طراحی و بهینه سازی برون تنی پروتئین Loa22 در سرووارهای بیماریزای لپتوسپیرا جهت استفاده در واکسن نوترکیب
مهدی قره‌خانی
1
(
گروه میکروبیولوژی، واحد لاهیجان، دانشگاه آزاد اسلامی، لاهیجان، ایران
)
محمد فائزی قاسمی
2
(
گروه میکروبیولوژی واحد لاهیجان، دانشگاه آزاد اسلامی ، لاهیجان، ایران
)
پژواک خاکی
3
(
بخش میکروب شناسی، موسسه تحقیقات واکسن و سرم سازی رازی، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، ایران
)
مجید اسمعیلی زاد
4
(
بخش تحقیق و توسعه، موسسه تحقیقات واکسن و سرم سازی رازی، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، ایران
)
مجید تبیانیان
5
(
بخش ایمنی شناسی، موسسه تحقیقات واکسن و سرم سازی رازی، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، ایران
)
کلید واژه: لپتوسپیروز, لپتوسپیرا, لیپوپروتئین Loa22, بیوانفورماتیک, ایمونوانفورماتیک, اپی‌توپ,
چکیده مقاله :
لپتوسپیروز که توسط گونه‌های بیماریزا لپتوسپیرا ایجاد می‌شود، یک بیماری مشترک بین انسان و دام است که پیامدهای بهداشت عمومی قابل توجهی دارد. توسعه یک واکسن موثر علیه لپتوسپیروز به دلیل ماهیت پیچیده پاتوژن و پروتئین‌های غشاء خارجی آن (OMPs) کماکان بصورت یک چالش باقی مانده است. پروتئین غشاء خارجی Loa22 به دلیل خواص ایمنی‌زایی آن به عنوان یک واکسن بالقوه مطرح شده است. هدف این مطالعه بررسی کاربرد بیوانفورماتیک و ایمونوانفورماتیک در مطالعه پروتئین Loa22، توضیح ویژگی‌های ساختاری و عملکردی آن، و ارزیابی پتانسیل آن به عنوان یک واکسن کاندید برای لپتوسپیروز است. بر اساس یافته‌های این تحقیق، بر اساس همتراز چند توالی، پروتئین Loa22 در سویه‌های مختلف لپتوسپیراهای بیماریزا، بیش از 99 درصد همگرایی نشان داد. ارزیابی ویژگی های مختلف این پروتئین ، آن را یک آنتی‌ژن ایمنی زا، غیر‌توکسیک و غیر‌حساسیت‌زا نشان داد که می تواند پاسخ های ایمنی را در برابر عفونت لپتوسپیرا القاء کند. همچنین بر اساس پیش‌بینی‌ها، نشان داده شد که پروتئینLoa22 ساختاری پایدار، محلول و دارای نواحی آنتی‌ژنی اپی‌توپ های سلول T و B است که در تمام ایزوله ها حفظ شده است و می تواند در طراحی واکسن پروتئینی نوترکیب و یا استفاده از اپی‌توپ های ایمونوژن آن در ترکیب با اپی‌توپ‌های ایمونوژن سایر پروتئین های حفاظت شده غشاء خارجی لپتوسپیرا قابل استفاده باشد.
چکیده انگلیسی :
Leptospirosis, caused by pathogenic Leptospira species, is a globally prevalent zoonotic disease with significant public health implications. Developing an effective vaccine against leptospirosis remains a challenge due to the complex nature of the pathogen and its outer membrane proteins (OMPs). The outer membrane protein Loa22 has been proposed as a potential vaccine due to its immunogenic properties. The study aims to explore the application of bioinformatics and immunoinformatics in studying the Loa22 protein, elucidating its structural and functional characteristics, and assessing its potential as a vaccine candidate for leptospirosis. Based on the findings of multiple sequence alignment, Loa22 protein showed more than 99% convergence in different strains of pathogenic leptospira. The evaluation of different features of this protein showed it to be an immunogenic, non-toxic, and non-allergenic antigen that can induce immune responses against Leptospira infection. Also, based on the predictions, it was shown that Loa22 protein is a stable structure, soluble, and has antigenic areas of T and B cell epitopes, which are conserved in all pathogenic serovars and can be used in the design of the recombinant vaccine or the use of its immunogenic epitopes in the combination with the immunogen epitopes of other conserved proteins of Leptospira outer membrane should be used in the design of multi-epitope vaccine.
Adler, B. (2015). Vaccines against leptospirosis. Leptospira and leptospirosis, 251-272. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-662-45059-8_10
Adler, B. & Faine, S. (1977). Host immunological mechanisms in the resistance of mice to leptospiral infections. Infect Immun, 17, 67-72. https://doi.org/10.1128/iai.17.1.67-72.1977
Balamurugan, V., Thirumalesh, S., Alamuri, A., SowjanyaKumari, S., Vinod Kumar, K., Linshamol, L., et al. (2021). Evaluation of the diagnostic potential of recombinant leptospiral OMP A‐like protein (Loa22) and transmembrane (OmpL37) protein in latex agglutination test for serodiagnosis of leptospirosis in animals. Lett Appl Microbiol, 72, 730-740. https://doi.org/10.1111/lam.13461
Cerqueira, G. M., Souza, N. M., Araújo, E. R., Barros, A. T., Morais, Z. M., Vasconcellos, S. A., et al. (2011). Development of transcriptional fusions to assess Leptospira interrogans promoter activity. PLoS One, 6, e17409. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0017409
Clark, D. P. & Pazdernik, N. J. (2016). Recombinant Proteins. Biotechnology. Second Edition ed. http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-12-385015-7.00001-6
Clifford, J. N., Høie, M. H., Deleuran, S., Peters, B., Nielsen, M. & Marcatili, P. (2022). BepiPred‐3.0: Improved B‐cell epitope prediction using protein language models. Protein Science, 31, e4497. https://doi.org/10.1002/pro.4497
Dellagostin, O. A., Grassmann, A. A., Rizzi, C., Schuch, R. A., Jorge, S., Oliveira, T. L., et al. (2017). Reverse vaccinology: an approach for identifying leptospiral vaccine candidates. Int J Mol Sci, 18, 158. https://doi.org/10.3390/ijms18010158
Dhayabaran, V., Chidambaram, D. & Krishnaswamy, P. R. (2020). Identification of compounds for improved growth of Leptospira in culture and isolation. Diagn Microbiol Infect Dis, 96, 114923. https://doi.org/10.1016/j.diagmicrobio.2019.114923
Dong, H., Hu, Y., Xue, F., Sun, D., Ojcius, D. M., Mao, Y., et al. (2008). Characterization of the ompL1 gene of pathogenic Leptospira species in China and cross-immunogenicity of the OmpL1 protein. BMC Microbiol, 8, 1-12. https://doi.org/10.1186/1471-2180-8-223
Fraser, T. & Brown, P. D. (2017). Temperature and Oxidative Stress as Triggers for Virulence Gene Expression in Pathogenic Leptospira spp. Front Microbiol, 8, 783. https://doi.org/10.3389/fmicb.2017.00783
Gharakhani, M., Ghasemi, M. F., Khaki, P., Esmaelizad, M. & Tebianian, M. (2022). Improvement the Expression and Purification of Loa22: A Lipoprotein with OmpA domain from Pathogenic Leptospira Serovars. https://doi.org/10.18502/ijm.v15i5.13873
Grassmann, A. A., Souza, J. D. & McBride, A. J. A. (2017). A universal vaccine against leptospirosis: are we going in the right direction? Front Immunol, 8, 256. https://doi.org/10.3389/fimmu.2017.00256
Haake, D. A. & Matsunaga, J. (2010). Leptospira: a spirochaete with a hybrid outer membrane. Molecular microbiology, 77, 805-814. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.2010.07262.x
Haake, D. A. & Zückert, W. R. (2015). The leptospiral outer membrane. Leptospira and Leptospirosis, 187-221. https://doi.org/10.1007/978-3-662-45059-8_8
Hallgren, J., Tsirigos, K. D., Pedersen, M. D., Almagro Armenteros, J. J., Marcatili, P., Nielsen, H., et al. (2022). DeepTMHMM predicts alpha and beta transmembrane proteins using deep neural networks. BioRxiv, 2022.04. 08.487609. https://doi.org/10.1101/2022.04.08.487609
Hidalgo, J., Rodriguez-Vega, G. M. & Arriaga, P. (2020). Leptospirosis. Evidence-Based Critical Care: A Case Study Approach. Cham: Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-030-26710-0_66
Hsu, S.-H., Chang, M.-Y., Lin, S.-M., Ko, Y.-C., Chou, L.-F., Tian, Y.-C., et al. (2021). Peptidoglycan mediates Leptospira outer membrane protein Loa22 to toll-like receptor 2 for inflammatory interaction: a novel innate immune recognition. Scientific reports, 11, 1-16. https://doi.org/10.1038/s41598-020-79662-8
Hsu, S.-H. & Yang, C.-W. (2022). Insight into the structure, functions, and dynamics of the leptospira outer membrane proteins with the pathogenicity. Membranes, 12, 300. https://doi.org/10.3390/membranes12030300
Jumper, J., Evans, R., Pritzel, A., Green, T., Figurnov, M., Ronneberger, O., et al. (2021). Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold. Nature, 596, 583-589. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03819-2
Kaur, D., Verma, R., Kumar, B., Deka, D. & Agrawal, R. K. (2014). Cloning, Phylogenetic Analysis and Expression of Recombinant LipL41, Loa22 and LipL21 Proteins from Leptospira interrogans. Int J Environ Agric Biotechnol, 7, 409-420. http://dx.doi.org/10.5958/2230-732X.2014.01345.X
Koizumi, N. & Watanabe, H. (2003). Molecular cloning and characterization of a novel leptospiral lipoprotein with OmpA domain. FEMS Microbiol Lett, 226, 215-219. https://doi.org/10.1016/S0378-1097(03)00619-0
Lin, M.-H., Chang, Y.-C., Hsiao, C.-D., Huang, S.-H., Wang, M.-S., Ko, Y.-C., et al. (2013). LipL41, a hemin binding protein from Leptospira santarosai serovar Shermani. PLoS One, 8, e83246. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0083246
Lin, X. a., Xiao, G., Luo, D., Kong, L., Chen, X., Sun, D., et al. (2016). Chimeric epitope vaccine against Leptospira interrogans infection and induced specific immunity in guinea pigs. BMC Microbiol, 16, 1-9. https://doi.org/10.1186/s12866-016-0852-y
Mohammadi, Y. M., Khaki, P., Bidhendi, S. M. & Nofeli, M. (2022). Evaluation of the Presence of Gene Encoding Loa22 in Pathogenic Leptospira Serovars. Iran J Med Microbiol, 16(5), 392-398. http://dx.doi.org/10.30699/ijmm.16.5.392
Monaris, D., Sbrogio-Almeida, M., Dib, C., Canhamero, T., Souza, G., Vasconcellos, S., et al. (2015). Protective immunity and reduced renal colonization induced by vaccines containing recombinant Leptospira interrogans outer membrane proteins and flagellin adjuvant. Clin Vaccine Immunol, 22, 965-973. https://doi.org/10.1128/CVI.00285-15
Nazifi, N., Mousavi, S. M., Moradi, S., Jaydari, A., Jahandar, M. H. & Forouharmehr, A. (2018). In Silico B Cell and T Cell epitopes evaluation of lipL32 and OmpL1 proteins for designing a recombinant multi-epitope vaccine against leptospirosis. International Journal of Infection, 5. https://doi.org/10.5812/iji.63255
Raja, V. & Natarajaseenivasan, K. (2015). Pathogenic, diagnostic and vaccine potential of leptospiral outer membrane proteins (OMPs). Crit Rev Microbiol, 41, 1-17. https://doi.org/10.3109/1040841X.2013.787387
Ristow, P., Bourhy, P., McBride, F. W. d. C., Figueira, C. P., Huerre, M., Ave, P., et al. (2007). The OmpA-like protein Loa22 is essential for leptospiral virulence. PLoS Pathog, 3, e97. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.0030097
Victor, A. A. R., Abraham, S., Tennyson, J. & Pradhan, N. (2015). In silico prediction and threading based epitope mapping of OmpA-like outer membrane Leptospiral Lipoprotein Loa22. Int J Sci Eng Res, 6, 477-485
Yan, W., Faisal, S. M., McDonough, S. P., Chang, C.-F., Pan, M.-J., Akey, B., et al. (2010). Identification and characterization of OmpA-like proteins as novel vaccine candidates for Leptospirosis. Vaccine, 28, 2277-2283. https://doi.org/10.1016/j.vaccine.2009.12.071
Zhang, Y., Bao, L., Zhu, H., Huang, B. & Zhang, H. (2010). OmpA-like protein Loa22 from Leptospira interrogans serovar Lai is cytotoxic to cultured rat renal cells and promotes inflammatory responses. Acta Biochim Biophys Sin, 42, 70-79. https://doi.org/10.1093/abbs/gmp109