Coping with genetic diversity: the contribution of pathogen and human genomics to modern vaccinology

Vaccine development faces major difficulties partly because of genetic variation in both infectious organisms and humans. This causes antigenic variation in infectious agents and a high interindividual variability in the human response to the vaccine. The exponential growth of genome sequence information has induced a shift from conventional culture-based to genome-based vaccinology, and allows the tackling of challenges in vaccine development due to pathogen genetic variability. Additionally, recent advances in immunogenetics and genomics should help in the understanding of the influence of genetic factors on the interindividual and interpopulation variations in immune responses to vaccines, and could be useful for developing new vaccine strategies. Accumulating results provide evidence for the existence of a number of genes involved in protective immune responses that are induced either by natural infections or vaccines. Variation in immune responses could be viewed as the result of a perturbation of gene networks; this should help in understanding how a particular polymorphism or a combination thereof could affect protective immune responses. Here we will present: i) the first genome-based vaccines that served as proof of concept, and that provided new critical insights into vaccine development strategies; ii) an overview of genetic predisposition in infectious diseases and genetic control in responses to vaccines; iii) population genetic differences that are a rationale behind group-targeted vaccines; iv) an outlook for genetic control in infectious diseases, with special emphasis on the concept of molecular networks that will provide a structure to the huge amount of genomic data.

Structure-function analysis of two variants of mumps virus hemagglutinin-neuraminidase protein

A point mutation from guanine (G) to adenine (A) at nucleotide position 1081 in the hemagglutinin-neuraminidase (HN) gene has been associated with neurovirulence of Urabe AM9 mumps virus vaccine. This mutation corresponds to a glutamic acid (E) to lysine (K) change at position 335 in the HN glycoprotein. We have experimentally demonstrated that two variants of Urabe AM9 strain (HN-A1081 and HN-G1081) differ in neurotropism, sialic acidbinding affinity and neuraminidase activity. In the present study, we performed a structure-function analysis of that amino acid substitution; the structures of HN protein of both Urabe AM9 strain variants were predicted. Based on our analysis, the E/K mutation changes the protein surface properties and to a lesser extent their conformations, which in turn reflects in activity changes. Our modeling results suggest that this E/K interchange does not affect the structure of the sialic acid binding motif; however, the electrostatic surface differs drastically due to an exposed short alpha helix. Consequently, this mutation may affect the accessibility of HN to substrates and membrane receptors of the host cells. Our findings appear to explain the observed differences in neurotropism of these vaccine strains.

Duffy Binding Protein: Análise da diversidade genética em isolados do Plasmodium vivax da Amazônia Brasileira

A invasão dos eritrócitos pelos merozoítos de Plasmodium vivax requer a interação da Duffy binding protein (PvDBP) com o receptor DARC na superfície dos eritrócitos humanos. Esta interação parece ser essencial na formação de uma junção irreversível entre as membranas do merozoíto e da célula do hospedeiro, uma etapa chave no processo de invasão dos eritrócitos. Diante disso, a PvDBP é considerada uma das mais importantes candidatas para compor uma vacina anti-P. vivax. O domínio de ligação da PvDBP (região II, PvDBPII) ao seu receptor é rico em resíduos de cisteína e constitui a região mais polimórfica da proteína. Embora a maioria dos aminoácidos envolvidos na interação PvDBPII-DARC seja invariável, a resposta imune que parece ser direcionada principalmente contra regiões polimórficas da PvDBPII é capaz de bloquear a interação proteína-receptor. Como esta diversidade genética pode comprometer a eficácia de uma vacina que inclua este antígeno, o objetivo principal deste trabalho foi caracterizar o padrão de diversidade do domínio de ligação da Duffy binding protein de isolados de P. vivax de várias regiões da Amazônia Legal brasileira. Utilizando ferramentas estatísticas adequadas, evidenciou-se o papel da recombinação e da seleção natural na geração e manutenção da diversidade genética na PvDBPII.

Em adição, a seleção positiva parece agir em codons individuais da proteína, preferencialmente nos epitopos de células T e B da PvDBPII. Em geral, estas regiões apresentam uma diversidade genética maior do que toda a região II da proteína. Em conjunto, os resultados obtidos sugerem que o sistema imune do hospedeiro é um importante fator de seleção de mutações relacionadas ao escape do parasito. Adicionalmente, avaliou-se a associação entre prevalência dos alelos DARC e suscetibilidade à infecção por P. vivax na Amazônia Legal brasileira. Com este objetivo foi desenvolvida uma nova metodologia de genotipagem de DARC baseada no PCR em tempo real. Este foi um dos primeiros estudos a evidenciar uma associação significativa entre indivíduos que expressam dois alelos DARC funcionais e maior suscetibilidade à infecção por P. vivax e o primeiro a caracterizar o padrão de variabilidade genética da DBPII em isolados de P. vivax do Brasil.

Duffy Binding Protein: análise da diversidade genética em isolados do plasmodium vivax da Amazônia Brasileira / Duffy Binding Protein: analysis of genetic diversity in plasmodium vivax isolates from the Brazilian Amazon

A invasão dos eritrócitos pelos merozoítos de Plasmodium vivax requer a interação da Duffy binding protein (PvDBP) com o receptor DARC na superfície dos eritrócitos humanos. Esta interação parece ser essencial na formação de uma junção irreversível entre as membranas do merozoíto e da célula do hospedeiro, uma etapa chave no processo de invasão dos eritrócitos. Diante disso, a PvDBP é considerada uma das mais importantes candidatas para compor uma vacina anti-P. vivax. O domínio de ligação da PvDBP (região II, PvDBPII) ao seu receptor é rico em resíduos de cisteína e constitui a região mais polimórfica da proteína. Embora a maioria dos aminoácidos envolvidos na interação PvDBPII-DARC seja invariável, a resposta imune que parece ser direcionada principalmente contra regiões polimórficas da PvDBPII é capaz de bloquear a interação proteína-receptor. Como esta diversidade genética pode comprometer a eficácia de uma vacina que inclua este antígeno, o objetivo principal deste trabalho foi caracterizar o padrão de diversidade do domínio de ligação da Duffy binding protein de isolados de P. vivax de várias regiões da Amazônia Legal brasileira. Utilizando ferramentas estatísticas adequadas, evidenciou-se o papel da recombinação e da seleção natural na geração e manutenção da diversidade genética na PvDBPII.

Em adição, a seleção positiva parece agir em codons individuais da proteína, preferencialmente nos epitopos de células T e B da PvDBPII. Em geral, estas regiões apresentam uma diversidade genética maior do que toda a região II da proteína. Em conjunto, os resultados obtidos sugerem que o sistema imune do hospedeiro é um importante fator de seleção de mutações relacionadas ao escape do parasito. Adicionalmente, avaliou-se a associação entre prevalência dos alelos DARC e suscetibilidade à infecção por P. vivax na Amazônia Legal brasileira. Com este objetivo foi desenvolvida uma nova metodologia de genotipagem de DARC baseada no PCR em tempo real. Este foi um dos primeiros estudos a evidenciar uma associação significativa entre indivíduos que expressam dois alelos DARC funcionais e maior suscetibilidade à infecção por P. vivax e o primeiro a caracterizar o padrão de variabilidade genética da DBPII em isolados de P. vivax do Brasil.

Frequências, na população brasileira, de haplótipos formados por quatros locos do cromossomos X ligados ao gene FMR1 / Frequencies in the Brazilian population, haplotypes formed by four of the loci linked to chromosome X gene FMR1

Para a realização desse projeto, foram estudados três grupos representativos da população brasileira (indígena, afro-derivado e urbano), com o objetivo de caracterizar sua estrutura genética c verificar a presença de haplótipos específicos para cada população. Foram utilizados quatro locos (DXS548, FRAXACl, FRAXAC2 e DXS8084), ligados ao gene FMRl, causador da síndrome do X-frágil. Os locos DXS548 e o FRAXACl demonstraram que somente a população indígena é homogênea: O alelo FRAXAC2*4+ foi o mais frequente em todas as populações. Esse resultado concorda com Crawford et aI, (2000), mas discorda de Mingroni-Netto et aI, (1999), que apresentaram o FRAXAC2*5+, como o mais frequente. Os desvios de Hardy-Weiriberg (HW), apresentados nas comunidades, foram explicados pelo tamanho amostra I e endogamia. A diversidade gênica, na população indígena, devido ao seu isolamento e pequeno número amostral, foi menor do que nas populações urbanas e afro­-derivadas. A comparação interpopulacional (Fst) diferenciou t,?dos os grupos mas não diferenciou significativamente as populações dentro dos grupos. Para a análise haplotípica foram utilizados três grupos de locos.: (DXS548, FRAXACI); (DXS548, FRAXACI e FRAXAC2) e (DXS548, FRAXACI, FRAXAC2 e DXS8084). No primeiro grupo, os haplótipos 7/3 e 7/4 foram os mais frequentes, em todas as populações. Quando analisados grupos de três locos, na população urbana, o haplótipo mais frequente, foi o 7/3/4+; estando de acordo com dados da literatura. Nas comunidades afro-derivadas e indígenas este haplótipo não foi encontrado, com exceção de Sítio Velho que apresentou, além do 7/3/4+, o haplótipo 7/3/3+, com-:a mesma frequência. Em Gaucinha e Mimbó, o haplótipo 7/3/3+ foi o mais frequente. Ao analisar o terceiro grupo, foram revelados dois haplótipos específicos, na população indígena (7/4/4+/7 e 7/3/3/5) e um em Sítio Velho (7/3/3+/5). A análise de variância molecular demonstrou que existe grande variação entre os indivíduos, dentro das populações e que o grupo urbano contribuiu significativamente para a diferenciação das populações, dentro dos grupos. Os locos estudado~ não foram ideais para a construção de dendrogramas, pois apresentaram baixos valores de bootstraps e não diferenciaram os grupos. A estimativa de mistura étnica, assumindo o modelo di-híbrido (africanos e europeus) demonstrou quc a população de Minas Gerais sofreu maiores contribuições africanas (31 %) do que São Paulo (25%), fato coerente com a história que aponta Minas Gerais como estado que mais recebeu negros, no passado. Apesar do pequeno número de amostras analisadas, csse trabalho apresenta dados quc podem contribuir para um maior conhecimento da estrutura genética populacional brasileira; determinar os locos que melhor diferenciam as populações estudadas, c fornecer informações que podem subsidiar estudos relacionados à determinação das causas das expansões do gene FMR 1, causador da síndrome do X-frágil.

Receptores de células T y complejo CD3 / T cell receptors and CD3 complex

Tanto las células T como las células B contactan con antígenos a través de moléculas especializadas presentes en su superficie. En las células T, se han descrito dos tipos de estructuras para interactuar con los antígenos, se trata de los TCR alfa-beta y TCR gamma-delta. El primero, es el que se distribuye más ampliamente en las células T periféricas y timocitos portadores de un receptor definido. Se trata de moléculas heterodiméricas compuestas de dos cadenas polipeptídicas unidas entre sí. En una célula se expresan miles de copias de un receptor cuyas especificidades epitópicas son idénticas, sin embargo, la presencia de un tipo de receptor excluye la del otro. Las células T pueden ser, independiente del receptor desplegado, CD8- CD4+ o CD8+ CD4-, cumpliendo, por lo tanto, funciones ayudadoras o citotóxicas, respectivamente. Ambos receptores para efectuar sus actividades requieren de la expresión de un complejo proteico llamado CD3, compuesto por 5 proteínas denominadas alfa, delta, épsilon, dseta y eta cuya misión, en presencia de interacción con el antígeno, es transducir señales a través de la membrana celular del linfocito. El receptor de la célula T reconoce al antígeno asociado a proteínas de la membrana plasmática, conocidas como moléculas de histocompatibilidad clase I o II, dependiendo si se trata de células no inmunológicamente comprometidas, o bien, células presentadoras de antígeno o linfocitos, respectivamente. La estrategia para generar diversidad en los TCR es similar a la utilizada para las inmunoglobulinas. Los genes que codifican para los TCR se generan por medio de recombinaciones somáticas de segmentos génicos durante la etapa germinal de las células T

Impacto de nuevas metodologías en el estudio de parásitos: III. Variación genética intraespecie de Leishmania mexicana mexicana y su repercusión sobre la fisiopatogenia de la enfermedad / Impact of new methodologies in the study of parasites: III

Las formas más frecuentes de leishmaniosis en México son la leishmaniosis cutánea localizada (LCL), un padecimiento relativamente benigno, y la leishmaniosis cutánea diseminada (LCD), de evolución generalmente mortal. La caracterización fenotípica de parásitos aislados de pacientes con LCL y LCD ha revelado, que el agente casual de ambos cuadros clínicos de Leishmania mexicana mexicana. Sin embargo la resistencia a medicamentos y la virulencia inesperada en algunos pacientes hacen sospechar una posible introducción de nuevas especies en México o bien mutaciones intraespecie. En este trabajo realizamos un análisis genotípico del kADN de leishmanias aisladas de pacientes con LCL y LCD, mediante endonucleasas de restricción (Hae II.I y Hpa II) y RAPD (amplificacion aleatoria de ADN polimórfico con oligonucleótidos no específicos). Encontramos polimorfismo en las digestiones sugestivas de la introducción de nuevas especies en México, lo cual se tendrá que confirmar con PCR especie-especificos. Mediante el RAPD detectamos una ligera diferencia entre un paciente con LCD y otros con LCL. Esta variación intraespecie pudiera ser una de las posibles causas de diseminación del parásito.