• No results found

Characterization of assemblage specificgenes in Giardia intestinalisFranziska Pietsch

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Characterization of assemblage specificgenes in Giardia intestinalisFranziska Pietsch"

Copied!
33
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Characterization of assemblage specific genes in Giardia intestinalis

Franziska Pietsch

Degree project in biology, Master of science (2 years), 2010 Examensarbete i biologi 45 hp till masterexamen, 2010

Biology Education Centre and Department of Cell and Molecular Biology, Uppsala University

Supervisor: Staffan Svärd

(2)

Table of Contents 

 

1. INTRODUCTION ... 2 

1.1 Key features of Giardia intesinalis trophozoites and cysts ... 2 

1.2 Clinical impact, symptoms and pathogenicity of G. intestinalis... 2 

1.3 Life cycle of G. intestinalis ... 3 

1.4 Genotypes of G. intestinalis and assemblage specific genes... 4 

1.5 Aim of this study ... 5 

2. RESULTS ... 6 

2.1 Selection of assemblage specific genes by bioinformatics analysis ... 6 

2. 2 Expression check of the selected assemblage specific sequences and preparation of vector  constructs ... 6 

2.3 Encystation of trophozoites in different encystation media... 7 

2. 4 Transfection of Giardia trophozoites and localization of assemblage specific genes ... 9 

3. DISCUSSION ... 14 

4. MATERIALS AND METHODS... 19 

4.1 Bioinformatics... 19 

4.2 Oligonucleotides ... 19 

4.3 Expression check... 19 

4.4 Preparation of vector systems for localizations studies ... 20 

4.4.1 Cloning into expression systems... 20 

4.4.2 Mini‐Maxi Preparation ... 20 

4.5 Sequencing of plasmids ... 21 

4.6 Cell culture ... 21 

4.7 DNA extraction ... 21 

4.8 RNA isolation ... 22 

4.9 Transfection of Giardia trophozoites by electroporation ... 22 

4.10 Encystation ... 23 

4.11 Watertreatment of cysts ... 23 

4.12 Cytoskeleton preparations... 23 

4.13 Paraformaldehyde (PFA) and Methanol/Acetone Fixation ... 24 

4.14 Localization of specific proteins/Immunostaining of HA‐tag transfectants... 24 

5. ACKNOWLEDGMENTS ... 25 

6. REFERENCES... 26 

7. APPENDIX ... 28   

 

(3)

1. INTRODUCTION   

1.1 Key features of Giardia intesinalis trophozoites and cysts   

The intestinal eukaryotic parasite Giardia intestinalis (also referred to as Giardia lamblia or  Giardia duodenalis) is a binucleated flagellate belonging to the order of diplomonadida. It is  further  classified  as  a  diplomonad,  whose  members  are  found  in  anaerobic  or  microaerophilic environments 

1

.  

The  parasite  passes  through  two  life  cycle  stages:  an  infectious  cyst  and  a  disease  causing  trophozoite. Cysts are oval shaped and approximately 8‐12 µm long and 7‐10 µm wide. They  are able to survive in water and moist environments for several months, due to their strong  cyst  wall,  that  protects  the  cells  from  hypotonic  lysis 

2

.  The  major  components  of  the  cyst  wall  are  N‐acetylgalactosamine  and  three  cyst  wall  proteins  (CWP1,  CWP2,  and  CWP3) 

1,3

.  The vegetative growing trophozoites are pear‐shaped and measure 12‐15 µm in length and  5‐9  µm  in  width.  Their  two  nuclei  are  symmetrically  placed  on  either  side  of  the  midline. 

Though eukaryotic, Giardia trophozoites lack mitochondria, peroxisomes and a typical Golgi  apparatus.  The  cytoskeleton  includes  one  or  two  median  bodies  of  unknown  function,  a  ventral  adhesive  disk  and  four  pairs  of  flagella  (anterior,  caudal,  posterior,  and  ventral),  which emerge from basal bodies 

1,3

.  

 

1.2 Clinical impact, symptoms and pathogenicity of G. intestinalis   

G. intestinalis is a major cause of diarrheal disease worldwide with approximately 280 million  symptomatic  human  infections  (giardiasis)  every  year 

1

.  The  human  prevalence  rate  of  giardiasis is 2‐7% in industrial countries, while in most developing countries, 20‐30% of the  human  population  are  carriers  of  giardial  parasites 

3

.  Furthermore,  G.  intestinalis  is  a  potential zoonotic pathogen and in addition to humans, more than 40 mammalian species,  including  dogs,  cats,  cattle  etc.  are  susceptible  to  infections  with  G.  intestinalis 

4,5

.  The  parasite spreads via the fecal‐oral route and infections are most often caused by ingestion of  contaminated water, where the infectious dose can be as low as ten cysts 

3,6

. Symptoms of  giardiasis  appear  within  one  to  two  weeks  after  infection  and  include  watery  diarrhea,  epigastric  pain,  nausea,  vomiting  and  weight  loss,  with  a  stronger  clinical  impact  in  small  children, undernourished individuals and immunodeficient patients 

1,3

. Chronic infections are  common, particularly in developing countries, where giardiasis is endemic and can result in  malabsorption,  reduced  growth,  and  developmental  retardation  in  children 

7

.  Persistent  infections with G. intestinalis have also been linked to irritable bowel syndrome and arthritis 

8

.  However,  Giardia  infections  are  most  often  effectively  treated  with  nitroimidazoles, 

metronidazole  and  tinidazole  in  particular 

4

.  In  addition,  about  half  of  the  infections  are 

asymptomatic  and  often  resolve  spontaneously 

1

.  Thus,  the  clinical  manifestation  of 

giardiasis is highly variable and its severity dependents on the interplay between virulence of 

the parasite, and the developmental, nutritional and immunological status of the host 

9

.  

Although G. intesitinalis is the most studied diplomonad and an important pathogen in both, 

developing  and  industrialized  countries,  there  is  still  very  limited  insight  into  how  the 

parasite  causes  disease.  G.  intestinalis  is  not  invasive,  hardly  causes  mucosal  inflammation 

and until recently no secreted toxins were known 

8,10

. Up to now only very few pathogenicity 

(4)

factors  have  been  described  in  Giardia  spp.  and  the  most  frequently  mentioned  virulence  factors  include  (i)  the  adhesive  disk,  by  which  the  trophozoites  suck  to  the  mucosa  of  the  host’s upper intestine 

11

, (ii) the four flagella pairs, which serve for motility and attachment,  and  (iii)  the  variant‐specific  surface  proteins  (VSPs)  that  allow  antigenic  variation  and  thereby  help  the  parasite  to  avoid  the  host’s  immune  system 

12

.   

 

1.3 Life cycle of G. intestinalis   

The life cycle of G. intestinalis can be divided into a cyst and a trophozoite stage (Figure 1). 

The cyst represents the resistant, transmissive form of the parasite. A robust outer cyst wall  and  two  inner  membranes  enclose  the  parasite,  which  at  this  stage  holds  four  tetraploid  nuclei,  a  fragmented  adhesive  disc,  and  disassembled  flagella.  Cysts  can  therefore  survive  outside  the  host’s  intestine  for  a  prolonged  period  of  time  and  are  highly  resistant  to  the  environment 

1,13

. Metabolism in giardial cysts is down regulated, hence placing the parasite  into  a  dormant  state.  An  intestinal  infection  is  initiated  with  ingestion  of  non‐motile  cysts  present in contaminated water or food, or by interpersonal contact 

14

. While the cyst passes  through  the  acidic  milieu  of  the  host’s  stomach,  excystation  is  triggered  by  stomach  acids. 

The cyst becomes metabolically active and passes on to the upper intestine, where it bursts  and  gives  rise  to  a  short‐lived  excyzoite,  which  initiate  the  infection.  The  excyzoite  subsequently undergoes a transformation into the disease‐causing trophozoite stage of the  parasite,  associated  with  an  increase  in  metabolism  and  gene  expression,  segregation  of  organelles,  upregulation  of  proteins  associated  with  motility  and  assembly  of  the  ventral  adhesive  disk.  During  this  transformation  procedure,  the  excyzoite  divides  twice  without  DNA  replication,  hence  generating  four  motile  trophozoites  within  15  minutes 

1,15

.  The  released trophozoites proliferate in the small intestine, where they bind to the enterocytes  and  finally  establish  an  infection 

15

  (Figure  1).  To  complete  its  life  cycle  and  be  able  to  be  transmitted  to  yet  another  host,  the  parasite  has  to  transform  from  the  trophozoite  stage  back  into  the  infective  cyst  form.  This  long  process  of  cyst  formation  can  be  divided  into  three  distinct  parts:  (i)  reception  of  the  stimulus  for  encystation  and  the  consequent  upregulation of encystation‐specific gene expression, (ii) synthesis and intracellular transport  of  cyst  wall  components,  (iii)  assembly  of  the  extracellular  cyst  wall 

14,16

.  Encystation  is  triggered  by  external,  host‐specific  environmental  factors,  such  as  basic  pH,  high  concentration of bile, and low levels of cholesterol encountered when the trophozoites pass  on to the lower part of the small intestine 

1

. Early in encystation, large encystation‐specific  vesicles (ESVs) are formed for transportation of cyst wall proteins (CWPs) to build the cyst  wall. Furthermore, the eight flagella are internalized and the trophozoite loses its ability to  attach  to  the  intestinal  epithelium  as  the  adhesive  disk  fragments  into  four  distinct  parts. 

The differentiating parasite gradually rounds up and undergoes DNA replication but does not 

divide, leading to a cell with two tetraploid nuclei (Figure 1). During late encystation, these 

nuclei  separate,  the  DNA  is  replicated  once  more,  and  the  cell  enters  a  hypometabolic 

dormancy, thus finally generating a cyst containing four tetraploid nuclei 

1

.  

(5)

 

Figure  1:  Life  cycle  of  Giardia  intestinalis  After  ingestion  of  the  giardial  cysts,  excystation  is  initiated  in  the  acidic  environment  of  the  host’s  stomach  and  a  short‐lived  excyzoite  is  released.  In  the  subsequent  rapid  course  of  differentiation,  the  excyzoite  gives  rise  to  four  vegetative  trophozoites,  which  colonize  the  upper  small  intestine  via  attachment  to  epithelial  cells,  proliferate  and  establish  an  infection.  When  the  parasite  migrates further down into the lower part of the intestine, encystation starts by internalization of the flagella  and disassembly of the ventral disk; both organelles are subsequently kept in the cytoplasm. Further, synthesis  of  cyst  wall  proteins  leads  to  the  formation  of  encystation  specific  vesicles.  While  the  cyst  wall  is  build,  the  parasite rounds up and two cycles of DNA replication without cell division finally lead to a cyst with four nuclei. 

Cysts are excreted with the feces. Picture adapted from Ankarklev et al. 2010    

1.4 Genotypes of G. intestinalis and assemblage specific genes 

G.  intestinalis,  which  was  previously  thought  of  as  a  single  species,  is  now  described  as  a  group  of  different  variants.  This  is  due  to  a  growing  number  of  studies  showing  that  G. 

intestinalis should be regarded as a species complex, whose genetically divergent members  show little morphologic variation 

9

. The data supporting the discrimination of G. intestinalis  into distinct genotypes relies on both, genomic and phenotypic analyses. Today eight distinct  genotypes (A to H), also called assemblages, have been assigned. This A to H classification is  mainly  based  on  genotyping  of  several  enzymes  and  highly  expressed  genes  (glutamate  dehydrogenase,  beta‐giardin,  elongation  factor‐1  alpha,  triose  phosphate‐isomerase  and  small sub‐unit rRNA), without considering further genomic differences. In addition, there is a  considerable amount of  data concerning phenotypic differences,  affecting amongst others,  metabolism  and  biochemistry,  growth  rate  (in  vivo  and  in  vitro),  pH  preference,  drug  sensitivity, and clinical features of different Giardia isolates 

9

.  

Almost  all  cases  of  human  Giardia  infections  are  associated  with  assemblage  A  or  B  and  according  to  recent  epidemiological  statistics,  assemblage  B  isolates  seem  to  be  most  frequent  in  human  infections  worldwide 

1,9,17

.  Both  assemblages  are  also  found  in  other  mammals 

1

.  The  remaining  genotypes,  grouped  into  assemblages  C  to  G,  are  likely  to  be  host‐specific, as assemblages C and D have been identified in dogs, cats, coyotes and wolves,  assemblage  E  in  cattle,  sheep,  goats,  pigs,  water  buffaloes  and  mouflons,  assemblage  F  in  cats, and isolates belonging to assemblages G and H in rats and aquatic animals, respectively 

9

(6)

The genomes of three different isolates belonging to assemblage A (WB), B (GS), and E (P15)  have  been  sequenced 

18

.  Using  comparative  genomics,  a  well‐conserved  core  of  genes  coding  for  4557  proteins  could  be  identified  for  the  Giardia  species  complex.  Surprisingly,  the average amino acid identity in coding regions of assemblage A and B added up to only  78%.  The  protein  identity  between  GS  and  P15  was  81%  while  WB  and  P15  shared  90% 

identical  proteins.  The  core  proteome  is  estimated  to  be  around  91%  of  the  total  genes,  coding  mainly  for  structural  and  housekeeping  genes,  but  there  is  also  significant  genome  variation  between  Giardia  isolates,  leaving  room  for  antigenic  variation,  host‐specificity  functions  and  possibly  mechanisms  of  assemblage‐specific  pathogenicity.  Thus,  the  remaining  9%  of  the  genome  include  the  more  variable  part  of  the  genome  that  contains  conserved  positional  orthologs  between  P15,  WB  and  GS  as  well  as  unique  assemblage‐

specific genes. Most of those isolate‐specific genes are located in nonsyntenic regions of the  genome  and  are  categorized  as  hypothetical  proteins.  The  majority  of  assemblage‐specific  genes  were  found  in  the  P15  isolate,  namely  35,  while  in  GS  31  unique  genes  were  discovered  and  only  five  unique  sequences  were  identified  in  the  WB  isolate.  For  some  of  the assemblage‐specific genes BLAST searches indicated several conserved regions originally  from organisms other than Giardia, but none apart from one unique gene (one P15 specific  gene codes for a bacterial acetyl transferase) has a sequence similarity to known sequences  and thus their functions remained unknown. As already pointed out in the context of protein  identity,  assemblage  E  is  more  closely  related  to  assemblage  A  than  assemblage  A  is  to  B. 

P15  and  GS  share  a  set  of  20  specific  genes,  while  P15  and  WB  share  only  seven  protein‐

coding genes that are not present in GS, while WB and GS have only one common protein‐

coding gene that is restricted to these two isolates 

18

.  

Although these comparative genomics analyses have revealed differences in genes involved  in  survival  of  the  parasite  during  the  infection  process,  and  while  some  of  the  genomic  differences between assemblage A and B can explain a few biological and clinical differences  between the two assemblages, still no genetic factors directing host specificity or adaptivity  have yet been identified 

9

   

1.5 Aim of this study 

The  overall  goal  of  this  study  was  to  verify  and  characterize  newly  identified  assemblage‐

specific genes in the three distinct genotypes A, B and E of Giardia intestinalis. The methods 

employed  were  analyses  of  gene  expression  control  and  localization  of  specific  proteins 

during different life stages of the parasite. In addition, the efficiency of different encystation 

protocols was tested on the three giardial isolates WB, GS and P15. 

(7)

2. RESULTS 

2.1 Selection of assemblage specific genes by bioinformatics analysis    

Earlier work had revealed a set of 102 putative genes predicted to be specific to one or two  of the so far sequenced genotypes of G. intestinalis 

18

. In order to find the most promising  candidates for subsequent characterization studies, a bioinformatics analysis was performed  of  the  genotypes  A,  B  and  E.  In  total,  46  of  the  102  specific  sequences  were  chosen  considering  annotations  and  contig‐integrity  (see  appendix).  Of  those,  16  belonged  to  assemblage B (isolate GS), four to assemblage A (isolate WB) and 26 to assemblage E (isolate  P15).  

More than 50% of the selected open reading frames (25 ORFs in total) displayed strong hits  for  domains  or  signatures  and/or  existence  in  other  organisms  in  the  BLAST  searches  performed at the NCBI non‐redundant database. However, all but one of the selected ORFs  was  annotated  as  a  hypothetical  protein.  The  only  exception  was  the  P15‐specific  gene,  GLP15_874,  which  was  already  known  to  code  for  a  bacterial  acetyl  transferase.  Another  three genes from assemblage E (GLP15_2898, GLP15_1606, GLP15_2740) could be grouped  together, since they all contained an AAA‐4 domain, had a common ortholog in assemblage  A  (GL50581_952),  and  the  latter  two  sequences  displayed  91%  amino  acid  identity.  We  further identified an island consisting of 18 adjacent putative genes in the P15 genome. For  most  of  those  sequences,  nonsyntenic  regions  could  also  be  found  in  the  GS  genome,  but  none  of  them  was  present  in  isolate  WB.  In  contrast  to  at  least  some  of  the  sequences  chosen from the P15 and WB isolates, all 16 genes selected in GS were found to be unique to  this assemblage. However, the percentage of sequences predicted to have their origin in an  organism other than Giardia was highest for the genes selected from the GS strain. 

 

2. 2 Expression check of the selected assemblage specific sequences and preparation  of vector constructs 

 

To determine which of the selected ORFs were expressed in Giardia trophozoites and which  were either pseudogenes or silenced in the genome, a gene expression test was made using  cDNA  synthesized  from  each  of  the  three  different  assemblages.  The  PCR  revealed  expression of only one ORF out of the four ORFs examined from assemblage A, due to failure  of  the  remaining  three  primer  pairs  used.  For  assemblage  B,  seven  out  of  16  ORFs  tested  could be shown to be expressed. In assemblage E, five ORFs out of 26 tested were found to  be  expressed  (Table  1).  The  expression  level  (weak/strong)  was  judged  according  to  the  intensity of the individual bands on the agarose gel. Of the 13 genes expressed, phylogenetic  comparisons  identified  seven  genes  and  suggested  that  of  these  four  originated  from  bacteria,  one  from  a  protozoan  eukaryote,  one  from  a  virus,  and  one  from  a  higher  eukaryotic organism. Hence most of the proposed specific genes that were expressed in the  studied Giardia trophozoites were most likely taken up from bacteria.   

 

 

(8)

Table 1: Expressed unique genes Assemblage specific genes that were found to be expressed in trophozoites of  the P15, WB, and GS isolates, respectively. Expression levels are indicated on the outer right. Gray rows mark  ORFs that were not used for subsequent localization studies 

 

ORF  Annotation  Organism with  best hit 

Domain/ signature  Expression  cDNA  GLP15_874  Acetyltransferase  Anaerostipes 

caccae  

Acetyltransterase  GNAT‐superf. 

Weak 

GLP15_906  Hypothetical      Weak 

GLP15_907  Hypothetical      Weak 

GLP15_1606  Hypothetical    AAA‐4 domain  Strong 

GLP15_2740  Hypothetical    AAA‐4 domain  Strong 

GL50803_10192  Hypothetical  Collinsella  aerofaciens 

  Weak 

GL50581_5657  Hypthetical      Weak 

GL50581_5676  Hypothetical    SMC domain  Weak 

GL50581_4508  Hypothetical  Entamoeba dispar  Methyltransferase  TRM13 superf. 

Weak  GL50581_2613  Hypothetical  Desulfatibacillum 

alkenivorans 

Lactamase B superf. 

protein 

Weak  GL50581_3192  Hypothetical  Bryantella 

formatexigens 

4‐

carboxymuconolactone  decarboxylase 

Strong 

GL50581_3333  Replicas‐

associated  

Faba bean necrotic  yellow virus 

Viral replication N‐

terminal domain 

Weak  GL50581_3321  Hypothetical  Mannheimia 

succiniciproducens 

Conserved hypothetical  protein 

Weak   

 

In addition, a PCR was run on clinical samples of assemblage A and assemblage B with the  primer  pairs  for  the  expressed  GS  specific  genes  GL50581_5676,  GL50581_2613  and  GL50581_3192. While the GS positive control could be seen on the gel, no band of the right  size appeared in any of the other genome samples (data not shown).   

For subsequent localization studies of the expressed genes, vector constructs were prepared  in  E.coli.  For  five  of  the  vector  constructs  the  preparation  could  not  be  completed  successfully,  so  that  a  set  of  nine  genes  (Table  1)  was  used  for  further  characterization  studies. 

 

2.3 Encystation of trophozoites in different encystation media 

 

In  order  to  perform  localization  studies  not  only  in  the  vegetative  growth  stage  of  the 

trophozoites,  but  also  in  the  infectious,  growth  arrested  cyst  form  of  the  parasites,  an 

encystation  protocol  for  the  assemblages  GS  and  P15  had  to  be  established.  Therefore, 

different  media  compositions  were  prepared.  The  medium  base  was  supplemented  with 

either porcine or bovine bile in different concentrations. Further, either lactic acid (5mM), or 

CaCl

2

 (2.5mM), or sodium butyrate (15mM or 30mM) was added to the encystation medium. 

(9)

It  was  also  tested  if  encystation  was  more  efficient  when  the  trophozoites  were  grown  in  pre‐encystation medium before induction of encystation. Table 2 summarizes the observed  encystation efficiencies in wild‐type trophozoites. 

Encystation of WB, performed in the standardized way as described below, resulted in a high  yield  of  cysts,  though  WB  cysts  could  also  be  acquired  in  most  of  the  other  encystation  media tested.  

The number of cysts in encysting GS cell cultures was generally lower than in WB. Here, the  encystation efficiency was up to 50% encysting cells, if the trophozoites were grown in pre‐

encystation medium before encystation was triggered with encystation medium (containing  either lactic acid and bovine bile or calcium and bovine bile). However, the highest cyst yield  in GS was obtained by a two step starvation protocol that involved addition of delipidated  serum (LPDS) as described below. Hardly any cysts were formed when GS trophozoites were  directly incubated in encystation medium supplemented with a high bile concentration and  only few cysts were found when the encystation medium was supplemented with butyrate.  

P15,  which  was  originally  isolated  from  a  piglet,  encysted  best  if  encystation  medium  containing 1.5% to 2% porcine bile was added directly or if the cells were incubated in pre‐

encystation medium first and then exposed to encystation medium containing 1.5% porcine  bile and lactic acid. Addition of more than 3% porcine bile to the encystation medium led to  cell lysis in all assemblages. Few cysts of P15 could be obtained if encystation was triggered  with  encystation  medium  containing  porcine  bile  supplemented  with  calcium  after  incubation in pre‐encystation medium. However, the encystation rate in P15 was the lowest  and  slowest  of  the  three  isolates  in  all  media  tested.  Encystation  in  P15  took  at  least  24  hours longer than in WB and GS, since the highest number of P15 cysts were present three  days after encystation was induced. 

It  was  observed  that  the  trophozoites  of  all  assemblages  seemed  to  tolerate  high  concentrations of bile better, when the pH was more basic (pH 7.6 vs. pH 8).  

When  the  integrity  of  the  water‐treated  cysts  was  checked  via  fluorescence  microscopy, 

between one third and two thirds of the cysts were stained with the cyst wall antibody and 

DAPI. In addition, no staining of the nuclei with propidium iodide, which only penetrates cell 

walls of dead cells was seen, thus the cysts displayed features of viable cells. 

 

(10)

Table 2: Encystation efficiency of different encystation protocols in the isolates WB, GS, and P15. The  encystation efficiency was divided into four grates: 1: good, 2: ok, 3: poor, 4: no encystation. Bovine and  porcine bile per se were added to encystation medium pH 7.8, supplemented with 10% serum. Prior to addition  of delipitaded serum (LPDS) trophozoites were grown in pre‐encystation medium lacking bile O/N (2 step  starvation); LPDS was added to plain encystation medium pH 7.8. CaCl2 and lactic acid were added to 

encystation medium pH 7.8 supplemented with 2% porcine bile and 10% serum. Sodium butyrate was added to  encystation medium pH 7.8 supplemented with 10% serum and 5% bovine bile for assemblages WB and GS or  1.5% porcine bile for assemblage P15. 

 

Bovine bile %   

Porcine bile %  LPDS % 

 

2  5  7,5  10  15  1,5  2  2,5  3  5  5  8  10 

WB    1  1  1      1  3    4  2  2   

GS  3      2      3  4  2  1  1 

P15  3  4  4  4  4  1  1  3  4  4  4    4 

       

Lactic acid 5mM  Sodium butyrate mM 

  CaCl2 2,5mM 

Direct  After pre‐encystation  15  30 

WB  2  2  2  3  4 

GS  2  1  2  3  4 

P15  3  2  4  3  3 

 

 

2. 4 Transfection of Giardia trophozoites and localization of assemblage specific  genes 

 

In  order  to  localize  the  expressed  genes  in  Giardia  trophozoites  and  cysts,  trophozoites  of  each  assemblage  were  transfected  with  vector  constructs  carrying  each  of  the  nine  genes. 

After construction each cloned gene was checked for correctness by DNA sequencing. Stable  transfectants could only be obtained for three of the constructs, giving one WB transfectant  WB_10192  and  two  GS  transfectants;  namely  GS_5676  and  GS_2613.  The  remaining  six  constructs  were  introduced  into  the  trophozoites  without  selection,  hence  resulting  in  transient transfectants. 

Transfectants  were  fixed  in  both,  paraformaldehyde  (PFA)  and  methanol/acetone.  During  PFA fixation, proteins and DNA are cross linked with very little protein extraction, whereas  methanol  permeabilizes  the  cell  while  precipitating  the  proteins  and  might  thus  lead  to  withdrawal  of  proteins  soluble  in  the  cytoplasm.  Comparison  and  correlation  of  the  corresponding  images  of  both  fixation  methods  allowed  a  more  precise  evaluation  of  localization and expression level of the various proteins.  

WB trophozoites transfected with a plasmid carrying the WB specific gene GL50803_10192  revealed a very variable expression level among the cells. Strong gene expression according  to the staining intensity displayed was found in about one out of 40 trophozoites (Figure 2). 

Neither  the  PFA‐fixed  nor  the  methanol/acetone‐fixed  cells  showed  a  specific  localization 

pattern.  Instead,  the  protein  localized  to  the  entire  cytoplasm  in  diffuse  foci  when  the 

expression level was low and appeared uniformly distributed when the staining reached very 

high  intensities.  The  same  was  true  for  samples  taken  of  transfected  WB  cells  at  different 

time points after induction of encystation (data not shown).  

(11)

 

Figure 2: Localization of GL50803_10192 in WB trophozoites WB10192 transfectant cells stained with anti‐HA  (green). Nuclei stained with DAPI (blue). Cells were fixed in methanol/acetone (A,C) or 4% PFA (B,D) and  processed for immunofluorescence. Exposure time A and C 1000 ms, 40‐times magnification. Exposure time B  and D 50 ms, 100‐times magnification. 

 

GS_2613  trophozoites  were  transfected  with  a  plasmid  comprising  the  sequence  for  a  GS  unique protein (GL50581_2613) belonging to the lactamase B superfamily. When examined  with immunofluorescence microscopy, the cells were stained weakly, but evenly throughout  the  cytoplasm  in  a  punctuate  pattern.  In  some  cells,  faint  flagellar  staining  could  also  be  observed (data not shown).  

The  same  dot‐like  structure  was  also  exhibited  by  all  three  transiently  transfected  GS  trophozoites (GS_4508, GS_3192, GS_3321; data not shown). 

GS  trophozoites  carrying  the  vector  with  the  coding  sequence  for  GL50581_5676  however  displayed  a  very  specific  localized  staining  pattern.  This  GS‐specific  sequence  contains  a  Structural Maintenance of Chromosomes (SMC) domain and was predicted to localize to the  nuclei. Unexpectedly the protein was found to localize to the flagellar pores of the anterior  flagella  and  to  the  rim  of  the  disk  between  them,  thus  giving  the  impression  of  a 

“headphone”  structure  (Figure  3).  As  could  be  seen  in  the  PFA‐stained  trohpozoites,  some  cells  displayed  staining along  the  entire  rim  of  the  cell  body  (ventrolateral  flange).  Intense  staining  of vesicles  throughout  the  cytoplasm  could  frequently  be  observed.  It  was  further  noticed that cells displaying a strong staining of the anterior rim also tended to have larger  intensely staining foci in the anterior part of the cell. 

 

(12)

11 

  Figure  3:  Localization  of  GL50581_5676  in  GS  trophozoites  GS5676  transfectant  cells  stained  with  anti‐HA  (green). Nuclei  stained with  DAPI (blue). Cells  were  fixed in  4% PFA (A,D  and  C,F) or methanol/acetone  (B,E)  and  processed  for  immunofluorescence.  A  and  D  shows  PFA‐stained  wild  type  trophzoites  of  the  GS  isolate  (2000  ms  exposure  time,  100‐times  magnification).  Exposure  time  B  and  E  600  ms,  40‐times  magnification. 

Exposure time C and F 800 ms, 100‐times magnification.  

   

To estimate if the GS‐specific protein GL50581_5676 was linked to the membrane or to the  cytoplasm of the trohpozhoites, the transfectants were demembranated and examined via  fluorescence  microscopy.  As  shown  in  the  left  panel  of  Figure  4,  the  rim  was  lost  and  the  cytoskeletons displayed staining at the axonemes where the anterior flagella exit the cell, at  the  rim  of  the  entire  cell  body,  and  in  diffused  foci  throughout  the  cytoplasm.  Thus,  the  protein appeared to be both membrane and cytoskeleton associated.  

In order to follow the localization of this GS_5676 protein in encysting cells and cysts, the GS 

transfectants  were  kept  in  encystation  medium  and  samples  were  taken  at  different  time 

points (six hours, 24 hours, and 30 hours after induction of encystation). After six hours of 

encystation, the GL50581_5676 seemed to preferentially localize to the rim along the entire 

cell body. After 24 and 30 hours of encystation, the protein was found to give a strong signal 

in some cysts and was disassembled in most of the remaining trophzoite‐like cells (Figures 4 

B, E, C, F).   

(13)

  Figure 4: Localization of GL50581_5676 in demembranated GS trophozoites and encysting GS transfectants  GS_5676 transfectant cells stained with anti‐HA (green). Nuclei stained with DAPI (blue). Cells were fixed in 4% 

PFA  and  processed  for  immunofluorescence.  Exposure  time  was  1000  ms.  A  and  D  cytoskeleton  prepared  trophozoites, 100‐times magnification, B and E 24 h after initiation of encystation, C and F 30 h after initiation  of encystation, both samples 40‐times magnified.  

 

The  transient  transfected  P15  trophozoites  were  inspected  by  fluorescence  microscopy  six  hours  after  transfection.  All  trophozoites  seemed  to  contain  the  plasmid  and  express  the  inserted  protein  with  a  uniform  intensity.  P15_874  trophozoites,  which  were  transfected  with a plasmid carrying an acetyl transferase unique to P15, exhibited a punctuate pattern,  in which the dot‐like and circular structures did not seem to appear in the very anterior and  posterior part of the cells, but apart from that could be found within the entire cytoplasm. A  pronounced  staining  of  the  ventral  flagella  in  all  P15‐874  transfectants  could  also  be  observed (Figure 5, A, D). 

A  similar  appearance  was  observed  in  P15_907  transfectants.  In  these  cells  however,  the  overall staining was of a lower intensity, and the dot‐like structures seemed to accumulate  more to the posterior part of the trophozoites and the ventral flagella were not as strongly  marked by the fluorescent labeling (Figure 5 B, E), indicating a slightly different localization  and expression of P15_907 in comparison to P15_874.   

P15  trophozoites  that  were  transfected  with  a  vector  carrying  the  P15  specific  gene 

GLP15_1606,  a  sequence  containing  an  AAA‐4  domain,  displayed  similar  features  to  the 

other  two  P15  transfectants.  Here,  the  diffuse  foci  seemed  to  be  most  pronounced,  while 

the staining of the ventral flagella, as seen in the P15_874 and P15_907, was missing or very 

faint in many cells (Figure 5 C, F). 

(14)

13 

Figure 5: Localization of GLP15_874, GLP15_907 and GLP15_1606 in P15 trophozoites P15 transfectant cells  stained with anti‐HA (green). Nuclei stained with DAPI (blue). Cells were fixed in 4% PFA 6 h after transfection  and processed for immunofluorescence. Exposure time was 1000 ms, magnification was 100‐times. A and D  P15_874, B and E P15_907 and C and F P15_1606 

(15)

3. DISCUSSION   

Comparative  genomics  of  the  two  human  Giardia  isolates  GS  and  WB  and  the  non‐human  isolate P15 resulted in the identification of a set of 102 putative assemblage‐specific genes 

18

, of which some might be linked to host specificity and assemblage‐specific symptoms and  thus  give  some  insight  into  how  the  parasite  causes  disease.  Because  very  little  is  known  about  virulence  factors  in  Giardia  the  characterization  of  assemblage‐specific  genes  might  improve understanding of giardial infections.  

The  aim  of  this  project  was  to  evaluate  these  putative  assemblage‐specific  genes,  characterize their protein products by localization and thus prepare a basis for subsequent  development of diagnostic and epidemiologic tools for giardiasis. 

 

WB is the most studied Giardia isolate and knowledge of its genome is the most complete. 

Therefore, the majority of unique sequences were expected to be found in the WB genome. 

Surprisingly, the bioinformatics analyses revealed the opposite. In fact, six and seven times  as  many  assemblage  specific  genes  were  found  in  the  GS  strain  and  the  P15  isolate,  respectively 

18

.  There  are  two  possible  scenarios  to  explain  this  finding:  either  P15  and  GS  have  picked  up  more  genes  during  evolution  than  WB,  or  has  WB  lost  some  of  its  unique  genes. Since WB has been grown in laboratories for more than two decades now, some of  the genes linked to in vivo conditions such as those required for host‐pathogen interactions  might have been lost during the time of in vitro cultivation. In contrast, the P15 isolate has  been grown in the laboratory for a very short time, and thus is expected to reflect closely a  wild‐type Giardia isolate 

18

 and it in fact harbors the highest amount of unique genes. On the  other hand, seven out of the ten unique genes selected for this study that have been found  to be expressed in Giardia trophozoites are indicated to be originally from organisms other  than  Giardia,  first  and  foremost  from  bacteria.  Furthermore,  Giardia  spp.  have  both,  bacterial  and  archaeal  features  and  a  significant  amount  of  data  suggests  that  those  properties were most likely gained via lateral gene transfer 

1,18,19

. Hence, uptake of foreign  DNA  appears  to  happen  occasionally  in  Giardia  spp.  and  it  seems  likely  that  interplay  between both trends has led to the unequal amount of unique genes that are found in the  different isolates today.  

According  to  the  bioinformatics,  the  set  of  unique  genes  can  be  classified  into  different 

groups: genes with supposed bacterial origin, genes with assumed viral ancestry, genes that 

are autonomous, and those that form a gene family. One of those gene families found in P15 

consisting of five genes, which had a single ortholog in GS, indicating possible redundancy of 

the unique genes. Yet another class of unique genes was found when we identified an island 

consisting  of  13  adjoined  ORFs.  Surprisingly,  none  of  these  genes  could  be  shown  to  be 

expressed in the trophozoite stage of the parasite. The same was true for about two thirds 

of  the  assemblage‐specific  genes  whose  expression  was  checked  in  this  study.  Since  all  of 

those  genes  were  annotated  as  hypothetical  proteins,  some  of  them  might  actually  be 

silenced  in  the  genome  or  be  pseudo‐genes.  Those  genes  could,  however,  also  only  be 

expressed under certain conditions, such as in encysting cells, in cysts, or during interaction 

with epithelial cells. Future expression studies with cDNA obtained during different life cycle 

stages or during co‐culturing with Giardia host cells might reveal expression of those unique 

genes under particular circumstances.  

(16)

15 

In order to be able to study the unique genes in cysts and encysting cells of all isolates, an  efficient  encystation  protocol  was  needed  for  each  assemblage.  Encystation  in  Giardia  has  been  studied  intensively 

14,16,20,21,22

.  However,  the  duration  of  the  encystation  process  and  initiation  conditions  seem  to  vary  a  lot  between  various  isolates  and  laboratories 

13

  and  different  encystation  protocols  have  to  be  tested  repeatedly  to  evaluate  their  efficiency. 

Hence,  the  data  of  the  encystation  efficiency  of  the  different  encystation  media  and  encystation  protocols  presented  in  this  study  have  to  be  regarded  as  preliminary  observations, because some of the media compositions were only tested once or twice and  the  cyst  yields  obtained  with  the  same  encystation  protocols  were  variational.  The  high  variation in duration of cyst formation and best induction condition of encystation can partly  be explained by spontaneous generation of new variant‐specific surface proteins (VSPs), of  which some are resistant to high bile concentrations and a basic pH (the requirements of the  standard encystation protocol), while others are very sensitive to these settings, resulting in  rupture of the trophozoites. New VSPs are generated about every six to 14 generations 

12

,  hence producing trophozoites that react differently to the same encystation conditions. The  variation  in  susceptibility  to  the  same  encystation  conditions  suggests  a  distinctive  phenotypic  difference  between  the  various  isolates.  The  physiological  state  in  the  lower  small  intestine,  where  encystation  is  claimed  to  be  induced  by  host‐specific  factors 

1

  is  consistent with a high concentration of primary bile salts, fatty acids, and a slightly alkaline  pH 

20

.  Besides  those  factors,  bacterial  metabolites  might  take  part  in  the  stimulation  of  encystation. Both, lactic acid and butyrate, which were  added  to  encystation media in this  study  to  test  their  effect  in  the  context  of  encystation,  are  metabolic  products  of  the  intestinal  microflora  in  humans 

23,24

.  Lactic  acid  has  previously  been  shown  to  induce  encystation in WB 

20

 and butyrate was argued to be linked to increased virulence expression  in enterohaemorrhagic Escherichia coli 

23

. Especially addition of lactic acid gave a good cyst  yield in the two human isolates and some cysts were also produced in the non‐human P15  strain. Since lactic acid and  CaCl

2

 led to formation of some cysts 

13

(13) in all three isolates  tested, further improvement of an encystation protocol containing one of those substances  might be useful. 

 

The last characterization step that was performed on the selected assemblage‐specific genes  was  an  attempt  at  their  localization  in  Giardia  trophozoites  and  cysts.  Unfortunately  only  three transfectants were stable in these experiments and the remaining proteins were only  be  localized  in  transiently  transfected  trophozoites.  All  ten  genes  tested  were  introduced  only into their original assemblage. 

It  is  known  that  circular  transfected  plasmid  DNA  is  maintained  as  multimeric  episomes  in  the WB isolate 

25

. In contrast, circular plasmids introduced into the GS isolate are integrated  into the genome by homologous recombination, resulting in the insertion of the transfected  DNA 

25

.  This  phenomenon  might  reflect  differences  in  the  structure  or  recognition  of  DNA  replication origins between the WB and GS isolate and analogical assemblage A and B 

25,26

.  However, it is not known if circular transfected plasmid DNA is integrated or is maintained as  an episome in the P15 isolate, since GS and WB have been the only two strains studied in  any molecular detail up to date 

9

The  only  gene  of  the  WB  isolate  that  was  found  to  be  expressed  in  WB  trophozoites 

(GL50803_10192)  has  an  ortholog  in  GS.  It  is  not  present  in  the  non‐human  isolate  P15, 

hence  it  could  possibly  play  a  role  in  human‐specific  infection  of  the  giardial  parasite 

18

BLAST  searches  indicated  a  strong  relation  to  the  actinobacterium  Collinsella  aerofaciens, 

(17)

which resides in the human intestine, suggesting the possibility that the gene may have been  taken up by horizontal transfer in the gut.  

There  was  a  strong  disparity  between  fluorescence  intensity  among  the  transfected  WB  trophozoites  and  cysts  (Figure  2).  This  difference  suggested  the  possibility  that  either  the  copy  number  of  the  plasmid  varied  between  the  cells  or  that  expression  of  this  gene  was  regulated  in  some  way.  One  possibility  is  that  the  gene  is  only  expressed  in  cells  that  are  triggered somehow, while it is silenced or down regulated in most of the other cells.  

Cells expressing the GS‐specific genes GL50581_5676 and GL50581_2613, respectively were  stable in transfection and could easily be grown in vivo. However, cells transfected with the  vector  carrying  the  GS_2613  gene  had  a  much  slower  growth  rate  than  the  other  stable  transfectants. The reason for this is unknown but, because GS_2613 carries a domain of the  lactamase B superfamily, it could be speculated that it might be a gene whose expression is  regulated by environmental factors. The staining pattern displayed by GS_2613 transfected  cells was non‐specific and low, suggesting a low expression level of the transfected GS_2613  protein in the trophozoites.  

The GS_5676 protein contains a domain of Structural Maintenance of Chromosomes (SMC). 

SMC proteins mainly function in chromosome organization and GS_5676 was thus expected  to localize to the nuclei. Surprisingly it instead located in the anterior rim of the trophozoites  and also accumulated at the flagellar pores, where the anterior flagella leave the cell body. 

Those two structures are located close to the ventral adhesive disk of the parasite and very  likely to be in tight contact to the epithelial cells of the host, when the trophozoites colonize  the small intestine and attach to the mucosa. Thus GS_5676 might play a role in interaction  with  and  attachment  to  the  host’s  cells.  In  addition,  the  staining  of  GS_5676  protein  displayed  lots  of  dot‐like  structures  throughout  the  cytoplasm,  which  might  be  vesicle  organelles  transporting the  protein to  the  anterior  part  of  the  cell.  In encysting  cells (six  h  after  induction  of  encystation),  GS_5676  was  found  to  localize  along  the  whole  disk  and  along the whole cell body. A similar pattern has been noted in trophozoites overexpressing  the giardial ornithine carbamoyl transferase (OCT) 

27

. After 24 h and 30 h of encystation, the  GS_5676  protein  appeared  to  be  disassembled  and  was  highly  expressed  in  some  of  the  cysts, showing a dynamic character (Figure 4 B,E,C,F). In demembranated trophozoites only  the axonemes and punctuated structures were still present, while the rim was gone, hence  indicating that the GS_5676 protein is both, membrane‐ and cytoskeleton‐associated (Figure  4 A, D).   

The  remaining  six  proteins  (P15_874,  P15_907,  P15_1606,  GS_3321,  GS_3192,  GS_4508) 

were  only  localized  in  transiently  transfected  trophozoites.  All  of  them  exhibited  a  similar 

punctuated  staining  throughout  the  entire  cell  body,  independent  of  whether  the 

trophozoites belonged to the GS or P15 strain. Staining of the punctuated dot‐like structures 

was more pronounced in some transfectants than in others and the staining of the flagella 

also  differed  between  the  various  transfectants  (Figure  5).  In  contrast  to  the  two  stable 

transfectants  WB_10192  and  GS_5676,  all  cells  of  each  transiently  transfected  cultures 

displayed  a  rather  uniform  staining  intensity  (Figure  5).  However,  when  the  fluorescence 

images of the transiently transfected cells were compared to those of the wild‐type of the 

same isolate, that had been exposed to the light for twice as long, the transiently transfected 

cells seemed  much brighter and more  punctuate (GS wt cells Figure 3 A,D; P15 transiently 

transfected cells Figure 5).  

(18)

17 

Unfortunately, we were not able to stably introduce the transfection vector carrying one of  the P15‐specific genes into P15 trophozoites and even P15 cells transfected with the empty  plasmid  grew  slowly  and  hardly  reached  confluence  when  kept  under  selection  pressure. 

This  is  very  different  to  the  situation  with  WB  cells,  which  grew  almost  at  a  normal  rate  when  carrying  an  empty  vector.  It  would  be  advisable  to  test  a  stepwise  increase  in  the  concentration of the selective antibiotic in order to obtain stable transfectants for the P15  isolate. To verify the achievement of the transient transfections, a known, highly expressed  protein of the P15 assemblage should be cloned into the same vector and serve as positive  control for the transfection. It could further be tested if the transfection vector can be stably  integrated  into  the  P15  chromosome  and  thus  lead  to  a  steady  expression  of  the  plasmid. 

Another  approach  towards  generating  stable  transfectants  in  P15  would  be  to  alter  the  transfection  vector,  to  adapt  it  to  the  genetics  of  P15,  for  example  by  exchanging  the  promoters and the 3’UTRs of the resistance cassette. By doing so, it could be ruled out that  the  expression  of  the  resistance  marker  was  too  low  in  the  transfected  cells.  Another  possibility  to  explain  the  inability  to  stably  transfect  P15  might  be  that  the  slower  growth  rate of P15 trophozoites relative to those from GS and WB cells prevented the transfected  P15  trophozoites  to  grow  up  to  a  sufficient  amount  of  cells,  which  expressed  the  plasmid  and  could  withstand  the  selection  pressure.  Possibly,  a  high  copy  number  of  the  plasmid  would  be  needed  in  each  cell  to  make  sure  that  the  plasmid  would  not  get  lost  upon  cell  division and that the transfected culture would be able to establish a resistant colony under  selection conditions. 

Future  localization  experiments  could  also  include  a  co‐localization  of  the  unique  proteins  with the cyst wall proteins (CWPs) and/or  the  encystation‐specific vesicle (ESVs) as well as  confocal microscopy, which would allow a closer insight into the specific localizations.  

With the outline of this study, an overall new approach for development of diagnostic and  epidemiologic  tools  has  been  suggested  and  performed.  The  bioinformatics  comparison  revealed assemblage specific sequences 

17,18

, of which some could be shown to be expressed  in Giardia trophozoites and some also in giardial cysts. Hence, the expression of the putative  genes  identified  in  the  comparative  genomics  has  been  verified  and  several  of  the  unique  proteins have subsequently been localized in their original isolate. Those unique proteins are  promising  candidates  for  use  as  marker  proteins  for  genotyping  in  epidemiological  studies  and in clinical settings. Ideally, candidate genes should be specific to only one assemblage,  but present in all isolates of the considered genotype and expressed in all life stages of the  parasite.  

In  order  to  check  the  expression  of  some  of  the  expressed  GS‐specific  genes  (GS_5676,  GS_2613,  GS_3192)  in  assemblage  B  isolates  other  than  GS  and  rule  out  the  presence  of  those genes in assemblage A isolates, a PCR using primers of the three assemblage A specific  genes mentioned above was ran on gDNA of different clinical Giardia samples belonging to  assemblage A and B. Unfortunately, none of the clinical isolates gave a positive PCR result. 

That would suggest the absence of these genes in the clinical isolates of both, assemblage A 

and B. However, those clinical DNA samples were not from pure cultures, but also contained 

a  lot  of  foreign  DNA,  and  a  nested  PCR  should  be  performed  as  it  is  usually  done  when 

clinical samples are examined. Further, polymorphism in the genomes of the various isolates 

leads  to  slight  differences  in  their  DNA  sequence  and  the  presence  of  SNPs  in  the  primer 

binding sides cannot be ruled out. Hence, the conditions for this PCR were suboptimal.    

(19)

The  next  step  towards  an  application  of  the  assemblage  specific  proteins  would  be  the  development  of  specific  antibodies  against  those  proteins,  which  subsequently  could  be  used to screen patient’s samples quickly and easily. This procedure could also be applied for  other  species,  such  as  Entamoeba  histolytica  –  E.  dispar  or  Cryptosporidium  parvum  –  C. 

enteritis, for example.   

Molecular categorization tools have been of great value in understanding the pathogenesis 

and  host  range  of  Giardia  isolates  before 

3

  and  the  identification  and  certification  of 

assemblage specific genes has now provided candidates for future studies in diagnostics and 

epidemiology  and  might  also  reveal  factors  important  for  host  specificity  and  specific 

pathogenicity.   

(20)

19 

4. MATERIALS AND METHODS 

 

When not indicated otherwise, chemicals and reagents were obtained from Sigma Chemical  Co, USA. Cloning reagents were ordered from Fermentas Sweden, Helsingborg, if not stated  otherwise. 

 

4.1 Bioinformatics   

A  list  (see  appendix)  of  the  assemblage  specific  genes  and  genes  shared  between  two  assemblages was provided 

18

 and served as starting material for the bioinformatics analyses. 

The  open  reading  frames  (ORFs)  selected  for  further  characterization  were  chosen  considering  available  annotations  including  expression  data  when  indicated,  predicted  features,  and  possible  hits  in  other  organisms,  expressing  a  similar  gene.  Further  selection  was based on size and localization of the ORF in the genome and integrity of the contigs. The  examinations  were  performed  in  GiardiaDB  (http://giardiadb.org/giardiadb)  and  Giardia  genomes ACT (PubMed ID: 15976072). 

   

4.2 Oligonucleotides   

Primers  for  expression  check  were  designed  in  PremierBiosoft  (http://www.premierbiosoft.com/netprimer/index.html ) and primers for localization studies  were  designed  in  ApE  (http://biologylabs.utah.edu/jorgensen/wayned/ape)  and  RestrictionMapper  (http://www.restrictionmapper.org/  ).  All  primers  were  ordered  from  Sigma‐Aldrich (see appendix).  

The  oligonucleotides  were  dissolved  in  ddH

2

O  to  20  µM.  To  obtain  a  10  µM  mix  of  each  primer  pair,  forward  and  reverse  primer  of  each  ORF  were  pooled  in  a  ratio  of  1:1.  Their  function was tested on genomic DNA of the relative Giardia genotype. 

   

4.3 Expression check   

To  check  expression  of  the  proposed  genes,  RNA  was  isolated  from  trophozoites  of  each  assemblage  and  cDNA  was  generated  using  the  High‐Capacity  cDNA  Reverse  Transcription  Kit  (Applied  Biosystems,  Foster  City,  CA)  according  to  the  manufacturer’s  manual.  Each  reverse  transcription  reaction  contained  approximately  500  ng  RNA.  Samples  were  DNase  treated using the TURBO DNA‐free Kit (Ambion, Austin, TX) according to the manufacturer’s  instruction.  

For  PCR, 20 ng/µl  of DNA, 1  µl  of a 10  µM primer pair, and ddH

2

O was added to PuReTaq 

Ready‐To‐Go  beads  (GE  Healthcare,  Little  Chalfont,  UK)  to  a  reaction  volume  of  25  µl.  The 

PCR program was set to 5 min denaturing period at 95°C followed by 30 cycles of 95°C for 30 

sec, 56°C for 30 sec, and 72°C for 45 sec. Extension was run for 7 min at 72°C PCR products 

(21)

were analyzed on a 1.5% agarose gel dissolved in 0.5 x TBE (1 l 10 x stock solution contained  108  g  Tris  base,  55  g  Boric  acid  and  40  ml  0.5  M  EDTA  pH  8.0).  A  1  kb  ladder  served  for  determination of the product sizes. 

   

4.4 Preparation of vector systems for localizations studies  4.4.1 Cloning into expression systems 

 

The vector pPHA‐5‐3 x HA was provided (see appendix). 

Genes  chosen  for  localization  studies  were  amplified  on  genomic  DNA  of  the  particular  Giardia  genotype  via  PCR.  The  PCR  reaction  was  set  up  with  Phusion  High‐Fidelity  DNA  Polymerase  (Finnzymes,  New  England  BioLabs,  Espoo,  Finland)  according  to  the  manufacturer’s  instruction,  applying  4  µl  of  template  DNA.  The  PCR  program  was  set  as  follows: 3 min denaturing period at 98°C 35 cycles of 15 sec at 98°C, 15 sec at 60°C, 1 min at  72°C, and final extension at 72°C for 10  min. PCR products  were verified on and extracted  from a 1% agarose gel in 1 x TAE (1 l of a 50 x stock solution contained 242 g Tris base, 57.1  ml  acetic  acid  and  100  ml  0.5  M  EDTA).  Gel  purification  was  done  with  the  QIAquick  Gel  Extraction  Kit  (Qiagen,  Sollentuna,  Sweden)  according  to  the  manufacturer’s  manual.  The  purified samples were double digested with the restriction enzymes MluI and NotI at 37°C  for  2  h.  Each  digest  reaction  was  set  to  a  final  volume  of  30  µl  and  contained  200  ng  PCR  product, 1 µl of each enzyme, 3 µl 10 x FastDigest buffer and ddH

2

O. The vector was cleaved  with the same reaction mix. After 1 h incubation at 37°C 1 µl FastAP was added to the vector  digest  and  the  reaction  incubated  for  another  hour  at  37°C.  The  digested  products  were  column purified using the QIAquick PCR Purification Kit (Qiagen). 

Ligation  was  performed  with  Ready‐To‐Go  T4  DNA  Ligase  beads  (Amersham  Biosciences,  Piscataway,  NJ),  adding  3  µl  of  the  digested  vector  and  10  µl  of  digested  insert.  The  final  volume was adjusted with ddH

2

O to 20 µl and the solution incubated at RT for 2‐5 h. 

The ligation product was transformed into competent E.coli DH5α cells (2 µl ligation product  were mixed with 100 µl of E.coli cells) via heat shock for 45 sec at 42°C. Transformed E.coli  cells  were  plated  on  pre‐warmed  LB  plates  supplemented  with  50  µg/ml  ampicillin.  After  O/N incubation at 37°C, 4 single colonies were picked from each plate and grown O/N in 2.5  ml  LB  medium  supplemented  with  50  µg/ml  ampicillin  on  a  shaker at  37°C.  Plasmids  were  purified  from  1.5  ml  of  O/N  culture  using  the  NucleoSpin  Plasmid  Kit  (Macherey‐Nagel,  Duren, Germany), resulting in a DNA concentration of approximately 200 ng/µl.  

To  check  the  quality  of  the  plasmids,  5  µl  of  the  purified  plasmid  were  cleaved  at  RT  with    0.5 µl of MluI and 0.5 µl of NotI for 1 h. Digest products were analysed on a 1% agarose gel  in  1  x  TAE.  One  positive  plasmid  sample  of  each  construct  was  sent  for  sequencing  and  stored at ‐20°C. 

   

4.4.2 Mini­Maxi Preparation 

In order to gain a high yield of plasmid for subsequent transfection of Giardia trophozoites, 

big scale O/N cultures of E.coli carrying the desired vector were set up. Therefore, 2 1000 ml 

(22)

21 

flask containing 50 ml  LB  medium  supplemented  with 50  µg/ml ampicillin were  inoculated  with  a  single  colony  of  freshly  streaked  transformed  E.coli  DH5α  cells  and  incubated  on  a  shaker at 37°C. Cells were harvested in 15 ml falcon tubes by centrifugation (15 min, 2000 x  g,  4‐8°C),  when  the  OD

600

  ≥2.  Plasmid  preparation  was  carried  out  with  the  NucleoSpin  Plasmid  Kit  (Macherey‐Nagel)  with  the  following  changes  of  the  manufacturer’s  protocol: 

Each cell pellet was resuspended in 1 ml resuspension buffer and lysed in 1 ml lysis buffer. 

Lysis  was  stopped  after  4‐5  min  by  addition  of  1.2  ml  of  neutralization  buffer.  The  neutralized  solution  was  distributed  in  parts  of  1.2  ml  into  eppendorf  tubes,  which  were  subsequently spun for 15 min (9500 x g, RT). Supernatants were pooled and placed on ice. 

For each flask, 4 columns were provided and loaded with 700 µl of the supernatant. Columns  were  spun  for  1  min  (2000  x  g,  RT)  and  the  flow‐through  was  discarded.  This  step  was  repeated  until  all  supernatant  was  processed  through  the  columns.  Both,  washing  and  elution  buffer  were  pre‐warmed  to  50°C  500  µl  washing  buffer  and  600  µl  A4  buffer  were  applied. 100 µl pre‐heated elution buffer were added to 1 column, incubated at 50°C for 1  min,  spun  and  sequentially  used  for  the  remaining  3  columns.  The  plasmid  concentration  was measured on a Nanodrop NO‐1000 spectrophotometer and was typically in the range of  1000 ng/µl. 

   

4.5 Sequencing of plasmids 

 

For sequencing, 450 ng of purified plasmid samples were mixed with either 0.75 µl forward  (‐20M13F) or 0.75 µl reverse (PACSeqF) primer, respectively, and water was added to a final  volume of 18 µl. Sequencing was performed at the Genome Center in Uppsala. The data was  analyzed in Sequence Scanner v1.0 (https://products.appliedbiosystems.com).  

   

4.6 Cell culture 

 

Giardia  intestinalis strains  WB,  GS,  and  P15  trophozoites  were  grown  in  10  ml  polystyrene  culture tubes (Nunc, Thermo  Scientific, Roskilde, Denmark) in complete Diamonds TYI‐33‐S  medium at 37°C as described 

28

. 500 ml medium contained 15 g peptone, 5 g Glucose, 1 g  NaCl,  0.1  g  L‐ascorbic  acid,  0.5  g  K

2

HPO

4

  3H

2

O,  0.3  g  KH

2

PO

4

,  1  g  L‐Cystein,  and  very  little  Ferricamonium citrate. The pH was set to 6.8.  

The  sterile  filtered  medium  was  completed  by  addition  of  10%  heat  inactivated  bovine  serum and 0.5% bovine bile (0.67  g of bovine bile powder  were dissolved in 12.5  ml dH

2

O  and sterile filtered). 

When the cells reached confluence, the vials were chilled on ice for 20 min, inverted several  times  and  passaged  to  a  tube  containing  pre‐warmed  medium,  usually  twice  a  week. 

   

4.7 DNA extraction 

 

Giardia trophozoites were grown to confluence, chilled on ice for 20 min and transferred to 

15 ml falcon tubes after inversion of the vials for several times. Trophozoites were collected 

References

Related documents

46 Konkreta exempel skulle kunna vara främjandeinsatser för affärsänglar/affärsängelnätverk, skapa arenor där aktörer från utbuds- och efterfrågesidan kan mötas eller

Both Brazil and Sweden have made bilateral cooperation in areas of technology and innovation a top priority. It has been formalized in a series of agreements and made explicit

The increasing availability of data and attention to services has increased the understanding of the contribution of services to innovation and productivity in

Generella styrmedel kan ha varit mindre verksamma än man har trott De generella styrmedlen, till skillnad från de specifika styrmedlen, har kommit att användas i större

Närmare 90 procent av de statliga medlen (intäkter och utgifter) för näringslivets klimatomställning går till generella styrmedel, det vill säga styrmedel som påverkar

In this line fitness reproducing in the female role was higher in the knock-out strain that could only reproduce as female, while it was lower in the partner that adapted to

Industrial Emissions Directive, supplemented by horizontal legislation (e.g., Framework Directives on Waste and Water, Emissions Trading System, etc) and guidance on operating

Development and evaluation of a real-time PCR assay for detection and quantification of Blastocystis parasites in human stool samples: prospective study of patients with