High-level expression of functional rat neuronal nitric oxide synthase in Escherichia coli.

The neuronal nitric oxide synthase (nNOS) has been successfully overexpressed in Escherichia coli, with average yields of 125-150 nmol (20-24 mg) of enzyme per liter of cells. The cDNA for nNOS was subcloned into the pCW vector under the control of the tac promotor and was coexpressed with the chaperonins groEL and groES in the protease-deficient BL21 strain of E. coli. The enzyme produced is replete with heme and flavins and, after overnight incubation with tetrahydrobiopterin, contains 0.7 pmol of tetrahydrobiopterin per pmol of nNOS. nNOS is isolated as a predominantly high-spin heme protein and demonstrates spectral properties that are identical to those of nNOS isolated from stably transfected human kidney 293 cells. It binds N omega-nitroarginine dependent on the presence of bound tetrahydrobiopterin and exhibits a Kd of 45 nM. The enzyme is completely functional; the specific activity is 450 nmol/min per mg. This overexpression system will be extremely useful for rapid, inexpensive preparation of large amounts of active nNOS for use in mechanistic and structure/function studies, as well as for drug design and development.

Phototaxis away from blue light by an Escherichia coli mutant accumulating protoporphyrin IX.

The hemH gene of Escherichia coli encodes ferrochelatase (EC 4.99.1.1), the enzyme that catalyzes the last step in the production of heme, namely the synthesis of heme from protoporphyrin IX plus Fe2+. The behavioral responses to light were studied in E. coli carrying a hemH mutation. It was shown that the hemH mutant displayed a tumbling response upon illumination and a running response upon removal of the light. The most effect light to induce a tumbling response in the hemH mutant was blue light (396-450 nm). The chemotaxis machinery was needed for the light-induced tumbling response in the hemH mutant. The bacterial defect is an analog of the human inherited disease erythropoietic protoporphyria.

The structure of Ascaris hemoglobin domain I at 2.2 A resolution: molecular features of oxygen avidity.

The perienteric hemoglobin of the parasitic nematode Ascaris has an exceptionally high affinity for oxygen. It is an octameric protein containing two similar heme-binding domains per subunit, but recombinant constructs expressing a single, monomeric heme-binding domain (domain 1; D1) retain full oxygen avidity. We have solved the crystal structure of D1 at 2.2 A resolution. Analysis of the structure reveals a characteristic globin fold and illuminates molecular features involved in oxygen avidity of Ascaris perienteric hemoglobin. A strong hydrogen bond between tyrosine at position 10 in the B helix (tyrosine-B10) and the distal oxygen of the ligand, combined with a weak hydrogen bond between glutamine-E7 and the proximal oxygen, grips the ligand in the binding pocket. A third hydrogen bond between these two amino acids appears to stabilize the structure. The B helix of D1 is displaced laterally by 2.5 A when compared with sperm whale myoglobin. This shifts the tyrosine-B10 hydroxyl far enough from liganded oxygen to form a strong hydrogen bond without steric hindrance. Changes in the F helix compared with myoglobin contribute to a tilted heme that may also be important for oxygen affinity.

Hypoxia-mediated induction of acidic/basic fibroblast growth factor and platelet-derived growth factor in mononuclear phagocytes stimulates growth of hypoxic endothelial cells.

Wound repair and tumor vascularization depend upon blood vessel growth into hypoxic tissue. Although hypoxia slows endothelial cell (EC) proliferation and suppresses EC basic fibroblast growth factor (bFGF) expression, we report that macrophages (MPs) exposed to PO2 approximately 12-14 torr (1 torr = 133.3 Pa) synthesize and release in a time-dependent manner platelet-derived growth factor (PDGF) and acidic/basic FGFs (a/bFGFs), which stimulate the growth of hypoxic ECs. Chromatography of hypoxic MP-conditioned medium on immobilized heparin with an ascending NaCl gradient resolved three peaks of mitogenic activity: activity of the first peak was neutralized by antibody to PDGF; activity of the second peak was neutralized by antibody to aFGF; and activity of the third peak was neutralized by antibody to bFGF. Metabolically labeled lysates and supernatants from MPs exposed to hypoxia showed increased synthesis and release of immunoprecipitable PDGF and a/bFGF in the absence of changes in cell viability. Possible involvement of a heme-containing oxygen sensor in MP elaboration of growth factors was suggested by the induction of bFGF and PDGF by normoxic MPs exposed to nickel or cobalt, although metabolic inhibitors such as sodium azide were without effect. These results suggest a paracrine model in which hypoxia stimulates MP release of PDGF and a/bFGF, inducing EC proliferation and potentially promoting angiogenesis in hypoxic environments.

Inactivation of ethanol-inducible cytochrome P450 and other microsomal P450 isozymes by trans-4-hydroxy-2-nonenal, a major product of membrane lipid peroxidation.

Of the microsomal P450 cytochromes, the ethanol-inducible isoform, P450 2E1, is believed to be predominant in leading to oxidative damage, including the generation of radical species that contribute to lipid peroxidation, and in the reductive beta-scission of lipid hydroperoxides to give hydrocarbons and aldehydes. In the present study, the sensitivity of a series of P450s to trans-4-hydroxy-2-nonenal (HNE), a known toxic product of membrane lipid peroxidation, was determined. After incubation of a purified cytochrome with HNE, the other components of the reconstituted system (NADPH-cytochrome P450 reductase, phosphatidylcholine, and NADPH) were added, and the rate of oxygenation of 1-phenylethanol to yield acetophenone was assayed. Inactivation occurs in a time-dependent and HNE concentration-dependent manner, with P450s 2E1 and 1A1 being the most sensitive, followed by isoforms 1A2, 3A6, and 2B4. At an HNE concentration of 0.24 microM, which was close to the micromolar concentration of the enzyme, four of the isoforms were significantly inhibited, but not P450 2B4. In other experiments, the reductase was shown to be only relatively weakly inactivated by HNE. P450s 2E1 and 2B4 in microsomal membranes from animals induced with acetone or phenobarbital, respectively, are as readily inhibited as the purified forms. Evidence was obtained that the P450 heme is apparently not altered and the sulfur ligand is not displaced, that substrate protects against HNE, and that the inactivation is reversed upon dialysis. Higher levels of reductase or substrate do not restore the activity of inhibited P450 in the catalytic assay. Our results suggest that the observed inhibition of the various P450s is of sufficient magnitude to cause significant changes in the metabolism of foreign compounds such as drugs and chemical carcinogens by the P450 oxygenase system at HNE concentrations that occur in biological membranes. In view of the known activities of P450 2E1 in generating lipid hydroperoxides and in their beta-scission, its inhibition by this product of membrane peroxidation may provide a negative regulatory function.

Basis of guanylate cyclase activation by carbon monoxide.

Kinetics of CO association with guanylate cyclase [GTP pyrophosphate-lyase (cyclizing), EC 4.6.1.2] and dissociation from carboxy guanylate cyclase have been studied at pH 7.5 by flash photolysis, yielding rate constants at 23 degrees C of 1.2 +/- 0.1 x 10(5) M-1.sec-1 and 28 +/- 2 sec-1, respectively. While the CO combination rate constant is the same as for the T state of hemoglobin, the CO dissociation rate constant is much higher than expected for a six-coordinate carboxyheme protein; yet the absorption spectrum is indicative of a six-coordinate heme. The two observations are reconciled by a reaction mechanism in which CO dissociation proceeds via a five-coordinate intermediate. This intermediate is structurally very similar to the five-coordinate nitrosyl heme derivative of guanylate cyclase and is presumably responsible for the observed 4-fold activation of guanylate cyclase by CO. Thus, we provide a model that explains enzyme activities of the nitrosyl and carboxy forms of the enzyme on the basis of a common mechanism.

Identification and characterization of periplasmic proteins implicated in the adaptation of Helicobacter pylori to the human gastric niche

Helicobacter pylori è un batterio Gram-negativo in grado di colonizzare la mucosa gastrica umana e persistere per l'intero arco della vita dell'ospite. E' associato a patologie gastrointestinali, quali gastrite cronica, ulcere gastriche e duodenali, adenocarcinomi e linfomi gastrici. Si tratta di uno dei patogeni più diffusi, presente in circa metà della popolazione mondiale, e il solo che si è adattato a vivere nell'ambiente ostile dello stomaco umano. Molteplici sono i fattori di virulenza che permettono al batterio la colonizzazione della nicchia gastrica e contribuiscono, anche attraverso l' induzione di una risposta infiammatoria, a profonde modificazioni dell' omeostasi gastrica. Queste ultime si associano, ad esempio, all'iperproduzione di fattori proinfiammatori, ad alterazioni sia della regolazione della secrezione acida gastrica sia del ciclo cellulare e della morte cellulare programmata (apoptosi) delle cellule epiteliali gastriche, a disordini nel metabolismo del ferro e a carenze di elementi essenziali. Studi sulla diversità genetica di H. pylori osservata in ceppi isolati da varie regioni del mondo, dimostrano che tale batterio ha avuto una coevoluzione col genere umano attraverso la storia, ed è verosimile che H. pylori sia stato un costituente del microbiota gastrico per almeno 50.000 anni. Scopo della tesi è stato quello di identificare e caratterizzare proteine importanti per la colonizzazione e l'adattamento di H. pylori alla nicchia gastrica. In particolare gli sforzi si sono concentrati su due proteine periplasmatiche, la prima coinvolta nella difesa antiossidante (l'enzima catalasi-like, HP0485), e la seconda nel trasporto di nutrienti presenti nell'ambiente dello stomaco all'interno della cellula (la componente solubile di un ABC transporter, HP0298). La strategia utilizzata prevede un'analisi bioinformatica preliminare, l'ottenimento del gene per amplificazione, mediante PCR, dal genoma dell'organismo, la costruzione di un vettore per il clonaggio, l'espressione eterologa in E. coli e la successiva purificazione. La proteina così ottenuta viene caratterizzata mediante diverse tecniche, quali spettroscopia UV, dicroismo circolare, gel filtrazione analitica, spettrometria di massa. Il capitolo 1 contiene un'introduzione generale sul batterio, il capitolo 2 e il capitolo 3 descrivono gli studi relativi alle due proteine e sono entrambi suddivisi in un abstract iniziale, un'introduzione, la presentazione dei risultati, la discussione di questi ultimi, i materiali e i metodi utilizzati. La catalasi-like (HP0485) è una proteina periplasmatica con struttura monomerica, appartenente ad una famiglia di enzimi a funzione per la maggior parte sconosciuta, ma evolutivamente correlati alla ben nota catalasi, attore fondamentale nella difesa di H. pylori, grazie alla sua azione specifica di rimozione dell'acqua ossigenata. HP0485, pur conservando il fold catalasico e il legame al cofattore eme, non può compiere la reazione di dismutazione dell'acqua ossigenata; possiede invece un'attività perossidasica ad ampio spettro, essendo in grado di accoppiare la riduzione del perossido di idrogeno all'ossidazione di diversi substrati. Come la catalasi, lavora ad alte concentrazioni di aqua ossigenata e non arriva a saturazione a concentrazioni molto elevate di questo substrato (200 mM); la velocità di reazione catalizzata rimane lineare anche a questi valori, aspetto che la differenzia dalle perossidasi che vengono in genere inattivate da concentrazioni di perossido di idrogeno superiori a 10-50 mM. Queste caratteristiche di versatilità e robustezza suggeriscono che la catalasi-like abbia un ruolo di scavenger dell'acqua ossigenata e probabilmente anche un'altra funzione connessa al suo secondo substrato, ossia l'ossidazione di composti nello spazio periplasmatico cellulare. Oltre alla caratterizzazione dell'attività è descritta anche la presenza di un ponte disolfuro, conservato nelle catalasi-like periplasmatiche, con un ruolo nell'assemblaggio dell'eme per ottenere un enzima attivo e funzionale. La proteina periplasmatica HP0298, componente di un sistema di trasporto ABC, è classificata come trasportatore di dipeptidi e appartiene a una famiglia di proteine in grado di legare diversi substrati, tra cui di- e oligopeptidi, nichel, eme, glutatione. Benchè tutte associate a trasportatori di membrana batterici, queste proteine presentano un dominio di legame al substrato che risulta essere conservato nei domini extracellulari di recettori specifici di mammifero e uomo. Un esempio sono i recettori ionotropici e metabotropici del sistema nervoso. Per caratterizzare questa proteina è stato messo a punto un protocollo di ligand-fishing accoppiato alla spettrometria di massa. La proteina purificata, avente un tag di istidine, è stata incubata con un estratto cellulare di H. pylori per poter interagire con il suo substrato specifico all'interno dell'ambiente naturale in cui avviene il legame. Il complesso proteina-ligando è stato poi purificato per cromatografia di affinità e analizzato mediante HPLC-MS. L'identificazione dei picchi differenziali tra campioni con la proteina e 5 campioni di controllo ha portato alla caratterizzazione di pentapeptidi particolarmente ricchi in aminoacidi idrofobici e con almeno un residuo carico negativamente. Considerando che H. pylori necessita di alcuni aminoacidi essenziali, per la maggior parte idrofobici, e che lo stomaco umano è particolarmente ricco di peptidi prodotti dalla digestione delle proteine introdotte con il cibo, il ruolo fisiologico di HP0298 potrebbe essere l'internalizzazione di peptidi, con caratteristiche specifiche di lunghezza e composizione, che sono naturalmente presenti nella nicchia gastrica.

Caracterização e aplicação analítica de eletrodos modificados com sistemas porfirínicos supramoleculares

Estudos com eletrodos modificados foram conduzidos utilizando dois sistemas porfirínicos supramoleculares diferentes. O primeiro foi baseado na modificação de eletrodo de carbono vítreo com uma porfirina de níquel tetrarrutenada, [NiIITPyP{RuII(bipy)2Cl}4]4+. A modificação do eletrodo foi realizada por meio de sucessivos ciclos voltamétricos em meio alcalino (pH 13), gerando um eletrodo com característica similar a eletrodos modificados com α-Ni(OH)2. A caracterização química do filme formado foi realizada através das técnicas de voltametria cíclica, ressonância paramagnética eletrônica, espectroscopia eletrônica por reflectância e espectroscopia Raman com ensaio espectro-eletroquímico. Os resultados sugerem a formação de um polímero de coordenação, [µ-O2-NiIITPyP{RuII(bipy)2Cl}4]n, composto por subunidades porfirínicas ligadas entre si por pontes µ-peroxo axialmente coordenadas aos átomos de níquel (Ni-O-O-Ni). O crescimento do filme apresentou dependência da alcalinidade do meio pela formação do precursor octaédrico [Ni(OH)2TRPyP]2+ em solução, pela coordenação de OH- nas posições axiais do átomo de níquel. O processo de eletropolimerização indicou a participação de radical hidroxil, gerado por oxidação eletrocatalítica da água nos sítios periféricos da porfirina contendo o complexo de rutênio. O mesmo eletrodo foi aplicado como sensor eletroquímico para análise amperométrica de ácido fólico em comprimidos farmacêuticos. O sensor foi associado a um sistema de Batch Injection Analysis (BIA) alcançando considerável rapidez e baixo limite de detecção. Para as análises das amostras também foi proposto um método para a remoção da lactose, que agia como interferente. O segundo estudo envolveu a modificação de eletrodos de carbono vítreo com diferentes hemoglobinas, naturais (HbA0, HbA2 e HbS) e sintéticas (Hb-PEG5K2, αα-Hb-PEG5K2 e BT-PEG5K4), para a avaliação da eficiência na redução eletrocatalítica de nitrito mediada por FeI-heme. Os filmes foram produzidos pela mistura de soluções das hemoglobinas com brometo de didodecildimetiltrimetilamônio (DDAB), aplicados nas superfícies com consecutiva evaporação, formando filmes estáveis. Os valores de potencial redox para os processos do grupo heme e a sua associação com a disponibilidade do grupo na proteína foram avaliados por voltametria cíclica. Os valores das constantes de velocidade, k, para redução de nitrito foram obtidos por cronoamperometria em -1,1 V (vs Ag/AgCl(KCl 3M)) que foram utilizados para estudo comparativo entre as espécies sintéticas para eventual aplicação clínica.

Control of neuronal signalling pathways by CYP46A1, an enzime involved in brain cholesterol homeostasis

Tese de doutoramento, Farmácia (Biologia Celular e Molecular), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2016

A desregulação da homeostase do ferro: base molecular e patologias associadas

A homeostase do ferro requer um rigoroso processo de regulação, uma vez que este é um elemento essencial para alguns dos mecanismos celulares básicos mas, quando se encontra em excesso, origina profundos danos celulares e falha de órgãos. Dado que o organismo humano não possui um mecanismo ativo de excreção de ferro, é essencial que a sua homeostase seja estabelecida através de uma estreita comunicação entre os locais de absorção, utilização e armazenamento. Esta interligação é conseguida, essencialmente, através da ação de uma hormona circulante, a hepcidina. A hepcidina é sintetizada ao nível dos hepatócitos do fígado, sendo a sua expressão aumentada pelos níveis de ferro e inflamação e suprimida pela eritropoiese e hipoxia. A hepcidina regula negativamente a absorção duodenal do ferro proveniente da alimentação, a libertação pelos macrófagos do ferro resultante da fagocitose dos glóbulos vermelhos senescentes, assim como a libertação do ferro armazenado nos hepatócitos. A hemocromatose hereditátria (HH) do tipo 1 é uma doença de transmissão autossómica recessiva associada a mutações no gene HFE (p.Cys282Tyr e p.His63Asp). É a patologia humana mais comum de sobrecarga primária em ferro, apresenta penetrância incompleta, e é um dos distúrbios genéticos mais frequentes em caucasianos de ascendência Norte-Europeia. Na hemocromatose, apesar de haver um excesso de ferro no organismo, este facto não é refletido no nível de expressão da hormona hepcidina (cujos níveis deveriam aumentar). Pelo contrário, o nível de expressão da hepcidina encontra-se diminuído o que perpetua a constante absorção do ferro a nível duodenal. Os sintomas associados à doença iniciam-se geralmente na meia-idade e começam por consistir em sintomas gerais de fadiga e dores articulares. No entanto, a progressiva acumulação do ferro em vários órgãos (tais como fígado, coração e pâncreas) provoca aí graves danos, tais como cirrose, carcinoma hepatocelular, cardiomiopatias e diabetes. Para além da HH do tipo 1, podem ocorrer outros tipos de hemocromatose por mutações noutros genes relacionados com o metabolismo do ferro (tais como TFR2, HJV, HAMP, SLC40A1, etc). Mutações em genes como HAMP e HJV associam-se a hemocromatoses mais graves, de início ainda na juventude (hemocromatose juvenil). A implementação no nosso laboratório da nova metodologia de Next-Generation Sequencing permitiu-nos realizar a pesquisa de variantes simultaneamente em 6 genes relacionados com o metabolismo do ferro, em 88 doentes com fenótipo de hemocromatose hereditária não-clássica. Foram identificadas 54 variantes diferentes sendo algumas delas novas. Estudos in silico e estudos funcionais in vitro (em linhas celulares) permitiram-nos comprovar a patogenicidade de algumas das variantes novas e compreender os mecanismos moleculares subjacentes ao desenvolvimento da sobrecarga em ferro. Pelo contrário, no lado oposto do espetro das patologias relacionadas com o ferro, encontram-se as anemias por falta de ferro (anemias ferropénicas). A Organização Mundial de Saúde define anemia quando os níveis de hemoglobina no sangue são menores do que 12 g/dL na Mulher e 13 g/dL no Homem. A hemoglobina é a proteína existente nos glóbulos vermelhos do sangue, responsável pelo transporte de oxigénio no organismo, e cuja molécula é um tetrâmero formado por 4 cadeias polipeptídicas (as globinas) e 4 grupos heme que contêm 4 átomos de ferro. A falta de ferro impede que se formem as moléculas de hemoglobina a níveis normais em cerca de 20% da população portuguesa e isso é devido a carências alimentares ou a dificuldades na absorção do ferro proveniente da alimentação. Entre os fatores genéticos moduladores desta última situação parecem estar algumas variantes polimórficas no gene TMPRSS6, codificante da proteína Matriptase-2, um dos agentes envolvidos na regulação da expressão da hepcidina. Por outro lado, mutações neste gene dão origem a anemias ferropénicas graves, refratárias ao tratamento oral com ferro (Iron Refractory Iron Deficiency Anaemia - IRIDA). As Hemoglobinopatias são outro tipo de anemia hereditária. Estas não estão relacionadas com o défice de ferro mas sim com defeitos nas cadeias globínicas, constituintes da hemoglobina (α2β2). As hemoglobinopatias que estão relacionadas com um problema quantitativo, ou seja quando há ausência ou diminuição de síntese de uma cadeia globínica, denominam-se talassémias: beta-talassémia, alfa-talassémia, delta-talassémia, etc, consoante o gene afetado. Por outro lado, quando o problema é de carácter qualitativo, ou seja ocorre a síntese de uma cadeia globínica estruturalmente anómala, esta é denominada uma variante de hemoglobina. Enquadra-se neste último grupo a Anemia das Células Falciformes ou Drepanocitose. As hemoglobinopatias são das patologias genéticas mais frequentes no mundo, sendo que nalguns locais são um grave problema de saúde pública. Em Portugal foram realizados estudos epidemiológicos que permitiram determinar a frequência de portadores na população e foi implementado um programa de prevenção.

Function and Regulation of Cytochrome P450 4V2 and the Implications in Bietti’s Crystalline Dystrophy

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Molecular modelling of human CYP1B1 substrate interactions and investigation of allelic variant effects on metabolism

Molecular modelling of human CYP1B1 based on homology with the mammalian P450, CYP2C5, of known three-dimensional structure is reported. The enzyme model has been used to investigate the likely mode of binding for selected CYP1B1 substrates, particularly with regard to the possible effects of allelic variants of CYP1B1 on metabolism. In general, it appears that the CYP1B1 model is consistent with known substrate selectivity for the enzyme, and the sites of metabolism can be rationalized in terms of specific contacts with key amino acid residues within the CYP1B1 heme locus. Further-more, a mode of binding interaction for the inhibitor, a-naphthoflavone, is presented which accords with currently available information. The current paper shows that a combination of molecular modelling and experimental determinations on the substrate metabolism for CYP1B1 allelic variants can aid in the understanding of structure-function relationships within P450 enzymes. (C) 2003 Elsevier Science Ireland Ltd. All rights reserved.

Cytochrome c(551) from Starkeya novella - Characterization, spectroscopic properties, and phylogeny of a diheme protein of the SoxAX family

Cytochromes from the SoxAX family have a major role in thiosulfate oxidation via the thiosulfate-oxidizing multi-enzyme system (TOMES). Previously characterized SoxAX proteins from Rhodovulum sulficlophilum and Paracoccus pantotrophus contain three heme c groups, two of which are located on the SoxA subunit. In contrast, the SoxAX protein purified from Starkeya novella was found to contain only two heme groups. Mass spectrometry showed that a disulfide bond replaced the second heme group found in the diheme SoxA subunits. Apparent molecular masses of 27,229 +/- 10.3 Da and 20,258.6 +/- 1 Da were determined for SoxA and SoxX with an overall mass of 49.7 kDa, indicating a heterodimeric structure. Optical redox potentiometry found that the two heme cofactors are reduced at similar potentials (versus NHE) that are as follows: + 133 mV (pH 6.0); + 104 mV (pH 7.0); +49 (pH 7.9) and +10 mV (pH 8.7). EPR spectroscopy revealed that both ferric heme groups are in the low spin state, and the spectra were consistent with one heme having a His/Cys axial ligation and the other having a His/Met axial ligation. The His/Cys ligated heme is present in different conformational states and gives rise to three distinct signals. Amino acid sequencing was used to unambiguously assign the protein to the encoding genes, soxAX, which are part of a complete sox gene cluster found in S. novella. Phylogenetic analysis of soxA- and soxX-related gene sequences indicates a parallel development of SoxA and SoxY, with the diheme and monoheme SoxA sequences located on clearly separated branches of a phylogenetic tree.

Acute cadmium chloride administration induces hepatic and renal CYP2A5 mRNA, protein and activity in the mouse: involvement of transcription factor NRF2

Modulation of the cytochrome P450 (CYP) monooxygenase system by cadmium was investigated in male, adult DBA/2J mice treated with a single dose (16 mumol/kg body weight, i.p.) of cadmium chloride (CdCl2). Total CYP content of liver and kidney microsomes decreased maximally (56% and 85%, respectively) 24 and 18 h, respectively, after CdCl2 treatment. Progressive increases of hepatic coumarin 7-hydroxylase (COH) activity; indicative of CYP2A5 activity, relative to the total CYP content were seen at 8 h (2-fold), 12 h (3-fold), 18 h (12-fold), and 24 h (15-fold). Similar changes were seen in the kidney. Liver and kidney CYP2A5 mRNA levels increased maximally 12 and 4 h after treatment and decreased to almost half 6 h later. In contrast, kidney and liver CYP2A5 protein levels increased maximally at 18 and 24 h. The CYP2A5 mRNA levels in the kidney and liver increased after Cd treatment in Nrf2 +/+ but not in Nrf2 -/- mouse. This study demonstrates that hepatic and kidney CYP2A5 is upregulated by cadmium with a somewhat faster response in the kidney than the liver. The strong upregulation of the CYP2A5 both at mRNA and enzyme activity levels, with a simultaneous decrease in the total CYP concentration suggest an unusual mode of regulation of CYP2A5 in response to cadmium exposure, amongst the CYP enzymes. The observed decrease in the mRNA but not in protein levels after maximal induction may suggest involvement of post-trancriptional mechanisms in the regulation. Upregulation of CYP2A5 by cadmium in the Nrf2 +/+ mice but not in the Nrf2 -/- mice indicates a role for this transcription factor in the regulation. (C) 2003 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

A commentary on the impacts of metals and metalloids in the environment upon the metabolism of drugs and chemicals

The salient feature of metals is that unlike organic compounds they do not degrade in the environment and barely move from one environmental matrix to another. Human interventions take these compounds from their stable and non-bioavailable geological matrix into situations of biological accessibility. Studies in the 1970s and the 1980s of metal bioavailability and impacts of metals and metalloids were driven by the process of abatement of lead in the environment. Humans have clear and identifiable sources of exposure from fuels, food and leaded water pipes to lead. Interventions started at that time have dramatically lowered human lead exposure. Attention has now shifted to other metals, in particular, cadmium, which has seen increasing use. It is generally accepted that food crops grown on cadmium containing soils or soils naturally rich in this metal are the major source of exposure to humans other than exposure from smoking of cigarettes. This mini-review gives a summary and commentary on early studies on effects of lead on haem metabolism that provide us the clue to why investigations of the impacts of other toxic heavy metals and metalloids such as cadmium and arsenic on different human cytochrome P450 forms have become of great interest at the current time. (C) 2003 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.