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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE CIÊNCIAS MÉDICAS Carlos Fernando Odir Rodrigues Melo ABORDAGEM LIPIDÔMICA PARA CARACTERIZAÇÃO DE CÉLULAS DE MOSQUITO INFECTADAS COM ZIKA VÍRUS: POTENCIAIS ALVOS PARA A QUEBRA DO CICLO DE TRANSMISSÃOA LIPIDOMICS APPROACH IN THE CHARACTERIZATION OF ZIKA-INFECTED MOSQUITO CELLS: POTENTIAL TARGETS FOR BREAKING THE TRANSMISSION CYCLECAMPINAS 2016

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE CIÊNCIAS MÉDICAS

Carlos Fernando Odir Rodrigues Melo

“ABORDAGEM LIPIDÔMICA PARA CARACTERIZAÇÃO DE CÉLULAS DE MOSQUITO INFECTADAS COM ZIKA VÍRUS:

POTENCIAIS ALVOS PARA A QUEBRA DO CICLO DE TRANSMISSÃO”

“A LIPIDOMICS APPROACH IN THE CHARACTERIZATION OF ZIKA-INFECTED MOSQUITO CELLS: POTENTIAL

TARGETS FOR BREAKING THE TRANSMISSION CYCLE”

CAMPINAS 2016

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Carlos Fernando Odir Rodrigues Melo

“ABORDAGEM LIPIDÔMICA PARA CARACTERIZAÇÃO DE CÉLULAS DE

MOSQUITO INFECTADAS COM ZIKA VÍRUS: POTENCIAIS ALVOS PARA A

QUEBRA DO CICLO DE TRANSMISSÃO”

“A LIPIDOMICS APPROACH IN THE CHARACTERIZATION OF ZIKA-

INFECTED MOSQUITO CELLS: POTENTIAL TARGETS FOR BREAKING

THE TRANSMISSION CYCLE”

ORIENTADOR: PROF. DR. RODRIGO RAMOS CATHARINO

CAMPINAS

2016

Dissertação apresentada à Faculdade de Ciências Médicas da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestre em Ciências.

Dissertation submitted to the State University of Campinas School of Medical Sciences as part of the requirements for obtaining the title of Master of Science.

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO CARLOS FERNANDO ODIR RODRIGUES MELO, E ORIENTADO PELO PROF. DR. RODRIGO RAMOS CATHARINO.

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BANCA EXAMINADORA DA DEFESA DE MESTRADO

CARLOS FERNANDO ODIR RODRIGUES MELO

ORIENTADOR: PROF. DR. RODRIGO RAMOS CATHARINO

MEMBROS:

1. PROF. DR. RODRIGO RAMOS CATHARINO

2. PROFA. DRA. DAISY MACHADO

3. PROFA. DRA. PATRICIA MARIA DE CARVALHO

Programa de Pós-Graduação em Fisiopatologia Médica da Faculdade de Ciências

Médicas da Universidade Estadual de Campinas.

A ata de defesa com as respectivas assinaturas dos membros da banca

examinadora encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.

Data: 01/08/2016

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DEDICATORIA

Dedico este trabalho a minha família, em especial ao meu pai, por todo o amor,

apoio e confiança em mim depositados.

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AGRADECIMENTOS

Primeiro aos meus pais, José Francisco de Melo e Maria Dulce Rodrigues

Melo, pois sem o esforço de vocês eu não teria chegado até aqui. Por causa de

tudo que fizeram que eu me tornei a pessoa que sou hoje. Obrigada por todo

apoio e incentivo, por todo amor, carinho, erros e acertos, pela confiança em

mim deposita.

À minha namorada, Tatiane, por todo amor, carinho, apoio e confiança.

Obrigada por sempre estar ao meu lado, pelo enorme companheirismo e força.

Aos meus amigos do Laboratório Innovare: Diogo, Cibele, Gustavo, Estela e

Maico. Obrigada por toda a ajuda que vocês me deram, paciência com a minha

falta de paciência e personalidade nem sempre amistosa.

Obrigado as alunas de iniciação científica, Aline Amorim e Carolina Tieme, por

sempre se predisporem a ajudar e o fazem da melhor maneira possível.

E por fim, ao meu orientador e amigo Prof. Dr. Rodrigo Ramos Catharino, por

todas as nossas conversas e orientações, tanto pessoais quanto profissionais.

Obrigada por sempre estar disposto à ajudar e a confiar no meu trabalho mais

que eu mesmo.

Muito obrigado!

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RESUMO

Os recentes surtos de vírus Zika na Oceania e na América Latina

acompanhados por complicações clínicas inesperadas tornou esta infecção

uma preocupação de saúde pública global. Este vírus apresenta tropismo pelo

tecido neural e está associado à microcefalia em recém-nascidos de mães

infectadas. A relevância clínica desta infecção, a dificuldade de realizar um

diagnóstico preciso e a pequena quantidade de dados na literatura destaca a

necessidade urgente de estudos sobre a infecção por Zika vírus. A análise do

processo de infecção em células é essencial para a caracterização de novos

biomarcadores e para o estabelecimento de novas metas para o controle viral

no hospedeiro, seja ele vertebrado ou invertebrado. Assim, este estudo tem por

objetivo estabelecer um perfil lipidômico de células de mosquitos infectados e

não infectados, visando a definição de potencias alvos para o controle viral em

mosquitos. Ao todo foram identificados treze lipídeos potenciais marcadores

específicos para infecção por Zika vírus, esses podem se relacionados com o

mecanismo intracelular de replicação viral e/ou de reconhecimento celular.

Nossos achados bioquímicos podem traduzir-se em alvos úteis para quebrar o

ciclo de transmissão viral.

PALAVRAS CHAVE: Zika vírus, Lipidômica, Espectrometria de massas

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ABSTRACT

The recent outbreaks of Zika virus in Oceania and Latin America accompanied

by unexpected clinical complications made this infection a global public health

concern. This virus has tropism to neural tissue, leading to microcephaly in

newborns from a significant proportion of infected mothers. The clinical

relevance of this infection, the difficulty to perform accurate diagnosis and the

small amount of data in literature highlights the urgent need for studies on Zika

infection. This is essential to the characterization of new biomarkers of this

infection and to the establishment of new targets for viral control in vertebrates

and invertebrate hosts. Thus, this study aims at establishing a lipidomics profile

of infected versus uninfected mosquito cells to define potential targets for viral

control in mosquitoes. We identified thirteen lipids that can be specific markers

for Zika virus infection, which were putatively linked to the intracellular

mechanism of viral replication and/or cell recognition. Our biochemical findings

may translate into useful targets for breaking the transmission cycle.

KEYWORDS: Zika virus, Lipidomic, Mass spectrometry

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LISTA DE ILUSTRAÇÕES

FIGURA 1:DIFERENTE NÍVEIS DAS “ÔMICAS” DEMONSTRADOS COMO UMA

CASCATA QUE RELACIONA O GENÓTIPO COM O FENÓTIPO...................... .16

FIGURA 2:PRINCIPAIS CLASSES DE LIPÍDIOA: GLICEROLIPIDIOS,

ESFINGOLIPIDOS E ESTERÓIS; MOSTRADOS COM SUAS CABEÇAS

POLARES À DIREITA. OS ACILOS SÃO APRESENTADOS EM CAIXAS

CINZENTAS. OS PRINCIPAIS GLICEROLIPIDIOS SÃO MONTADOS POR

ESTERIFICAÇÃO DE ACILOS NAS POSIÇÕES SN-1 E SN-2 DA CADEIA DE

GLICEROL E UMA CABEÇA POLAR NA POSIÇÃO SN-3. EM ALGUNS CASOS,

AS CADEIAS DE ÁCIDOS GRAXOS

PODEM SER LIGADAS ATRAVÉS DE LIGAÇÕES ÉTER OU ÉTER DE VINILO.

OS ESFINGOLIPIDIOS SÃO MONTADAS POR LIGAÇÃO DE UM ÁCIDO GRAXO

ATRAVÉS DE UMA LIGAÇÃO AMIDA EM UMA BASE DE CADEIA LONGA,

TAMBÉM CHAMADA BASE ESFINGOIDE, TAL COMO A ESFINGOSINA. PA:

ÁCIDO FOSFATÍDICO; CDP-DAG: DIACILGLICEROL

CITIDINA DIFOSFATO; DAG: DIACILGLICEROL; PC: FOSFATIDILCOLINA; PE:

FOSFATIDILETANOLAMINA; PS:FOSFATIDILSERINA; PI:

FOSFATIDILINOSITOL; PG: FOSFATIDILGLICEROL;

DPG:DIFOSFATIDILGLICEROL (ADAPTADO DE MARÉCHAL ET. AL. 2011) ... 18

FIGURA 3: SCORES PLOT BETWEEN THE FIRST TWO PRINCIPAL COMPONENTS

(PCS) SELECTED. THE EXPLAINED VARIANCES ARE 33.5% FOR

COMPONENT 1 AND 52.5% FOR COMPONENT TWO ...................................... 29

FIGURA 4: CLUSTERING RESULT FOR THE 65 TOP FEATURES IN THE PLS-DA

VIP SCORES, SHOWN AS A HEAT MAP (DISTANCE MEASURED BY

EUCLIDEAN AND CLUSTERING ALGORITHM USING WARD.D) ..................... 30

FIGURA 5: SEMIQUANTITATIVE ANALYSIS OF CHARACTERISTIC LIPIDS

SHOWED THAT ZIKV- INFECTED CELLS. THE BARS REPRESENTING

CONFIDENCE INTERVAL OF 95% (**** P<0.0001) ............................................ 33

FIGURA 6: CHEMICAL IMAGES FROM MALDI-MSI SHOWING THE

COMPARISON BETWEEN INFECTED AND UNINFECTED CELLS. IT IS

VISUALLY POSSIBLE TO ASSESS THE DIFFERENCE IN LIPID

COMPOSITION OF ZIKV-SPECIFIC CHARACTERIZED BIOMARKERS.

........................................................................................................................... 35

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LISTA DE TABELAS

TABELA 1:LIPIDS MARKERS ELECTED BY PLS-DA VIP SCORES ≥ 1.5 AND ELUCIDATED BY MS/MS FOR AEDES ALBOPICTUS C6/36 INFECTED CELLS (ZIKV ROUP)………………………………………………………………………… 27

TABELA 2:LIPIDS MARKERS ELECT BY PLD-DA VIP SCORE ≥ 1.5 AND

ELUCIDATED BY MS/MS FOR AEDES ALBOPICTUS C6/36 UNINFECTED CELLS (CONTROL GROUP)………………………………………………………………………………..28

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LISTA DAS ABREVIATURAS

ZIKV Zika Vírus

DENV Vírus da Dengue

CHIV Vírus Chicungunha

OROV Vírus OropoUche

MAC – ELISA IgM Antibody-Capture Enzyme-Linked

Immunosorbent Assay

RT-PCR Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction

RNA Ribonucleic Acid

DNA Deoxyribonucleic Acid

EM Espectrometria de Massas

CCD Cromatografia em Camada Delgada

CL Cromatografia Líquida

EFS Extração em Fase Sólida

CLAE Cromatografia Liquida de Alta Eficiência

CG Cromatografia Gasosa

MALDI Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization

ESI Electrospray Ionization

APCI Atmospheric Pressure Chemical Ionization

IV Infravermelho

UV Ultravioleta

IMS Imaging Mass Spectrometry

VRC Viral replication complexes

PC Phosphatidylcholine

LD Lipid Droplets

PLS-DA Partial Least Squares – Discriminant Analysis

VIP Variable Importance in Projection

MS/MS Espectrometria de massas em modo tandem

PS Phosphatidylserines

PE Phosphatidylethanolamines

PA Phosphatidic Acid

TG Triacylglycerol

SL Sphingolipids

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Sumário

Introdução .................................................................................................... 13

Vírus Zika .................................................................................................. 13

Aedes Aegypti ........................................................................................... 14

Metabolômica ............................................................................................ 15

Lipídeos e Lipidômica Lipídeos ................................................................. 16

Lipidômica ................................................................................................. 17

Análise de lipídeos e Espectrometria de Massas (EM) ............................. 19

Análise por Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization - Imaging Mass Spectrometry (MALDI-IMS) .......................................................................... 20

Objetivos ...................................................................................................... 22

Objetivo Geral ........................................................................................... 22

Objetivos Específicos ................................................................................ 22

CAPÍTULO I ................................................................................................. 23

A Lipidomics Approach in the Characterization of Zika-infected Mosquito Cells: Potential Targets for Breaking the Transmission Cycle ..................... 24

Introduction ............................................................................................... 25

Results ...................................................................................................... 26

Discussion ................................................................................................. 31

Acknowledgements ................................................................................... 37

Methods .................................................................................................... 37

Competing financial interests .................................................................... 40

Referências da introdução ........................................................................... 43

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Introdução

Vírus Zika

O Zika vírus (ZIKV) é um arbovírus da família Flaviviridae que foi isolado pela

primeira vez em macacos da floresta de Zika, em Uganda no continente Africado1,

onde seu vetor é o mosquito Aedes africanos2. A despeito do macaco ser seu

reservatório natural a contaminação de humanos com o vírus foi verificada

posteriormente3, ocorrendo relatos de surtos urbanos da infecção por ZIKV. Estes

surtos eram relatos isolados e extremante pontuais em uma determinada localidade

geográfica, como os que ocorreram na Nigéria em 19524 ou na Indonésia e, 19785.

Recentemente, mais especificamente de 2013 em diante, o ZIKV tem preocupado as

autoridades sanitárias em razão de estar se propagando muito rapidamente e com

presença já confirmada em 33 países do continente americano, sobretudo nos países

localizados na região equatorial3, mesma latitude em que se encontram os países do

sudeste asiático com incidência desta infecção6.

No continente africano, esta então zoonose, era transmitida pelo mosquito A.

africanos e a hipótese que explica a razão pela qual esse vírus passou a ser cada vez

mais encontrado em humanos é devido às alterações climáticas e ao rápido tráfego de

pessoas pelo mundo; pois através dos atuais meios de transporte, o vírus, que até

então estava restrito à uma região do continente africano e a um vetor específico,

conseguiu chegar a outras localidades e a se adaptar ao homem e a outros vetores

urbanos como o A. aegypti e A. albopictus7, estabelecendo-se desta forma um novo

ciclo na infecção do homem pelo ZIKV, onde não envolveria a relação animal-

artrópode-homem, mas sim homem-artrópode-homem. Estes novos vetores

encontrados pelo ZIKV se caracterizam por possuir alta capacidade vetorial, ou seja,

apresentam alta capacidade de transmitir um agente patogênico num determinado

local e a um tempo específico. As fêmeas do A. aegypti, principal vetor do ZIKV em

regiões urbanas, têm como característica se alimentarem principalmente de sangue de

seres humanos e frequentemente conseguem morder vários indivíduos em um único

período de alimentação, sendo a sua picada quase imperceptível. O A. aegypit vive

em estreita associação com a habitação humana, desta forma, o ZIKV ao estabelecer-

se neste novo vetor, promoveu o aumento exponencial de casos de infecção8 e tornou-

se um vírus urbano.

As manifestações clínicas da infecção por ZIKV não são nada específicas de

maneira que o diagnóstico clínico pode ser confundido com infecção pelo vírus da

dengue (DENV), Chikungunia (CHIV) ou até mesmo Oropoche (OROV), já que os

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sintomas mais frequentemente são os mesmos: exantema macular ou papular, febre,

artrite ou artralgia, conjuntivite não purulenta, mialgia, cefaléia, febre, dor retro-orbital,

edema e vômitos9. Os diagnósticos laboratoriais existentes hoje em dia também

apresentam dificuldades na sua realização uma vez que o exame sorológico, que visa

a detecção de anticorpos IgM por meio de ensaio imunossorvente ligado a enzima

(MAC - ELISA do inglês IgM antibody-capture enzyme-linked immunosorbent assay)

apresenta reação cruzada com outros tipos de Flavivírus como o DENV, não sendo o

resultado conclusivo10 já ao exame virológico, que é considerado padrão ouro para o

diagnóstico feito por meio de Reação em Cadeia da Polimerase de Transcriptase

Reversa (RT-PCR do inglês Reverse transcription polymerase chain reaction) é

possível fazer apenas na fase aguda da doença, sendo os melhores resultados

obtidos em pacientes que realizaram o exame após uma semana do início das

manifestações clínicas, essa dificuldade se dá uma vez que a viremia do ZIKV é baixa,

tornando o isolamento do vírus a partir de amostras clínicas extremante difícil11.

A infecção pelo ZIKV é quase sempre autolimitada e subdiagnósticada, mas

com o recente surto de ZIKV, tem-se observado um aumento na síndrome de Guillain–

Barré que se caracteriza como uma doença autoimune que causa paralisia flácida

aguda ou subaguda e ao aumento no nascimento de bebês microcefálicos a partir de

mães infectadas com ZIKV12. Esta última é uma condição neurológica rara em que a

cabeça e o cérebro da criança são significativamente menores do que os de outras da

mesma idade e sexo, devido ao cérebro não crescer o suficiente durante a gestação

ou após o nascimento, o que acarreta inúmeros problemas relacionados ao

desenvolvimento neurológico13.

Aedes Aegypti

O Aedes aegypti é um mosquito originário do Egito e foi descrito cientificamente

pela primeira vez em 1762, sendo inicialmente denominado Cúlex aegypti (Cúlex

significa “mosquito” e aegypti, egípcio) já que o gênero Aedes só foi descrito em 1818,

e em seguida se verificou que a espécie aegypti, já descrita, apresentava

características morfológicas e biológicas semelhantes às de espécies do gênero

Aedes, fato que alterou a classificação desse mosquito de Cúlex para Aedes, sendo

então estabelecido: Aedes aegypti14,15. Estes mosquitos saíram do continente africano

principalmente a partir dos navio negreiros que faziam tráfico de escravos da África

para Europa e América16,17,18.

Os mosquitos fêmea mordem animais dado a necessidade de sangue para a

maturação dos ovos e neste processo, se o animal mordido estiver infectado com o

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ZIKV, ao ingerir o sangue o mosquito se infectada com o vírus e passa então a ser um

vetor para o ZIKV. O vírus se instala nas glândulas salivares do mosquito e o morder

um animal para sugar o sangue o mosquito injeta inicialmente saliva no local da

mordida com o intuito de não deixar o sangue coagular e o animal não sentir dor,

entretanto quando a saliva do mosquito esta infectada o ZIKV, este entra em contato

com a corrente sanguínea do animal, que passa agora estar infectado pelo ZIKV. De

uma maneira geral, os mosquitos têm por hábito sugar o sangue de uma só

pessoa/animal a cada ovo postura, entretanto o A. aegypti é capaz de morder mais de

uma pessoa/animal a cada ovo postura, processo que é chamado de discordância

gonotrófica, tornando-o um excelente vetor para doenças pois há um grande número

de pessoas diferentes que o mosquito é capaz de morder e consequentemente

transmitir o vírus, caso esteja infectado18. A maneira como o vírus é combatido pelo

mosquito ainda é muito pouco explorada, sendo normalmente abordados modelos de

estudo já estabelecido com a Drosófila melanogáster19, adicionalmente os estudos

focam genômica e proteômica19,20,21,22,23 não tendo estudos que analisam o fenótipo

metabolômico relacionado ao mecanismo de infecção viral no mosquito.

Metabolômica

Hoje o grande desafio dos pesquisadores não é mais desvendar as sequências de

pares de bases nitrogenadas que compõe o RNA de um vírus ou o DNA de um animal

qualquer, haja visto a grande quantidade de genomas disponíveis em domínio público.

O desafio agora é o de conectar os genes com suas funções, relacionar o genótipo

com o fenótipo. O impulso para entender a função dos genes descobertos

recentemente alavancou a análise sistemática dos níveis de expressão de

componentes de um sistema biológico, tais como mRNA, proteínas e metabólitos, e a

catalogação global destes componentes tem dado origem a vários “OMAs” (o genoma,

o proteoma, o metaboloma). Entender a rede de componentes e como eles interagem

é a base do acesso aos sistemas biológicos24.

A Metabolômica é o estudo sistemático e completo da série de intermediários de

baixo peso molecular, não protéicos, sintetizados endogenamente (o metaboloma) e

que esteja contido em uma célula representando o produto final da expressão gênica.

Dentre esses estão os aminoácidos, ácidos nucléicos, açúcares e lipídeos. Assim, a

partir da metabolômica surgiram subáreas dentre elas a glicômica e a lipidômica24, 35. A

Figura 1 mostra como a lipidômica, por meio da metabolômica, representa o ponto

final da cascata “ÔMICA” e consequentemente o ponto mais próximo ao fenótipo.

Assim a lipidômica, como a metabolômica, se desenvolve como uma ferramenta

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funcional da genômica. Combinando a genômica, transcriptômica, proteômica e a

metabolômica (lipidômica), essas podem fornecer uma poderosa série de ferramentas

para examinar mudanças fenotípicas35.

Figura 1:Diferente níveis das “ÔMICAS” demonstrados como uma cascata que relaciona o genótipo com

o fenótipo35

.

Uma vez que o vírus depende exclusivamente do metabolismo celular da célula

hospedeira para sua replicação, no processo de infecção celular; ele altera a

metabolômica celular a fim que a célula produza os metabólitos necessários para sua

infecção e replicação36. A partir das alterações fenotípica apresentadas pelas células

infectadas é possível verificar quais vias metabólicas estão ativas ou têm sua atividade

aumentada, ajudando a entender como se dá o processo de infecção celular pelo vírus

37,38, 39, 36.

Lipídeos e Lipidômica

Lipídeos

Lipídeos podem ser definidos, de uma maneira geral, como pequenas

moléculas hidrofóbicas ou anfifílicas que podem se originar parcial ou inteiramente

pela condensação de subunidades de cetoacil e isoprenos, oleosos ao toque, e que,

juntamente com carboidratos e proteínas, constituem o principal material estrutural

para a vida celular34,40,41,42,43.

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A maioria dos lipídeos que ocorrem biologicamente são combinações lineares

de cadeias alifáticas e grupos com cabeças polares ligados glicerol ou esfingolipídeos,

assim como cadeias alifáticas covalentes ligadas a colesterol. A grande variabilidade

de lipídeos ocorre em razão à grande variabilidade estrutural que pode ocorrer nas

combinações como demonstrado na figura 2, dentre elas: natureza dos grupos da

cabeça (definindo classes lipídicas); tamanho das cadeias alifáticas; número, posição

e estereoquímica de duplas ligações; grupos hidroxil e outras funções nas cadeias

alifáticas; a natureza das ligações covalentes do grupo da cabeça (éter, éster, vinil

éster)41, 44.

Lipidômica

Os lipídeos apresentam ampla função dentro das células, incluindo constituinte

de membranas, manutenção de gradientes eletroquímicos, primeiros e segundos

mensageiros na sinalização celular, estoque de energia, transporte de proteínas e

ancoramento de membranas em gradientes eletroquímicos35,45,41,42,43.

A lipidômica, uma subclasse da metabolômica, que pode ser definida como a

determinação molecular, quantitativa e completa, de moléculas de lipídeos isolados a

partir de células, tecidos e fluidos biológicos, em várias condições fisiológicas e

patológicas34,35,40,46, existindo duas maneiras de se fazer estudos em lipidômica: com

alvo (Target Lipidomic) e sem alvo (Untarget Lipidomic). Na lipidômica com alvo os

lipídeos caracterizados e quantificados já são conhecidos e propostos no início do

estudo, já estudos de lipidômica sem alvo os lipídeos que serão caracterizados e

quantificados ainda são desconhecidos, sendo descobertos a partir dos dados

encontrados nos experimentos realizados34,35,40.

A lipidômica está se desenvolvendo rapidamente e emergindo como uma

disciplina independente de interface entre biologia lipídica, tecnologia e medicina. A

diversidade e complexidade dos lipidomas biológicos requerem inovações técnicas e

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Figura 2:Principais classes de lipídioa: glicerolipidios, esfingolipidos e esteróis; mostrados com suas cabeças polares à direita. Os acilos são apresentados em caixas

cinzentas. Os fosfatos são apresentados comcírculos azuis. Os principais glicerolipidios são montados por esterificação de acilos nas posições sn-1 e sn-2 da cadeia de glicerol e uma cabeça polar na posição sn-3. Em alguns casos, as cadeias de ácidos graxos podem ser ligadas através de ligações éter ou éter de vinilo. Os esfingolipidios são montadas por ligação de um ácido graxo através de uma ligação amida em uma base de cadeia longa, também chamada base esfingoide, tal como a esfingosina. PA: Ácido fosfatídico; CDP-DAG: Diacilglicerol citidina difosfato; DAG: Diacilglicerol; PC: Fosfatidilcolina; PE: Fosfatidiletanolamina; PS:Fosfatidilserina; PI: Fosfatidilinositol; PG: Fosfatidilglicerol; DPG:Difosfatidilglicerol (adaptado de Maréchal et. al. 2011) .

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melhoramento para suprir a necessidade dos vários estudos biomédicos

desenvolvidos. A recente onda de expansão no campo da lipidômica pode ser

atribuído a avanços na tecnologia analítica, em particular, o desenvolvimento de novas

ferramentas de cromatografia, espectrometria de massas e bioinformática para

quantificação e caracterização da grande série de lipídeos presentes em um lipidoma.

40, 47.

Uma uma vez que o vírus se utiliza da maquinaria celular no processo de

infecção e replicação, alguns desses lipídeos são cruciais também para o vírus38,39,

entretanto as informações de suas funções no processo de infecção viral, bem como

sua função estrutural nos vírus ainda muito pouco explorada sendo uma área quase

que desconhecida e que recentemente tem-se demonstrado de extrema importância

no processo de infecção e de manutenção da replicação viral37, 38, 39.

Análise de lipídeos e Espectrometria de Massas (EM)

Estratégias tradicionais de análise de lipídeos usualmente pré-fracionam os

lipídeos em classes por Cromatografia em Camada Delgada (CCD), Cromatografia

Líquida (CL) ou Extração em Fase Sólida (EFS), e depois separam as classes

particulares de lipídeos em moléculas individuais por Cromatografia Liquida de Alta

Eficiência (CLAE) acoplada a diferentes detectores. Com estes métodos tradicionais

as moléculas individuais de muitas classes de lipídeos podem ser analisadas, porém

estes apresentam baixa sensibilidade, resolução limitada, necessitam de grande

quantidade de amostra e muitas vezes são necessários vários passos para sua

preparação42,47.

Com o desenvolvimento de técnicas mais modernas como a CL e a Cromatografia

Gasosa (CG) a separação de muitos lipídeos de misturas simples se tornou possível.

No entanto, a identificação e quantificação de lipídeos em misturas complexas, tais

como extratos brutos de lipídeos, ainda permanece desafiador e muitos procedimentos

demorados, como hidrólise e derivatização, são utilizados para uma melhor resolução

dos lipídeos na separação por cromatografia.

A análise de lipídeos sofreu um grande avanço com a utilização da Espectrometria

de Massas (EM)42,44,46, principalmente com o desenvolvimento da tecnologia da

ionização suave tais como ionização por dessorção a laser assistida por matriz (Matrix-

Assisted Laser Desorption Ionization – MALDI), ionização por electrospray

(Electrospray Ionization - ESI), ionização química por pressão atmosférica

(Atmospheric Pressure Chemical Ionization – APCI), que tornaram possível em uma

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20

única análise a avaliação rápida e sensível da maioria, ou fração substancial, dos

lipídeos presentes em uma matriz complexa34,44,46.

Comumente os lipídeos são extraídos antes de serem submetidos a análise por

EM por diferentes métodos de extração tais como Bligh Dyer48 e Folch49. Em um típico

experimento de lipidômica, a amostra lipídica é injetada no EM, ionizada e vaporizada,

resultando em íons que são separados de acordo com sua relação massa/carga (m/z)

no analisador de massas42. Existem duas ferramentas fundamentais para identificação

e quantificação de lipídeos por EM. O primeiro, e o mais tradicional, é o CLASS

(“Comprehensive Lipidomics Analisys by Separation Simplification”), baseado na

separação de diferentes categorias de lipídeos utilizando extração e separação

cromatográfica antes da análise de massas e depois otimização do espectrômetro de

massas para analisar classes específicas de lipídeos. A segunda ferramenta, também

chamada de Shotgun Lipidomics, omite a separação cromatográfica e analisa

essencialmente todas as classes de lipídeos, por injeção direta no espectrômetro de

massas enquanto emprega diferentes fontes de polaridade de íons (para formar íons

positivos e negativos) e adicionar soluções ionizantes para favorecer a análise de

classes específicas de lipídeos34,42. Neste estudo a segunda abordagem foi utilizada.

Análise por Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization - Imaging Mass

Spectrometry (MALDI-IMS)

A técnica de ionização utilizada para a realização dos experimentos foi MALDI,

que se baseia na utilização de uma matriz composta de ácidos orgânicos de baixo

peso molecular para o recobrimento da amostra. Esse recobrimento é realizado

apergindo à solução de metanol:acetonitrila (1:1) contendo 10 µg de matriz sobre o

analito. Um feixe de laser (infravermelho – IV ou ultravioleta – UV) incide na amostra,

onde a matriz tem a função de absorver a energia do laser, aquecer e sofrer rápida

evaporação (sublimação), promovendo assim a ionização do analito. A ionização

ocorre devido as características químicas da matriz, através da doação ou retirada de

íons H+, gerando íons positivos do tipo [M + H]+ ou negativos do tipo [M – H]-. As

moléculas ionizadas e no estado gasoso são aceleradas pelo potencial elétrico

aplicado à sonda em direção ao analisador de massas e, posteriormente, detectadas

50,51.

MALDI-MSI permite a análise espacial da distribuição de metabólitos

diretamente em amostras biológicas, sem qualquer conhecimento prévio ou a

necessidade de reagentes específicos e embora possua algumas desvantagens em

termos de resolução espacial, MALDI é considerada a melhor técnica atualmente

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21

disponível para imageamento de lipídeos, sendo uma técnica rápida e a partir das

imagens químicas é possível quantificar os analtos a partir da densidade de pixels52.

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22

OBJETIVOS

Objetivo Geral

Determinar as alterações no lipidoma de células de mosquito infectadas com o Zika

vírus (ZIKV) utilizando técnicas baseadas em Espectrometria de Massas (EM).

Objetivos Específicos

- Determinar as alterações no lipidoma celular de céluals de mosquito C6/36 infectada

com ZIKV através de análise direta, utilizando uma nova metodologia baseada na EM;

- Quantificar as alterações no lipidoma celular de células de mosquito infectadas com

ZIKV quando comparadas com células de mosquito não infectadas por meio de

metodologia baseada no MALDI-IMS.

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23

CAPÍTULO I

ABORDAGEM LIPIDÔMICA PARA

CARACTERIZAÇÃO DE CÉLULAS DE MOSQUITO INFECTADAS COM ZIKA

VÍRUS: POTENCIAIS ALVOS PARA A QUEBRA DO CICLO DE

TRANSMISSÃO

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A Lipidomics Approach in the Characterization of Zika-infected Mosquito Cells:

Potential Targets for Breaking the Transmission Cycle

Carlos Fernando Odir Rodrigues Melo1, Diogo Noin de Oliveira1, Estela de Oliveira

Lima1, Tatiane Melina Guerreiro1, Cibele Zanardi Esteves1, Raissa Marques Beck3,

Marina Aiello Padilla3, Guilherme Paier Milanez2, Clarice Weis Arns3, José Luiz

Proenca-Modena2, Jayme A. Souza-Neto2,3 and Rodrigo Ramos Catharino1*

1 Innovare Biomarkers Laboratory, School of Pharmaceutical Sciences, University of

Campinas, 13083-877, Brazil.

2 Emerging viruses study Laboratory, Department of Genetics, Evolution and

Bioagents, Institute of Biology, University of Campinas, 13083-862, Brazil.

3 Animal viruses Laboratory, Department of Genetics, Evolution and Bioagents,

Institute of Biology, University of Campinas, 13083-862, Brazil.

4 Vector Functional Genomics & Microbiology Laboratory, UNESP Institute of

Biotechnology, São Paulo State University, Alameda das Tecomarias s/n, Botucatu,

18607-440, Brazil.

5 Department of Bioprocesses and Biotechnology, Faculty of Agronomical Sciences,

São Paulo State University, Rua José Barbosa 1780, Botucatu, 18610-307, Brazil. *Corresponding author (RRC): [email protected]

The recent outbreaks of Zika virus in Oceania and Latin America accompanied

by unexpected clinical complications made this infection a global public health

concern. This virus has tropism to neural tissue, leading to microcephaly in

newborns from a significant proportion of infected mothers. The clinical

relevance of this infection, the difficulty to perform accurate diagnosis and the

small amount of data in literature highlights the urgent need for studies on Zika

infection. This is essential to the characterization of new biomarkers of this

infection and to the establishment of new targets for viral control in vertebrates

and invertebrate hosts. Thus, this study aims at establishing a lipidomics profile

of infected versus uninfected mosquito cells to define potential targets for viral

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25

control in mosquitoes. We identified thirteen lipids that can be specific markers

for Zika virus infection, which were putatively linked to the intracellular

mechanism of viral replication and/or cell recognition. Our biochemical findings

may translate into useful targets for breaking the transmission cycle.

Introduction

Zika virus (ZIKV) is an emerging arbovirus that is transmitted by mosquitoes of

the genus Aedes1, and was first isolated in 1947 in eastern Africa, remaining restricted

to the African and Asian continents until 2007, where it was seldom observed in

humans2. Typically, the infection of ZIKV in humans is asymptomatic or associated with

a self-limiting febrile illness in only 20% of infected people. However, recent outbreaks

of ZIKV in South Pacific and Latin America have evidenced the virus potential to cause

severe neurological damage-associated complications such as Guillain-Barré

syndrome3 and microcephaly in newborns4.

Similarly to dengue virus (DENV), ZIKV is an enveloped single-stranded

positive RNA virus whose 10.7-kb genome encodes three structural proteins (C,

capsid; M, membrane; and E, envelope) and seven nonstructural proteins (NS1, NS2a,

NS2b, NS3, NS4a, NS4b and NS5)2,5. The E protein is a major ZIKV antigen and

coordinates the association between the virion and the host’s viral receptors and

membrane lipids6,7. Recent studies have demonstrated that viral and host lipids play an

important role in the attachment process during viral infection. These lipids, adhered to

the capsid surface, coordinate viral recognition allowing its entry into the host cell8-13.

Intracellular host cell membranes multiply and reorganize during infection in

order to form viral replication complexes (VRCs), leading to the accumulation of

phosphatidylcholine (PC) in the VRCs as demonstrated for Poliovirus and Hepatitis C14.

Furthermore, VRC biogenesis requires increased membrane fluidity in order to facilitate

viral RNA transfer throughout pores formed on the packing vesicles14. Strikingly, a

recent lipidomics study has demonstrated that intracellular membrane alterations

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induced by DENV are intimately associated with a set of lipids uniquely found on

DENV-infected mosquito cells, especially in association with VCR membranes15,

highlighting the crucial role of such molecules in this process.

On the other hand, lipid droplets (LDs) have been recently pointed out as an

important component of the A. aegypti antiviral defenses16, which also rely on the RNAi

machinery17 and innate immune pathways Toll and JAK-STAT18,19 to contain viral

replication. LDs accumulate upon bacterial and viral infections in both adult mosquito

midgut and cell lines, in a process that seems to be associated with the activation of

NF-k-B immune pathways, with the participation of the insect gut microbiota16.

While much progress has been achieved in the past decade towards

understanding the mosquito’s transcriptional and metabolic responses to DENV

infection, mosquito-ZIKV interactions continues largely unknown. In addition to the

limitations of both clinical and laboratory diagnosis and the absence of a specific

treatment for ZIKV infection2,20,21, this poses an important challenge for the

development of control interventions.

The present study aims at verifying the alterations in the mosquito cell lipidome

during ZIKV infection using the MALDI Mass Spectrometry Imaging (MALDI-MSI)

approach in order to identify and characterize important molecules associated with

Aedes-ZIKV interactions. Our findings indicate that Aedes’ cells increase their

glycerophospholipid metabolism for some lipids, in the same way as with DENV

infection15. These lipids may represent potential targets for blocking viral replication in

mosquitoes or for further developments in novel therapeutic approaches in humans,

since it is known that some factors required for viral infection are conserved among

Diptera and human hosts22.

Results

In order to analyze the main metabolites involved with ZIKV infection in the

mosquito, we performed a metabolomic analysis on both Aedes albopictus C6/36

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infected and uninfected cells. Our data suggest that a large amount of lipids is involved

in the responses to ZIKV infection. A PLS-DA statistical analysis of our mass

spectrometry-derived data evidenced a clear separation between Zika-infected and

uninfected C6/36 mosquito control cells, as demonstrated in Figure 1. Using VIP

scores, 65 features were identified with a score value greater or equal to 1.5, as

demonstrated in Figure 2; the ZIKV-infected cells accounted for 37 characteristic

markers whereas the uninfected control ones displayed 28 molecules. Out of these 65

features, 20 lipid markers were identify using tandem mass spectrometry (MS/MS),

divided in 13 species for the ZIKV-infected group (Table 1) and 7 for the control group

(Table 2).

Table 1: Lipids markers elected by PLS-DA VIP scores ≥ 1.5 and elucidated by MS/MS for Aedes albopictus C6/36 infected cells (ZIKV group).

Class Ion (m/z)

Molécula MS/MS

Sphingolipid 400 Sphingofungin F 311, 336, 356

Phosphatidylserine

516 PS(18:4(6Z,9Z,12Z,15Z)/0:0) 272, 289, 326, 345

518 PS(18:3(9Z,12Z,15Z)/0:0) 373, 387, 429, 474

520 PS(18:2(9Z,12Z)/0:0) 375, 429, 431, 476

540

PS(20:6(2Z,5Z,8Z,11Z,14Z,17Z)/0:0) 373, 395, 400, 491, 496, 522

542 PS(20:5(5Z,8Z,11Z,14Z,17Z)/0:0) 375, 402, 493, 498

544 PS(20:4(5Z,8Z,11Z,14Z)/0:0) 355, 399, 456, 500

Phosphatidylcholine

530 PC(19:3(10Z,13Z,16Z)/0:0) 472, 512

536 PC(19:0/0:0) 311, 404, 445, 447

556

PC(6:2(3E,5E)/14:2(11E,13E)) 373, 389, 400, 416, 512

558

PC(6:2(3E,5E)/14:1(13E)) 375, 402, 412, 418, 514

Dyacylglicerole 563 DG(16:1(9Z)/16:1(9Z)/0:0) 519, 537, 545

Phosphatidylethanolamine 632 PE(12:0/16:1(9Z)) 544, 562, 588

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28

Of the 13 lipids species indentified for ZIKV-infected cells, 12 participate directly

in the intracellular metabolism of glycerophospholipid in the host cells: 8 are

acylglycerophospholipids, divided into 6 acylglycerophosphoserines and 2

acylglycerophosphocholines; 3 species are diacylglycerophospholipids, divided in two

diacylglycerophosphocholines and 1 diacylglycerophosphoserine; 1 is a

diacylglycerol; and one is sphingolipid. Thus, these data suggest that the

glycerophospholipid metabolism pathway activity is much increased in the ZIKV-

infection group, similarly to other viral infections14,15,23.

Table 2: Lipids markers elect by PLD-DA VIP score ≥ 1.5 and elucidated by MS/MS for Aedes albopictus C6/36 uninfected cells (Control group).

Class Ion (m/z)

Molécula MS/MS

Phosphatidic Acid 409 PA(16:0/0:0) 263, 365, 391

Phosphoethanolamine

757 PE(18:2(9Z,12Z)/19:0) 713, 730, 739

773 PE(20:0/18:1(9Z)) 627, 645, 728, 755

779 PE(16:0/22:6(54Z,7Z,10Z,12E,16Z,19Z) (14OH))

502, 546, 589, 735

Phosphatidylserine

881 PS(22:4(7Z,10Z,13Z,16Z)/21:0) 736, 836, 863,

903 PS(22:0/22:0) 714, 758, 858, 884

Triacylglycerol 925 TG(18:2(9Z,12Z)/20:4(5Z,8Z,11Z,14Z)/ 20:4(5Z,8Z,11Z,14Z))

881, 899, 907

To corroborate the abovementioned evidence of ZIKV infection interference in

the metabolism pathway activity of mosquito cells, a semiquantitative analysis of

characteristic lipids showed that ZIKV-infected cells presented statistically significant

higher levels (p<0.05) of all PLS-DA-elected lipids as characteristic markers for ZIKV-

infection based on the quantitative comparison performed with each marker between

ZIKV-infection and control samples (Figure 3), evidencing a trend similar to that

obtained through PLS-DA analyses. Amounts up to 2.15-fold higher than those in the

control group are observed for some metabolites, as it is the case for the ion at m/z 556

[PC(6:2(3E,5E)/14:2(11E,13E))].

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29

Figure 1: Scores plot between the first two principal components (PCs) selected. The

explained variances are 33.5% for component 1 and 52.5% for component two.

On the other hand, the quantitative comparison between the markers in

control and ZIKV-infected cells was not statistically significant, despite a slight

increase in the amount of elected markers in the control cells was observed

(p<0.05, data not shown), suggesting that the same lipids metabolized by the

glycerophospholipid metabolism on the control cell are metabolized on the

ZIKV-infection. This may be explained by the fact that both ZIKV-infected and

uninfected cells have essentially the same metabolic profile, except for some

specific metabolic changes induced by the virus in the cell line14,24; the regular

glycerophospholipid metabolism, however, remain at lower levels when the cell

is in homeostasis25. Figure 4 presents a comparison between the two groups,

where it is visually possible to assess the difference in lipid composition of

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ZIKV-specific characterized biomarkers. Although this study uses mosquito

cells, the host factors here may be the same for the human, since some viral

host factors are the same for both human and mosquito cells22. The identified

lipid classes will be discussed in detail in the subsections below.

Figure 2: Clustering result for the 65 top features in the PLS-DA VIP scores, shown as

a heat map (distance measured by Euclidean and clustering algorithm using ward.D).

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31

Discussion

Sphingolipids (SL)

Sphingofungin F, the ion at m/z 400 (Table 1), was the SL found as maker for

ZIKV infection, This compound was isolated for the first time during the fermentation of

Paecilomyces variotii (ATCC 74097), and it is a bioactive lipid that acts as the inhibitor

of serine palmitoyltransferase (SPT), an essential enzyme during the biosynthesis of

SL (26). The SPT inhibitor was initially investigated for its antifungal activity; however,

later studies showed that these inhibitors suppress viral replication, as described with

for myriocin-based SPT inhibition in hepatitis C virus (HCV)24,26, as well as for 4-

hydroxyphenyl retinamide inhibitor in a study with DENV27. Like ZIKV, these two

viruses also belong to the Flaviviridae family. No previous report has ever implicated

this SL as an insect metabolite; it has only been associated to fungi metabolism1. As

observed in Figure 4, this molecule is present in both cultures, but the relative amount

in the ZIKV-infected group is 1.64-fold (p<0.0001) higher than in the control group. This

may be an indicative that the infected cells are responding to viral infection, in an

attempt to impair viral replication.

Phosphatidylserines (PS)

PS is the most abundant anionic lipid class in the plasma membrane of

eukaryotes. It is essentially produced in the inner side of the plasma membrane when

the cell is in homeostasis; however, this asymmetry is lost during injury, malignancy, or

the apoptosis28,29. Under apoptotic conditions, cells reverse PS to the outer side of the

membrane. PS signalize to phagocytes that cell is under apoptosis30. The exact

processes, by which the cell externalizes these lipids, or how this process is initiated,

are not fully understood31. Cell cultures were analyzed 7 days after seeding, which

marks the beginning of the culture decay process. Hence, the two PS lipids elected as

markers for the control group, m/z 881 [PS(22:4(7Z,10Z,13Z,16Z)/21:0)] and m/z 903

[PS(22:0/22:0)] may be due to the apoptotic process that may have been initiated in the

cell culture, which lead to a higher dead cells ratio, as cell cultures are self-limiting in

growth. Additionally, since both cultures were analyzed at the same time point, the

ZIKV-infected group was likely in the same phase of the control one, which may explain

the lack of statistical significance in the quantitative analysis of markers between these

two groups. The level of all 6 PS characterized for the ZIKV-infected culture, m/z 516

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[PS(18:4(6Z,9Z,12Z,15Z)/0:0)], m/z 518 [PS(18:3(9Z,12Z,15Z)/0:0)], m/z 520 [PS(18:2(9Z,12Z)/0:0)], m/z 540 [PS(20:6(2Z,5Z,8Z,11Z,14Z,17Z)/0:0)], m/z 542

[PS(20:5(5Z,8Z,11Z,14Z,17Z)/0:0)] and m/z 544 [PS(20:4(5Z,8Z,11Z,14Z)/0:0)], was

statistically significant in the semiquantitative analysis when compared to the control

uninfected culture, as shown in Figure 3.

PS seems to play a crucial role during virus infection8,11,29. The viral infection, in

turn, induces asymmetry in plasma membrane composition, similar to the

abovementioned apoptotic process, facilitating phagocyte recognition of infected cells32-

35. In addition, viral envelope phosphatidylserine are essential for viral replication,

mediating biding to target cells or phagocytosis of viral particles, such as demonstrated

for West Nile, Dengue and Ebola viruses8,11. Several recognition mechanisms of

apoptotic cells by phagocytes were described during the infection of several viruses,

such as those that recognize CD300a, TIM and TAM receptors, observed in DENV

infection8,9. In addition, the availability of PS in the outer side of circulating infected-

cells signals through TAM receptors to tighten cell junctions, modulating blood-brain

barrier integrity and preventing virus transit across brain microvascular endothelial cells

during viral infection36.

Phosphatidylethanolamines (PE)

PE, as well as PS, is an anionic lipid that is normally found in the inner side of

plasma membranes28,29, and are synthesized via the decarboxylation reaction of

PS37,38. It is the second most abundant lipid class in plasma membranes, after

phosphatidylcholines (PC)15. PE is externalized upon any cellular biochemical

imbalance28,29, probably by the same mechanism of PS, indicating that apoptosis is

underway39. As for PS, the three PE elected as markers for the control group (m/z 757

[PE(18:2(9Z,12Z)/19:0)], m/z 773 [PE(20:0/18:1(9Z))] and m/z 779 [PE(16:0/22:6(54Z,7Z,10Z,12E,16Z,19Z)(14OH))]) did not present significant

differences in content when compared to the ZIKV-infected group (data not shown).

Since PS and PE play the same role during apoptosis signaling39, the same premises

presented above may explain the lack of significance in this comparison.

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Figure 3: Semiquantitative analysis of characteristic lipids showed that ZIKV-infected cells. The bars representing confidence interval of 95% (**** p<0.0001)

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PE, as well as PS, is a substrate for TAM13 and CD300a8 receptors, involved in

viral internalization into the cell. The species elected as marker for the ZIKV-infected

group, m/z 632 [PE(12:0/16:1(9Z))], presented statistically significant differences in the

semiquantitative analysis (Figure 3), probably due to a cellular response mechanism

that uses this particular PE as an alert signal for phagocytes upon viral infection39.

Another potential explanation is that this PE is a component of the viral envelope during its replication (Figure 4).

Phosphatidylcholines (PC)

PC is the most abundant plasma membrane phospholipid, and its distribution,

as opposed to PE and PS, is on the outer side of the membrane. PC was only elected

as marker for the ZIKV-infected group, which presented greater amount of this

compound when compared to the -uninfected one (Table 1). This is in agreement with

similar findings reported for DENV-infected cell cultures14,15. The 4 PC elected as

markers for ZIKV infection (m/z 530 [PC(19:3(10Z,13Z,16Z)/0:0)], m/z 536

[PC(19:0/0:0)], m/z 556 [PC(6:2(3E,5E)/14:2(11E,13E))] and m/z 558

[PC(6:2(3E,5E)/14:1(13E))]) also presented statistically significant quantitative

differences (Figure 3), evidencing that there is a greater amount of these lipids in the

ZIKV-infected group, compared to the control one. Two out of the PC elected as

markers of ZIKV have already been previously associated to cell response against

infectious agents. The ion at m/z 530, which corresponds to

PC(19:3(10Z,13Z,16Z)/0:0) has already been found on the metabolome of bile acids in

patients with altered microbiota and pyloric sphincter40. Ion m/z 536, corresponding to

PC(19:0/0:0) was reported in a lipidomics study that analyzed inflammatory mediators

as potential biomarkers for bacteremia41; however, in this study made with blood

plasma, this species was implicated as a marker of uninfected, bacteremia-free

patients, as opposed to what was found in our in vitro study. Such difference may be

due to either the pathogen used in the study or the study type (in vivo vs. in vitro); in

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Figure 4: Chemical images from MALDI-MSI showing the comparison between

infected and uninfected cells. It is visually possible to assess the difference in lipid composition of ZIKV-specific characterized biomarkers.

Figura 6: Chemical images from MALDI-MSI showing the comparison between infected

and uninfected cells. It is visually possible to assess the difference in lipid composition

of ZIKV-specific characterized biomarkers.

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either case, both lipids are associated with a cell response to an infectious agent,

whose mechanism is yet to be elucidated40,41.

Furthermore, another study has demonstrated that infections caused by positive

RNA viruses, such as ZIKV, promote an increase or accumulation of PC – which is

utilized in the formation of viral replication complex (VRC), and also for the replication

of the virus in the VRC14 – a potential explanation for why those are the markers

displaying the greatest amounts in ZIKV-infected cells when compared to the -

uninfected ones (1.74-fold for ion 530 m/z, 1.96-fold for ion 536 m/z, 2.15-fold for ion

556 m/z and 1.94-fold for ion 558 m/z).

Other lipid classes

Three other lipids were identified as markers: two for the control group, a

phosphatidic acid at m/z 409, PA(16:0/0:0), and a triacylglycerol at m/z 925,

TG(18:2(9Z,12Z)/20:4(5Z,8Z,11Z,14Z)/20:4(5Z,8Z,11Z,14Z)); and one for the ZIKV

group, a diacylglycerol at m/z 925, DG(16:1(9Z)/16:1(9Z)/0:0). The latter may be

explained due to the increased metabolic activity of ZIKV-infected cells, since DG is

part of PE and PC synthesis, as well as Kennedy Pathways23,42. Once again, the other

two elected markers for the control group did not present significant differences in the

semiquantification when compared to the ZIKV group, indicating that these species

may be common in both cell cultures.

Our findings suggest that PS, PE, SL and PC specific-lipids are putative

biomarkers of ZIKV infection in C6/36 mosquito cells. These results are in line with

previous lipidomics studies of virus-infected cells. Previous contributions, especially

those that studied the same cell line (C36/6 mosquito cells) infected with DENV, have

observed increased profiles of lipids such as phosphaditylcholines (PC),

phosphatidylethanolamines (PE) and phosphatidylserines (PS) compared to the control

cells15, which are exactly the same view in our study. Furthermore, other recent study

also demonstrated higher level of lipid classes of PC, PE, PS and

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phosphatidylglycerols (PG) during infection of brome mosaic virus (BMV) in YPH500

yeast14, indicating that these lipids are intimately involved with viral infection/replication

in different cell types and organisms. Hence, our results provide valuable information

on metabolites that may be used as therapeutic targets for further studies.

Acknowledgements

We are thankful to Professor Edson Durigon for kindly providing the ZIKV viral stocks

used in this work. We acknowledge funding from Fundação de Amparo à Pesquisa do

Estado de São Paulo (FAPESP – São Paulo Research Foundation), under the

following Grant numbers: 2011/50400-0 and 2015/06809-1 for RRC, 2014/00084-2 for

DNO, 2014/00302-0 for CZE, 2013/11343-6 for JASN) JANS is a FAPESP Young

Investigator. We also thank CAPES and CNPq for the fellowships for CFORM, EOL

and TMG.

Methods

Cell culture

The Aedes albopictus C6/36 cell line (ATCC® CRL-1660) was cultured in

special Leibovitz L-15 medium (Vitrocell®), with 1% of essential amino acids, pyruvate,

penicillin, streptomycin, and amphotericin (SigmalAldrich) and 10% of bovine fetal

serum – BFS (Vitrocell®). These cells were conditioned at 28ºC with 5% of CO2 at the

Animal Virology Laboratory of the University of Campinas.

Zika virus isolate

Brazilian ZIVK strain (BeH823339, GenBank KU729217) was kindly provided by

Professor Edison Durigon (Biomedical Sciences Institute, University of São Paulo).

This viral strain was originally isolated by a team of the Evandro Chagas Institute, Pará

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State, Brazil from a Ceará’s State (Brazil) patient in 2015. The virus was stored at -

80ºC in the Animal Virology Laboratory of the University of Campinas until use. Before

procedure, the viral titer in this stock was determined by PFU assay in Vero cells.

Infection of A. albopictus C6/36 cells with zika virus

For ZIKV infection, 1x105 cells of C6/36 cell line was added to each well of a 24-

well plate, and incubated for 24 hours at 28oC with 5% of CO2. Viral Infection was

performed using a multiplicity of infection (MOI) of 10. The plate was then incubated

under 5% of CO2 for five days at room temperature. The same procedure was carried

out for the negative control samples, without ZIKV inoculation.

Viral detection by RT-qPCR

In order to confirm ZIKV infection, the viral stock and the supernatant of ZIKV-

infected C6/36 cells were assayed by real time RT-qPCR43. Briefly, the viral RNA was

isolated by a commercial kit following the manufacturer’s instruction (RNeasy Mini Kit,

Qiagen, Hilden, Germany). One step RT-PCR amplification of viral RNA (Taqman RNA

to-CT, Applied Biosystems) was performed with following primers and probes: ZIKV-F:

5’- CCGCTGCCCAACACAAG-3’; ZIKV-R: 5’- CCACTAACGTTCTTTTGCAGACAT -3’;

ZIKV-P: 5’-/FAM/AGCCTACCTTGACAAGCAGTCAGACACTCAA/-3’. All reactions

were assembled in a final volume of 12.5 μL with 300 ng of RNA, 1✕ PrimeTime mix

(Integrated DNA Technologies) containing both primers and probe, and 6.25 μL of

TaqMan master mix (Applied Biosystems) by using the following cycling algorithm:

48°C for 30 min, 95°C for 10 min, followed by 45 cycles of 95°C for 15 s and 60°C for 1

min.

MALDI-MSI analysis

Six days after infection, cells were placed on glass slides 24x60mm and

covered with MALDI matrix α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (Sigma-Aldrich, St. Louis,

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MO) solution at 10 mg/mL in 1:1 acetonitrile/methanol). Spectra were acquired using a

MALDI LTQ-XL (Thermo Scientific, San Jose, CA) at the mass range of 400 to 1200

m/z, in the negative ion mode. MS/MS data were acquired in the same instrument,

using Helium as the collision gas, with energies for collision-induced dissociation (CID)

ranging from 20-80 (arbitrary units). Spectra were analyzed using XCalibur software (v.

2.4, Thermo Scientific, San Jose, CA).

Structural elucidation

Lipids were identified based on the analysis of the MS/MS fragmentation profile

of the ions selected by statistical analyses. Structures were proposed using theoretical

calculations modeling for molecular fragmentation using Mass Frontier software (v. 6.0,

Thermo Scientific, San Jose, CA).

Semi quantification by MSI

Chemical images of the markers (Figure 4) were generated using the imaging

feature of MALDI and processed to grayscale using the ImageQuest software (Thermo

Scientific, San Jose, CA). All samples, control and ZIKV, and each respective replicate

(n = 15) had their chemical image standardized and analyzed using ImageJ software

(National Institutes of Health, USA – open source). A non-dimensional value was

assigned to each image based on pixel intensity, so that the intensity/quantity ratio is

established44.

Statistical analysis

Partial least squares discriminant analysis (PLS-DA) was used as the method of

choice to assess association between groups; this supervised method uses

multivariate regression techniques to extract, through linear combination of the original

variables, the characteristics that may evidence this association. Statistical significance

of the obtained model was assessed by using two permutation tests: precision preview

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during modeling and separation distance; 2000 permutations were used in both tests.

The selection of lipids that were characteristic for each sample was carried out

considering the impact that each metabolite had in the analysis through VIP (Variable

Importance in Projection) scores, which consists of the weighted average of the

squares of the PLS loadings, and takes into account the amount of explained variance

on each dimension used in the model. As a cutoff threshold, only the chemical markers

with a VIP score greater than 1.5 were analyzed. The heat map of the VIPs was built

using the Pearson’s distance measurement and Ward’s clustering algorithm. All

analyses invoving PLS-DA and VIP scores were carried out using the online software

MetaboAnalyst 3.045.

For comparative purposes of semi-quantitative data, either Student’s t-test or

Mann-Whitney’s U-test was used after applying Kolmogorov-Smirnov normal

distribution test; a p-value was significant if it presented values higher than 0.05. All

those calculations (Figure 3) were carried out using the software GraphPad Prism

(v.3.0, GraphPad Software, San Diego, CA).

Competing financial interests

The authors declare no competing financial interests.

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