Characterization of a Mutant Bacillus thuringiensis d-endotoxin with enhanced stability and toxicity / Caracterización de una delta endotoxina mutante de Bacillus thuringiensis con estabilidad y toxicidad aumentadas

The centrally located a-helix 5 of Bacillus thuringiensis d-endotoxins is critical for insect toxicity through ion-channel formation. We analyzed the role of the highly conserved residue Histidine 168 (H168) using molecular biology, electrophysiology and biophysical techniques. Toxin H168R was ~3-fold more toxic than the wild type (wt) protein whereas H168Q was 3 times less toxic against Manduca sexta. Spectroscopic analysis revealed that the H168Q and H168R mutations did not produce gross structural alterations, and that H168R (Tm= 59 °C) was more stable than H168Q (Tm= 57.5 °C) or than the wt (Tm= 56 °C) toxins. These three toxins had similar binding affinities for larval midgut vesicles (Kcom) suggesting that the differences in toxicity did not result from changes in initial receptor binding. Dissociation binding assays and voltage clamping analysis suggest that the reduced toxicity of the H168Q toxin may result from reduced insertion and/or ion channel formation. In contrast, the H168R toxin had a greater inhibition of the short circuit current than the wt toxin and an increased rate of irreversible binding (kobs), consistent with its lower LC50 value. Molecular modeling analysis suggested that both the H168Q and H168R toxins could form additional hydrogen bonds that could account for their greater thermal stability. In addition to this, it is likely that H168R has an extra positive charge exposed to the surface which could increase its rate of insertion into susceptible membranes.

La a-Hélice 5 del domino I de las d-endotoxinas de Bacillus thuringiensis, es crítica para la toxicidad de las toxinas contra insectos al participar en la formación de canales iónicos. La participación en la función tóxica del residuo Histidina 168 (H168) –el cual es altamente conservado– fue estudiada mediante técnicas de biología molecular, electrofisiología y biofísica. La toxina mutante H168R fue ~ 3 veces más tóxica que la toxina silvestre (ts) en Manduca sexta, mientras que H168Q fue 3 veces menos tóxica. Los análisis espectroscópicos indicaron que las mutaciones no producen alteraciones estructurales significativas y que la toxina H168R (Tm= 59 °C) es más estable que las toxinas H168Q (Tm= 57.5 °C) y wt (Tm= 56 °C). Las tres toxinas exhibieron uniones de afinidad similares (Kcom) en vesículas de intestino de larvas de insecto, indicando que las diferencias en la toxicidad no se deben a cambios en la unión inicial al receptor. Los ensayos de unión/disociación y fijación de voltaje mostraron que la reducción de la toxicidad de la toxina H168Q se puede atribuir a una disminución en la inserción y/o en la formación de canales iónicos. De otro lado, H168R mostró una inhibición a la corriente de corto circuito mayor que la ts y un aumento en unión irreversible (kobs), lo cual es consistente con un menor valor de CL50. La modelación molecular sugiere que H168Q y H168R forman puentes de hidrógeno adicionales, lo que les confiere mayor estabilidad térmica. Adicionalmente, es probable que H168R tenga una carga positiva extra expuesta en la superficie, lo cual aumentaría su tasa de inserción en membranas susceptibles.

Preferential protection of domains II and III of bacillus thuringiensis cry1Aa toxin by brush border membrane vesicles / Protección preferencial de los dominios II y III de la toxina cry1Aa de bacillus thuringiensis en vesículas de membrana de borde de cepillo

The surface exposed Leucine 371 on loop 2 of domain II, in Cry1Aa toxin, was mutated to Lysine to generate the trypsin-sensitive mutant, L371K. Upon trypsin digestion L371K is cleaved into approximately 37 and 26 kDa fragments. These are separable on SDS-PAGE, but remain as a single molecule of 65 kDa upon purification by liquid chromatography. The larger fragment is domain I and a portion of domain II (amino acid residues 1 to 371). The smaller 26-kDa polypeptide is the remainder of domain II and domain III (amino acids 372 to 609). When the mutant toxin was treated with high dose of M. sexta gut juice both fragments were degraded. However, when incubated with M. sexta BBMV, the 26 kDa fragment (domains II and III) was preferentially protected from gut juice proteases. As previously reported, wild type Cry1Aa toxin was also protected against degradation by gut juice proteases when incubated with M. sexta BBMV. On the contrary, when mouse BBMV was added to the reaction mixture neither Cry1Aa nor L371K toxins showed resistance to M. sexta gut juice proteases and were degraded. Since the whole Cry1Aa toxin and most of the domain II and domain III of L371K are protected from proteases in the presence of BBMV of the target insect, we suggest that the insertion of the toxin into the membrane is complex and involves all three domains.

La superficie de la toxina Cry1Aa, en el asa 2 del dominio II contiene expuesta la leucina 371, la cual fue modificada a lisina produciendo una mutante sensible a la tripsina, L371K. Esta mutante produce dos fragmentos de 37 y 26 kDa por acción de la tripsina que son separables por SDS-PAGE, pero que a la purificación por cromatografía líquida se mantienen como una sola molécula de 65 kDa. El fragmento grande contiene al dominio I y una parte del dominio II (aminoácidos 1 al 371). El polipéptido de 26 kDa contiene la parte restante del dominio II y dominio III (aminoácidos 372 al 609). Cuando la toxina mutante fue tratada con dosis altas de jugo intestinal de Manduca sexta, ambos fragmentos fueron degradados. Sin embargo, cuando fueron incubados en VMBC de M. sexta, el fragmento de 26 kDa fue protegido preferencialmente de las proteasas intestinales. Como se ha reportado, la toxina silvestre Cry1Aa también es protegida de la degradación de las proteasas cuando es incubada en VMBC de M. sexta. Sin embargo, cuando se adicionó VMBC de ratón a la mezcla de reacción, ni la toxina Cry1Aa ni la mutante L371K mostraron resistencia a las proteasas y fueron degradadas. Dado que la toxina completa de Cry1Aa y casi todo de los dominios II y III de L371K están protegidos de proteasas en presencia de VMBC del insecto, este estudio sugiere que la inserción de la toxina en la membrana involucra los tres dominios.

Presence and significance of Bacillus thuringiensis Cry proteins associated with the Andean weevil Premnotrypes vorax (Coleoptera: Curculionidae)

The Andean weevil Premnotrypes vorax represents an important cause of damage to Colombian potato crops. Due to the impact of this plague on the economy of the country, we searched for new alternatives for its biological control, based on the entomopathogenic bacteria Bacillus thuringiensis. A total of 300 B. thuringiensis strains obtained from potato plantations infested with P. vorax were analyzed through crystal morphology, SDS-PAGE, PCR and bioassays. We used site- directed mutagenesis to modify the Cry3Aa protein. Most of the B. thuringiensis isolates had a bipyramidal crystal morphology. SDS-PAGE analyses had seven strains groups with σ-endotoxins from 35 to 135 kDa. The genes cry 2 and cry 1 were significantly more frequent in the P. vorax habitat (PCR analyses). Three mutant toxins, 1 (D354E), 2 (R345A, ∆Y350, ∆Y351), and 3 (Q482A, S484A, R485A), were analyzed to assess their activity against P. vorax larvae. Toxicity was low, or absent, against P. vorax for isolates, wild type cry 3Aa and cry 3Aa mutants. The genetic characterization of the collection provides opportunities for the selection of strains to be tested in bioassays against other insect pests of agricultural importance, and for designing Cry proteins with improved insecticidal toxicity. Rev. Biol. Trop. 57 (4): 1235-1243. Epub 2009 December 01.

El gorgojo andino Premnotrypes vorax es una causa importante de daño en los cultivos colombianos de este tubérculo. Debido al impacto que esta plaga tiene sobre la economía del país, nos interesamos en buscar alternativas nuevas para el control biológico de P. vorax, basadas en la bacteria entomopatógena Bacillus thuringiensis. Se recolectaron un total de 300 cepas de B. thuringiensis a partir de plantaciones de papa infestadas con P. vorax, las cuales fueron analizadas por medio de la morfología del cristal, SDS-PAGE, PCR y ensayos biológicos. La mayoría de los aislamientos de B. thuringiensis presentaron cristales bipiramidales. Los análisis de SDS-PAGE indicaron la presencia de siete grupos de cepas con σ- endotoxinas que variaban entre 35 a 135 kDa. Las pruebas con PCR demostraron que los genes cry 2 y cry 1 fueron significativamente más frecuentes en el medioambiente de P. vorax. Además, se utilizó la mutagénesis sitio-dirigida para modificar la proteína Cry3Aa. Se analizaron tres toxinas mutantes, 1 (D354E), 2 (R345A, ∆Y350, ∆Y351), y 3 (Q482A, S484A, R485A), para determinar su actividad contra larvas de P. vorax. Los ensayos de toxicidad señalaron escasa, o nula, actividad hacia P. vorax tanto para las cepas, la toxina Cry3Aa de referencia y las proteínas Cry3Aa mutantes. La caracterización genética de la colección puede proveer oportunidades para la selección de cepas que pueden evaluarse por medio de bioensayos contra otros insectos-plaga de importancia agrícola, y para el diseño de proteínas Cry con actividad toxica mejorada.

Caracterización molecular en pacientes con enfermedad granulomatosa crónica por deficiencia en p47 phox / Molecular characterization in patients with chronic granulomatous disease due to p47phox deficiency

El sistema NAOPH oxidasa es un complejo enzimático transportador de electrones localizado en la membrana de las células fagocíticas. De este sistema hacen parte varias proteínas; un flavocitocromo b558' el cual está conformado por una cadena b (gp91-phox) y una cadena a (p22-phox) y poral menos 3 proteínas citosólicas (p47-phox, p67- phox, p40-phox). Una alteración gen ética en cualquiera de estas proteínas causa el síndrome de Enfermedad Granulomatosa Crónica (EGC). La caracterización de las mutaciones de los pacientes con EGC ha sido fundamental para dilucidar la estructura y función de los componentes del sistema NAOPH oxidasa. En el caso de la p47-phox, se han obtenido hallazgos importantes que la hacen un modelo interesante para estudiar el mecanismo molecular involucrado en regular la expresión y función bioquímica de este sistema. En los pacientes con defecto en la p47-phox investigados hasta ahora, se ha hallado una deleción del dinucleótido GT al comienzo del exón 2 , siendo la mayoría de ellos homocigóticos para esta deleción, la cual posiblemente se debe a eventos de recombinación entre el gen p47 -phox normal y un seudogen recientemente descrito. En el diagnóstico de pacientes no homocigóticos, cualquier mutación encontrada en el análisis del ONA (gONA o cONA) puede representar un cambio sufrido por el seudogen. Por lo tanto, para la identificación precisa del defecto genético es necesario separar el gen normal del seudogen y analizar las secuencias en forma individual. Los pacientes no homocigóticos posiblemente deben tener una segunda mutación en el alelo tipo silvestre diferente a la deleción GT. De otro lado, a través de mutagénesis sitio-dirigida se pueden modificar algunos de los aminoácidos o dominios de la p47-phox, los cuales pueden ser esenciales para su funcionamiento y su relación con la EGC. Con esta metodología, es posible introducir cambios en un gen cuya secuencia es totalmente conocida, el cual es amplificado; las mutantes así generadas pueden dar información acerca de la estructura y función de los genes analizados, observando su efecto sobre la función. De esta manera se puede determinar lo importante que puede ser un cambio estructural en la función de esta proteína.

NADPH oxidase system is an enzymatic electron transport complex localized in the membrane of phagocytic cells. Several proteins belong to this system: A flavocytochrome b558, formed by a b chain (gp91.phox) and an a chain (p22.phox) and, at least, 3 cytosolic proteins (p47.phox, p67.phox and p40 phox). Genetic alteration in any of these proteins causes the syndrome of Chronic Granulomatous Disease (CGD). Characterization of mutations in patients with CGD has been fundamental to elucidate the structure and function of NADPH oxidase system ComponentS. Several findings make p47.phoX an interesting model to study the molecular mechanism involved in regulating the expreSSion and bioChemical function ofthis system. So far, in patients with p47.phoX defect a deletion of dinucleotide GT has been foUnd at the beginning of exon 2; most of them are homocygotic for this deletion which is probably due to recombinant events between normal p47.phoX gen and a recently described pseudogen. Any mutation found when diagnosing non.homocygotic patients (gDNA or cDNA) may represent a pseudogen change. Therefore, for precise identification of the genetic defect it is necessary to separate the normal gen from the pseudogen and to analyze individual sequences. Non.homocygotic patients posibly have a second mutation in the wild type allele different fron GT deletion. On the other hand, through site. oriented mutagenesis it is posible to modify some of the aminoacids or domains of p47.phoX, which may be essential for its function and relationship with CGD. With this method010gy it is possible to introduce changes in a gen whoSe sequence is thoroughly known and which is amplified; mutants So generated can give information concerning the structure and function of the analyzed genes, observing their effect on function. In this way the importance of a structural change on the function of a protein can be determined.