In Silico Prediction of B-Cell and T-Cell Epitopes of Protective Antigen of Bacillus anthracis in Development of Vaccines Against Anthrax

محورهای موضوعی : Camel

م. طهمورث‌پور ¹ , ن. نظیفی ² , ز. پیرخضرانیان ³

1 - Department of Animal Science, Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
2 - Department of Animal Science, Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
3 - Department of Animal Science, Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran

تاریخ دریافت : 1394/10/22 تاریخ پذیرش : 1395/12/11 تاریخ انتشار : 1396/06/10

کلید واژه: epitope prediction, protective antigen (PA), &lt, i&gt, anthracis&lt, /i&gt, ,

چکیده مقاله :

Protective antigen (PA), a subunit of anthrax toxin from Bacillus anthracis, is known as a dominant component in subunit vaccines in protection against anthrax. In order to avoid the side effects of live attenuated and killed organisms, the use of linear neutralizing epitopes of PA is recommended in order to design recombinant vaccines. The present study is aimed at determining the dominant epitopes based on multi-parameter and multi-method analysis. The epitopes were identified by the well-known online bioinformatics server and then they were selected and compared based on the highest score and the highest repetition rate. Further analysis on predicted epitopes has been carried out by online VaxiJen 2.0 and Protein Digest server. Among the selected epitopes, those with the highest antigenicity score (>0.9 threshold) and less susceptibility to gastrointestinal tract proteases, were selected as final epitopes. Final B-cell predicted epitopes were amino acid residues 292-308, 507-521 and 706-719; residues 17-31, 315-329 and 385-400 which were determined as the best major histocompatibility complex I (MHCI) class of T-cells epitopes; in addition, residues 455-464 and 661-669 were also considered the best MCHII class of T-cells epitopes. Since random coil structure had a high probability of protein forming of antigenic epitope, the results of secondary structure analysis of the final PA epitopes have shown that all these epitopes form a 100% random coil structure.

چکیده انگلیسی:

آنتی‌ژن حفاظتی (PA) زیر واحدی از توکسین سیاه زخم در باکتری Anthracis می‌باشد که به عنوان یک عامل مهم در واکسن‌های حفاظت در برابر بیماری سیاه زخم شناخته شده است. یکی از اهداف طراحی واکسن‌های نوترکیب اجتناب از عوارض جانبی ارگانیسم‌های کشته شده یا ضعیف شده با استفاده از اپی‌توپ‌های خطی خنثی‌ساز آنتی‌ژن‌های حفاظتی می‌باشد. مطالعه حاضر با هدف تعیین اپی‌توپ‌های غالب بر اساس آنالیزهای چند پارامتری انجام شد. از سرورهای بیوانفورماتیکی آنلاین شناخته شده به منظور پیش‌بینی اپی‌توپ‌ها استفاده شد و بر اساس بالاترین امتیاز و بیشترین تکرار در نرم افزارهای مورد استفاده، بهترین اپی‌توپ‌ها انتخاب شدند. تجزیه و تحلیل‌های بیشتر در مورد اپی‌توپ‌های پیش‌بینی شده با استفاده از نرم افزار آنلاین VaxiJen 2.0 و سرور‌های هضم پروتئینی (Protein Digest) انجام پذیرفت. در میان اپی‌توپ‌های انتخاب شده در مراحل قبل، آنهایی که دارای بالاترین آنتی‌ژنسیته با حد آستانه 5/0 و کمترین جایگاه محدودکننده پروتئازهای دستگاه گوارش بودند به عنوان اپی‌توپ‌های نهایی انتخاب شدند. اپی‌توپ‌های نهایی برای سلول‌های B شامل اسید‌آمینه‌های 308-292، 521-507 و 719-706 بودند. همچنین اسید‌آمینه‌های 31-17، 329-315 و 400-385 به عنوان بهترین اپی‌توپ‌های کلاس MCHI سلول‌های T و اسید‌آمینه‌های شماره 464-455 و 669-661 به عنوان بهترین اپی‌توپ‌های انتخابی برای کلاس MCHII در سلول‌های T پیش‌بینی شدند. از آنجایی که وجود ساختار پیچه‌های تصادفی موجب بالا رفتن احتمال شکل‌گیری اپی‌توپ آنتی‌ژنتیک در ساختار پروتئین می‌شود، آنالیز نهایی ساختار دوم برای اپی‌توپ‌های نهایی PA نشان داد که تمام این اپی‌توپ‌ها دارای ۱۰۰ درصد ساختار مارپیچ تصادفی (نامنظم) هستند.

منابع و مأخذ:

Abboud N. and Casadevall A. (2008). Immunogenicity of Bacillus anthracis protective antigen domains and efficacy of elicited antibody responses depend on host genetic background. Clin. Vaccine Immunol. 15(7), 1115-1123.

Brey R.N. (2005). Molecular basis for improved anthrax vaccines. Adv. Drug. Deliv. Rev. 57, 1266-1292.

Cassataro J., Estein S.M. and Pasquevich K.A. (2005). Vaccination with the recombinant Brucella outer membrane protein 31 or a derived 27-amino-acid synthetic peptide elicits a CD4+ T helper 1 response that protects against Brucella melitensis infection. Infect. Immun. 73, 8079-8088.

Farchaus J.W., Ribot W.J., Jendrek S. and Little S.F. (1998). Fermentation, purification, and characterization of protective antigen from a recombinant, avirulent strain of Bacillus anthracis. Appl. Environ. Microbiol. 64, 982-991.

Flick S.H.C., Walker N.J., Gibson P., Bullifent H., Hayward S., Miller J., Titball R.W. and Williamson E. D. (2002). A recombinant carboxy terminal domain of the protective antigen of Bacillus anthracis protects mice against anthrax infection. Infect. Immun. 70, 1653-1656.

Forouharmehr A. and Nassiry M.R. (2015). B and T-cell epitopes prediction of the P40 antigen for developing mycoplasma agalactiae vaccine using Bioinformatic Tools. Genet. Millennium. 13(1), 3954-3961.

Geourjon C. and Deléage G. (1995). SOPMA significant improvements in protein secondary structure prediction by consensus prediction from multiple alignments. Comput. Appl Biosci. 11, 681-684.

Gordon V.M., Klimpel K.R., Arora N., Henderson M.A. and Leppla S.H. (1995). Proteolytic activation of bacterial toxins by eukaryotic cells is performed by furin and by additional cellular proteases. Infect. Immun. 63, 82-87.

Inglesby T.V., O’Toole T., Henderson D.A., Bartlett J.G., Ascher M.S., Eitzen E., Friedlander A.M., Gerberding J., Hauer J., Hughes J., McDade J., Osterholm M.T., Parker G., Perl T.M., Russell P.K. and Tonat K. (2002). Anthrax as a biological weapon, 2002: updated recommendations for management. J. Am. Med. Assoc. 287, 2236-2252.

Kaur M., Chug H., Singh H., Chandra S., Mishra M., Sharma M. and Bhatnagar R. (2009). Identification and characterization of immunodominant B-cell epitope of the C-terminus of protective antigen of Bacillus anthracis. Mol. Immunol. 46(10), 2107-2115.

Leppla S.H. (1982). Anthrax toxin edema factor: a bacterial adenylate cyclase that increases cyclic AMP concentrations of eukaryotic cells. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 79, 3162-3166.

Leppla S.H., Robbins J.B., Schneerson R. and Shellac J. (2002). Development of an improved vaccine for anthrax. Clin. Invest. 110, 141-144.

Little S.F., Ivins B.E., Fellows P.F. and Friedlander A.M. (1997). Passive protection by polyclonal antibodies against Bacillus anthracis infection in guinea pigs. Infect. Immun. 65, 5171-5175.

Little S.F. and Ivins B.E. (1999). Molecular pathogenesis of Bacillus anthracis infection. Microbes Infect. 2, 131-139.

Li Y., Liu X. and Zhu Y. (2013). Bioinformatic prediction of epitopes in the Emy162 antigen of Echinococcus multilocularis. Exp. Ther. Med. 6, 335-340.

Pitt M.L., Little S.F., Ivins B.E., Fellows P., Barth J., Hewetson J., Gibbs P., Dertzbaugh M. and Friedlander A.M. (2001). In vitro correlate of immunity in a rabbit model of inhalational anthrax. Vaccine. 19, 4768-4773.

Ponomarenko J.V. and Van R. (2009). B-cell epitope prediction. Struct. Bioinform. 35, 849-879.

Stanley J.L. and Smith H. (1961). Purification of factor I and recognition of a third factor of the anthrax toxin. J. Gen. Microbiol. 26, 49-63.

Tabatabai L.B. and Pugh J. (1995). Modulation of immune responses in Balb/c mice vaccinated with Brucella abortus Cu-Zn superoxide dismutase synthetic peptide vaccine. Vaccine.  12, 919-924.

Toes R.E., Nussbaum A.K. and Degermann S. (2001). Discrete cleavage motifs of constitutive and immuno proteasomes revealed by quantitative analysis of cleavage products. J. Exp. Med. 194(1), 1-12.

Vitale G., Pellizzari R., Recchi C., Napolitani G., Mock M. and Montecucco C. (1998). Anthrax lethal factor cleaves the N-terminus of MAPKKs and induces tyrosine/threonine phosphorylation of MAPKs in cultured macrophages. Biochem. Biophys. Res. Commun. 248, 706-711.

Vizcaíno N., Zygmunt M.S., Verger J.M., Grayon M. and Cloeckaert A. (1997). Localization and characterization of a specific linear epitope of the Brucella DnaK protein. FEMS Microbiol. Lett. 154, 117-122.

Wang W., Wu J. and Qiao J. (2014). Evaluation of humoral and cellular immune responses to BP26 and OMP31 epitopes in the attenuated Brucella melitensis vaccinated sheep. Vaccine. 32, 825-833.

Wass M.N., Kelley L.A. and Sternberg M.J. (2010). 3DLigandSite: predicting ligand-binding sites using similar structures. Nucleic Acids Res. 38, 469-473.

Yamaguchi H., Miura H. and Ohsumi K. (1996). Analysis of the epitopes recognized by mouse monoclonal antibodies directed to Yersinia enterocolitica heat-shock protein 60. Microbiol. Immunol. 40, 77-80.

Yang X., Jerod A., Sky B., Ling C., Beata C., Theresa T. and David W.P. (2013). Progress in Brucella vaccine development. Front. Biol. 8(1), 60-77.

Yousefi S., Tahmoorespur M. and Sekhavati. M.H. (2015). B and T-cell epitope prediction of the OMP25 antigen for developing Brucella melitensis vaccines for sheep. Iranian J. Appl. Anim. Sci. 5(3),629-638.

Zhang W., Liu J., Zhao M. and Li Q. (2012). Predicting linear B- cell epitopes by using sequence - derived structural and physico-chemical features. Int. J. Data Mining. Bioin. 6(5), 557-569.