Prediction of consensus linear B-cell epitopes in Plasmodium falciparum 3D7

Raúl Isea*

Fundación Instituto de Estudios Avanzados (IDEA), Hoyo de la Puerta, Valle de Sartenejas. Baruta, Venezuela. email: raul.isea@gmail.com
* Doctor en Ciencias Químicas

RESUMEN

En la actualidad se estima que la mitad de la población humana puede contraer malaria y se carece de una vacuna en producción contra dicho flagelo, aunque las esperanzas están centradas en una llamada RTS,S/AS02. Es por ello que se debe continuar desarrollando metodologías computacionales que permitan el diseño racional de vacunas potencialmente efectivas. En ese sentido se propuso una nueva metodología computacional que predijera posibles epítopos consensos de células B lineales, presentes en el genoma del Plasmodium falciparum 3D7, a partir de la información disponible en la base de datos IEDB. Se descartaron aquellos que aparecían repetidos y se reagruparon en bloques, de acuerdo con los resultados obtenidos mediante los programas Redundancy y Nomad, respectivamente. Por último, se predijo su posible carácter antigénico con ayuda de los programas BepiPred, BcePred y BCPred. Por los resultados que se obtuvieron con esta metodología se destacaron tres secuencias potencialmente antigénicas de las 45 predichas, pero es imposible asegurar cuál de ellas es la más antigénica sin evidencia experimental.

Palabras clave: epítopos de células B, vacuna, malaria, ExPASy, Plasmodium falciparum.

ABSTRACT

Today it is estimated that half world population can be infected by malaria and there is not an available vaccine, however, there is hope with vaccine RTS,S/AS02. For this reason, we must continue to develop computer methodologies and strategies that will allow the rational design of potentially effective vaccines. We propose a new computational approach to predict linear B-cell epitopes from the whole genome sequencing of Plasmodium falciparum 3D7, obtained from IEDB database. Those that were repeated were discarded and were grouped into blocks according to the obtained results by Redundancy and Nomad programs. Subsequently, the possible antigenic character was predicted using the programs BepiPred, BcePred and BCPred. Three potentially antigenic sequences out of the 45 predicted were obtained with this methodology, but it is not possible to say which one the most antigenic without experimental evidence.

Key words: B-cell epitope, vaccine, malaria, ExPASy, Plasmodium falciparum.

INTRODUCCIÓN

La malaria o paludismo es una enfermedad tropical causada por el parásito Plasmodium y solo cinco cepas afectan a la especie humana: P. falciparum, P. vivax, P. ovale, P. malariae y P. knowles; esta última desde 1965, a raíz del primer caso registrado en los Estados Unidos (1). Se estima que el 50% de la población mundial está actualmente en riesgo de contraer la malaria (2) y entre dos y tres millones de personas mueren anualmente por esa causa.

Las esperanzas están centradas en una vacuna experimental llamada RTS,S/AS02, que posee una región central repetitiva y altamente conservada, donde se ha determinado la existencia de numerosos epítopos B flanqueados por zonas no repetitivas que se alternan con fragmentos inmunogénicos de los epítopos T generados por respuestas CD4+ y CD8+, cuyo rango de protección puede llegar a alcanzar hasta 45 meses (3).

Sin embargo, se debe ampliar la duración de la protección de dicha vacuna. Por ello es importante desarrollar nuevas estrategias computacionales que nos permitan predecir aquellos epítopos que desencadenen una mayor respuesta humoral y celular. De hecho, se dispone de la base de datos de epítopos llamada IEDB (Immune Epitope Database, por sus siglas en inglés), curada manualmente y de acceso abierto, donde se encuentra una amplia gama de información sobre ensayos experimentales publicados en la literatura científica que versan sobre enfermedades parasitarias, cáncer, HIV e influenza, entre otras (4).

Teniendo como punto de partida dicha base de datos, en el presente trabajo se planteó una nueva metodología computacional que permitió predecir posibles epítopos consensos de células B lineales, con vistas a que los mismos desempeñen un papel importante en el diseño de vacunas.

MATERIALES Y MÉTODOS

Los epítopos peptídicos se obtuvieron en la base de datos IEDB (accesible desde iedb.org). Seguidamente se eliminaron aquellos que se emplearon en más de una publicación para garantizar una distribución uniforme de la información.

Se verificó con el programa Redundancy, al que se accedió desde el servidor web ubicado en ExPASy (siglas en inglés de Expert Protein Analysis System, disponible en http://expasy.org/tools/redundancy/), con el objetivo de descartar aquellos epítopos iguales que aparecieran más de una vez.

El próximo paso fue determinar los epítopos consensos con la ayuda del programa Nomad, instalado también en ExPASy (accesible directamente desde http://expasy.org/tools/nomad.html). Este programa realiza un alineamiento múltiple local sin permitir brechas, así como la evaluación en forma iterativa de una función de entropía relativa, descrito por Hernández y cols (5).

Esos resultados se evaluaron independientemente por tres programas que permitieron predecir los epítopos B lineales, empleando como único dato su secuencia aminoacídica.

BepiPred se basa en modelos de cadenas de Markov (6); mientras que el programa BcePred se basa en una combinación de diversas propiedades físico-químicas, tales como la hidrofilicidad, determinada por el método de Parker; flexibilidad, según la descripción realizada por Karplus y Schulz; su exposición al solvente, de acuerdo con Emini; grado de antigenicidad, descrita por Kolaskar y Tongaonkar (7). BCPred fue diseñado con algoritmos de aprendizaje, supervisado e implementado en computadoras de soporte vectorial (8). El trabajo publicado por Wang y cols, 2011, describe con más detalles dichos programas (9).

RESULTADOS y DISCUSIÓN

Se obtuvieron 271 epítopos B o T de la base de datos IEDB del tipo peptídico, presentes en el ciclo de vida del P. falciparum 3D7. Se verificó que no fueran iguales mediante el programa Redundancy. Posteriormente, se generaron los epítopos consensos en bloques de nueve aminoácidos, de acuerdo con el programa Nomad. Para lograrlo se descartaron aquellos cuya longitud era igual o inferior a 8 aminoácidos, con lo cual se eliminaron 41 epítopos de los 271 ya mencionados. Se excluyeron algunos como: NAYNM, KENCGA, RSMAPEN, DGNKENCG, cuyas longitudes corresponden con 5, 6, 7 y 8 aminoácidos, respectivamente.

En la Tabla se muestran los 45 epítopos consensos resultantes mediante el programa Nomad, de los 230 epítopos obtenidos de IEDB, cuya extensión es igual o superior a 9. Es importante reseñar que se desconoce cuál debería ser la longitud ideal de esos epítopos consensos. Dicho estudio se pudo realizar con una longitud aminoacídica de 6, 7, 8, 10, 11 y 12. Solo ensayos experimentales posteriores podrían realmente elucidar la longitud ideal de los mismos. En tal sentido, Wang y cols, destacan esta misma observación, pero no logran completar su estudio en el trabajo publicado el 2011 (9).

A modo ilustrativo se muestra en la Figura el procedimiento descrito anteriormente, donde se simplificaron solo tres epítopos obtenidos desde IEDB: APFDETLGEEDKDLD, TLGEEDKLDEPEQF y YAGEPAPFDETLGEEDKDLD. En el mismo se describen numéricamente los pasos expuestos en la sección anterior. Una vez obtenidos los epítopos desde IEDB (identificados con 1) se descartan todos aquellos cuya longitud fuera igual o inferior a 8 (paso 2); se observa el epítopo consenso obtenido con el programa Nomad, TLGEEDKDLD (paso 3). Para resaltar el consenso entre dichas secuencias se colocaron los aminoácidos en gris claro.

Posteriormente se evaluaron los 45 epítopos consensos mostrados en la Tabla con tres programas diferentes para la predicción de células B lineales. El programa BepiPred solamente predijo que potencialmente pueden ser antigénicos 13 de todos ellos y aparecen subrayados para su fácil identificación; BCPred solo predijo 10 y aparecen en negritas; mientras que BcePre arroja solo 8, identificados con un asterisco.

Solo tres epítopos potencialmente antigénicos son predichos por todos los predictores descritos en este trabajo, siendo los mismos TLGEEDKDL (proteína adhesiva relacionada a trombospondina, AAQ11894), AAEDKKTEY (MSP-6, ACJ63434) y MPNDPNRNV (proteína circumsporozoito, AAA29517), donde se ha colocado dentro de un paréntesis el nombre de la proteína proveniente e inmediatamente después el identificador ID, de acuerdo con la base de datos NCBI, accesible desde www.ncbi.nlm.nih.gov. Tanto la proteína adhesiva a trombospondina como la de circumsporozoito, ya se han empleado en otros estudios que involucra el diseño de vacunas contra la malaria, como se aprecia en el trabajo publicado por Portal y Calzada (10).

Se procedió a realizar una búsqueda manual en la base de datos IEDB de cada una de las 45 secuencias mostradas en la Tabla, utilizando solo su secuencia aminoacídica. Al realizar dicha búsqueda 20 de los 45 se han usado en estudios antigénicos y, efectivamente, todos los resultados indicados con esta metodología computacional están centrados en P. falciparum y se indicó con un paréntesis el identificador correspondiente en IEDB.

En el presente trabajo se propuso una nueva metodología computacional que permitió predecir epítopos consensos de células B lineales a partir del volumen de información disponible en la base de datos IEDB, con la esperanza de que estos puedan llegar a ser eficientes en el desarrollo de una vacuna contra la malaria.

Finalmente, se debe realizar una validación experimental de la presente metodología propuesta mediante la inmunización con animales y con los sueros obtenidos, evaluados por ELISA, se verificaría si los anticuerpos del animal inmunizado son realmente efectivos con los epítopos consensos predichos.

Agradecimientos

Expresamos nuestro reconocimiento al Observatorio Científico Tecnológico en Vacunas, la Red Latinoamericana de Información Científico Técnica en Vacunas, la Red Iberoamericana de Tecnologías Convergentes NBIC en Salud y el Instituto Intercientífico de Paleopatología y Derechos Genoculturales-IPADEG, por la colaboración que nos dispensaron durante la realización de nuestro trabajo. Finalmente, a la Fundación Instituto de Estudios Avanzados IDEA y a la VII Comisión Mixta Cuba-Venezuela por el financiamiento del proyecto para la implementación de una plataforma computacional en Bioinformática.

REFERENCIAS

1. Chin W, Contacos PG, Coatney GR, Kimball HR. A Naturally Acquired Quotidian-Type Malaria in Man Transferable to Monkeys. Science 1965;149(3686):865.

2. World Health Organization (WHO). Malaria. Fact sheet No 94; Abril 2012. Disponible en: http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs094/en/index.html

3. Sacarlal J, Aide P, Aponte JJ, Renom M, Leach A, Mandomando I, et al. Long Term Safety and Efficacy of the RTS,S/AS02A Malaria Vaccine in Mozambican Children. J Infect Dis 2009;200:329-36.

4. Vita R, Zarebski L, Greenbaum JA, Emami H, Hoof I, Salimi N, et al. The Immune Epitope Database 2.0. Nucleic Acids Res 2010;38: 854-62.

5. Hernández D, Gras R, Appel R. Neighborhood functions and hill-climbing strategies dedicated to the generalized ungapped local multiple alignment. Eur J Oper Res 2006;185:1276-84.

6. Larsen JE, Lund O, Nielsen M. Improved method for predicting linear B-cell epitopes. Immunome Res 2006;2:2. Disponible en: http://www.immunome-research.com/content/2/1/2

7. Saha S, Raghava GPS. BcePred: prediction of continuous B-cell epitopes in antigenic sequences using physico-chemical properties. ICARIS 2004;3239:197-204.

8. El-Manzalawy Y, Dobbs D, Honavar V. Predicting linear B-cell epitopes using string kernels. J Mol Recognit 2008;21:243-55.

9. Wang Y, Wu W, Negre NN, White KP, Li C, Shah PK. Determinants of antigenicity and specificity in immune response for protein sequences. BMC Bioinformatics 2011;12(1):251. Disponible en: http://www.biomedcentral.com/1471-2105/12/251

10. Portal ES, Calzada RF. En busca de una vacuna antimalárica. Revista CENIC Ciencias Biológicas 2009;40:103-16.

Recibido: Julio de 2012
Aceptado: Septiembre de 2012