padrões de oligomerização analisados por SEC-MALS mostraram que a enzima forma longas estruturas helicoidais em pH 8 e estruturas menores enquanto o pH aumenta. Finalmente, foi demonstrado que a expressão de CynD é fortemente induzida na presença de cianeto. Os últimos dois anos do doutorado foram realizados no contexto da pandemia COVID- 19. Vários laboratórios se dedicaram a gerar conhecimento para ajudar no combate à pandemia. Nesta situação e graças à grande quantidade de dados genômicos disponíveis publicamente, estudos sobre a dinâmica das mutações do SARS-CoV-2 foram realizados. No primeiro ano da pandemia, a classificação genômica de 171.461 genomas mostrou a presença de cinco haplótipos principais com base em nove mutações. A distribuição mundial e a mudança de frequência desses haplótipos foram analisadas cuidadosamente. Todos os haplótipos foram identificados nas seis regiões analisadas (América do Sul, América do Norte, Europa, Ásia, África e Oceania); no entanto, a frequência de cada um deles foi diferente em cada uma dessas regiões. Em 30 de setembro de 2020, o haplótipo 3 (ou unidade taxonômica operacional 3, OTU_3) era o mais prevalente em quatro regiões (América do Sul, Ásia, África e Oceania). OTU_5 foi o mais prevalente na América do Norte e OTU_2 na Europa. A dinâmica temporal dos haplótipos mostrou que OTU_1 parece perto da extinção após 8 meses de pandemia (novembro de 2020). Outros OTUs ainda estão presentes em diferentes frequências em todo o mundo, mesmo atualmente gerando novas variantes. Com base em sua dinâmica temporal, um esquema de classificação de 115 mutações SARS-CoV-2 identificadas a partir de 1.058.020 genomas SARS-COV-2 também foi feito. Três tipos de dinâmica temporal de mutações foram identificados: i) Mutações de alta frequência, ii) mutações de média frequência e iii) mutações de baixa frequência. Finalmente, foi analisada a correlação do número de reprodução efetiva (Rt) do SARS-CoV-2 que contém a mutação de alta frequência N501Y com o nível de medidas de controle, mostrando que seu Rt está negativamente correlacionado com o nível de medidas de controle em oito dos nove países analisados. Esta correlação negativa foi semelhante quando foi analisado o Rt de SARS-CoV-2 sem a mutação N501Y. Assim, as medidas de controle provavelmente diminuirão o Rt de SARS-CoV-2 tipo selvagem e N501Y

Genomewide analysis of the CIII peroxidase family in sweet orange (Citrus sinensis) and expression profiles induced by Xanthomonas citri subsp. citri and hormones

Class III peroxidase (CIII prx) is a plant-specific multigene family that regulates the physiological and stress responses. This research aimed to exhaustively annotate and analyse the CIII prx family in sweet orange and to explore the regulated expression profiles by Xanthomonas citri subsp. citri (Xcc) and plant hormones. We further assessed the relationship between CIII prxs and citrus bacterial canker. The phylogeny, gene structure, conserved motifs, gene duplications and microsynteny of the CIII prx family were analysed. Expression profiles of specific CsPrxs induced by Xanthomonas citri subsp. citri and plant hormones were detected by quantitative reverse transcription-polymerase chain reaction. Subcellular localization was analysed through transient expression assessments. A total of 72 CIII prx members were identified from the genomes of sweet orange. In all chromosomes of sweet orange, the CsPrxs could be detected except in chromosome 8. In addition, three segmental duplications, four tandem duplications and 11 whole-genome duplications occurred among the CsPrxs, contributing to the family size expansion. From the Ka/Ks ratios, 15 of 18 duplicated CsPrxs pairs have experienced purifying selection process. A total of 15 conserved motifs were detected in CsPrxs, four of which were detected in all complete CsPrxs. A total of 12 expressed genes were identified from the EST database. The expression trends of 12 CsPrxs were differently expressed at different stages of infection by Xcc, five of which were potential candidate genes involved in Xcc resistance. These genes could be induced by salicylic acid and methyl jasmonate, and were extracellular proteins. These results further support our understanding of CIII prxs in citrus, particularly in citrus bacterial canker studies

Caracterização funcional de sistemas de dois componentes em Xanthomonas citri / Functional characterization of two-component systems in Xanthomonas citri

Xanthomonas citri subsp. citri, é uma bactéria pertencente à classe das Gamaproteobactérias, fitopatogênica, que exibe uma especificidade patógeno-hospedeiro extremamente alta. X. citri infecta plantas do gênero Citrus, causando o cancro cítrico, uma doença destrutiva encontrada em cultivos ao redor do mundo. Esta bactéria apresenta em seu genoma 34 genes que codificam proteínas relacionadas com o metabolismo do segundo mensageiro c-di-GMP. Em geral, níveis elevados de c-di-GMP favorecem a sessilidade e a produção de exopolissacarídeos, enquanto níveis mais baixos resultam em maior motilidade e aumento na dispersão do biofilme. Com o intuito inicial de buscar novos alvos de X. citri que dependessem dos níveis intracelulares desse segundo mensageiro, foram analisados os proteomas de linhagens mutantes em diguanilato ciclases específicas. Nas análises proteômicas por eletroforese bidimensional foram identificadas 15 proteínas diferencialmente expressas presentes em mais de um dos proteomas dos mutantes analisados. Entre estas, duas proteínas reguladoras de resposta e preditas de participar de sistemas de dois componentes, XAC0834 e XAC3443, foram encontradas sendo mais expressas em mutantes que apresentavam fenótipo de alto c-di-GMP; enquanto uma proteína hipotética provavelmente presente na membrana, XAC3657, estava mais expressa em linhagens com fenótipos relacionados a baixos níveis de c-di-GMP. Por meio de uma análise por qRT-PCR foi verificado que os níveis de mRNA para XAC0834 e XAC3443 não variam entre as linhagens e, portanto, a diferença nos níveis de expressão destas proteínas deve ocorrer póstranscricionalmente. Como os sistemas de dois componentes e proteínas de membrana são importantes para a adaptação das bactérias a diferentes condições ambientais, o objetivo do presente trabalho foi a caracterização funcional de XAC0834, XAC3433 e XAC3657, com maiorênfase em XAC0834 e na provável proteína sensora cognata, XAC0835, de forma a contribuir para a melhor compreensão dos processos de regulação da virulência de bactérias. Na análise da organização gênica dos genes que codificam estas proteínas, foi verificado que os genes XAC0834 e XAC0835 formam um operon, juntamente com a tioesterase XAC0833 e, portanto, o nível transcricional destes genes ocorre pelos mesmos reguladores, apoiando a hipótese de se tratarem de um sistema de dois componentes; assim como os genes XAC3442 e XAC3443. Utilizando uma linhagem mutante em XAC0834, mostramos que esta proteína impacta positivamente a motilidade sliding e a formação de biofilme, e tem efeito contrário no crescimento de X. citri em meio rico 2xTY e na motilidade twitching. Como estes fenótipos são modulados por c-di-GMP, é possível que a deleção deste gene altere significativamente os níveis de c-di-GMP nas células. Além disto, foi verificado que as proteínas XAC0835, XAC3443 e XAC3657 não afetam a motilidade sliding, mas, individualmente, XAC0835 é importante para a formação de biofilme; XAC3657 afeta negativamente o crescimento de X. citri em meio rico 2xTY; e XAC3443 afeta negativamente a motilidade twitching. Na análise do transcritoma da superexpressão de XAC0834, foi observado que havia aumento na expressão de genes relacionados ao sistema de secreção do tipo IV e na montagem do pilus do tipo IV, em comparação com a linhagem selvagem, o que pode estar relacionado aos fenótipos observados. Este trabalho forneceu subsídios importantes para a compreensão do papel fisiológico do sistema de dois componentes XAC0834/XAC0835, assim como do regulador de resposta XAC3443 e da proteína hipotética, XAC3657, em X. citri, o que pode contribuir para o entendimento da relação de c-di-GMP com os sistemas de dois componentes

Xanthomonas citri subsp. citri, is a phytopathogenic Gammaproteobacteria, with extremely high pathogen-host specificity. X. citri infects plants of the genus Citrus, causing citrus canker, a destructive disease found in crops around the world. The genome of X. citri pv. citri 306 (XAC 306) contains 34 genes encoding proteins related to the second messenger c-di-GMP metabolism. In general, high levels of c-di-GMP favor the sessility and exopolysaccharide production, whereas lower levels result in greater motility and increased biofilm dispersion. In order to initially search for new X. citri targets that depend on the intracellular levels of this second messenger, the proteomes of specific diguanylate cyclase mutant strains were analyzed by two-dimensional electrophoresis. Fifteen differentially expressed proteins present in more than one of the mutant proteomes compared to wild type were identified. Among these, two proteins predicted to participate as response regulators in two-component systems, XAC0834 and XAC3443, were found to be more expressed in mutants with high c-di-GMP phenotypes; whereas a hypothetical membrane protein, XAC3657, was more expressed in strains with low cdi-GMP-related phenotypes. Relative mRNA levels for XAC0834 and XAC3443, as determined by qRT-PCR, do not vary among the analyzed strains, suggesting post-transcriptional regulation. Because two-component systems and membrane proteins are important for the adaptation of bacteria to different environmental conditions, the aim of this work was the functional characterization of XAC0834, XAC3433 and XAC3657, with greater emphasis on XAC0834 and its probable cognate sensor protein, XAC0835, contributing to a better understanding of the processes of bacterial virulence regulation. Genes XAC0834 and XAC0835 form an operon, together with the XAC0833 coding for a thioesterase, suggesting that they are co-regulated, aswell as the XAC3442 and XAC3443 genes. Using a mutant strain in XAC0834, we show that this protein positively impacts sliding motility and biofilm formation and has the opposite effect on X. citri growth in rich medium and twitching motility. Because these phenotypes are modulated by c-di-GMP, deletion of this gene may alter cellular c-di-GMP levels. In addition, we found that XAC0835, XAC3443 and XAC3657 proteins do not affect sliding motility, but XAC0835 is important for biofilm formation; XAC3657 negatively affects X. citri growth in rich medium; and XAC3443 negatively affects twitching motility. The RNA-seq transcriptome of X. citri overexpressing XAC0834 was compared to the control strain, and there was an increase in the expression of genes for the type IV secretion system and the assembly of the type IV pilus, which may be related to the observed phenotypes. This work provided important insights for understanding the physiological role of the XAC0834/XAC0835 two-component system as well as the XAC3443 response regulator and the hypothetical protein XAC3657, in X. citri which may contribute to the understanding of the relationship of c- di-GMP with two-component systems

Zero-inflated beta regression model for leaf citrus canker incidence in orange genotypes grafted onto different rootstocks / Modelo de regressão beta inflacionado de zeros para a incidência de cancro cítrico foliar em genótipos de laranja enxertados sobre diferentes porta-enxertos

Data with excess zeros are frequently found in practice, and the recommended analysis is to use models that adequately address the counting of zero observations. In this study, the Zero Inflated Beta Regression Model (BeZI) was used on experimental data to describe the mean incidence of leaf citrus canker in orange groves under the influence of genotype and rootstocks of origin. Based on the model, it was possible to quantify the odds that a null observation to mean incidence comes from a particular plant according to genotype and rootstock, and estimate its expected value according to this combination. Laranja Caipira rootstock proved to be the most resistant to leaf citrus canker as well as Limão Cravo proved to be the most fragile. The Ipiguá IAC, Arapongas, EEL and Olímpia genotypes have statistically equivalent chances.

Dados com excesso de zeros são encontrados muitas vezes na prática, e a análise recomendada é utilizar modelos que suportem adequadamente a contagem de observações nulas. Neste artigo, o Modelo de Regressão Beta Inflacionado de Zeros (BeZI) foi aplicado a dados experimentais para descrever a incidência média de cancro cítrico foliar em pomares de laranja sob a influência do genótipo e do porta-enxerto de origem. Com base no modelo, foi possível quantificar as chances de que uma observação nula para a incidência média seja proveniente de uma determinada planta, de acordo com o genótipo e o porta-enxerto, além de estimar o seu valor esperado conforme essa combinação. O porta-enxerto Laranja Caipira mostrou ser o mais resistente ao cancro cítrico foliar, assim como o Limão Cravo mostrou ser o mais suscetível. Os genótipos Ipiguá IAC, Arapongas, EEL e Olímpia apresentaram chances estatisticamente equivalentes.

Studies on antimicrobial activity of tephrosiacalophylla against xanthomonas citri and salmonella typhimurium.

Tephrosia calophylla is an undershrub having very rich medicinal value. Preliminary photochemical screening revealed that the plant contains the secondary metabolites like flavonoids, terpenoids, cardiac glycosides in high amounts. Tephrosia calophylla plant showed very good anti microbial activity against the Xanthomonas citri and Salmonella typhimurium in different solvents ; ethanol ,methanol, chloroform, water and hexane.

Production of the refolded oligopeptide-binding protein (OppA) encoded by the citrus pathogen Xanthomonas axonopodis pv. citri

The oligopeptide-binding protein, OppA, binds and ushers oligopeptide substrates to the membrane-associated oligopeptide permease (Opp), a multi-component ABC-type transporter involved in the uptake of oligopeptides expressed by several bacterial species. In the present study, we report the cloning, purification, refolding and conformational analysis of a recombinant OppA protein derived from Xanthomonas axonopodis pv. citri (X. citri), the etiological agent of citrus canker. The oppA gene was expressed in Escherichia coli BL21 (DE3) strain under optimized inducing conditions and the recombinant protein remained largely insoluble. Solubilization was achieved following refolding of the denatured protein. Circular dichroism analysis indicated that the recombinant OppA protein preserved conformational features of orthologs expressed by other bacterial species. The refolded recombinant OppA represents a useful tool for structural and functional analyses of the X. citri protein.