A human pancreatic ribonuclease variant kills cancer cells by apoptosis and reduces the expression of P-glycoprotein in MDR cell lines

En aquesta tesi s'han estudiat les propietats antitumorals d'una variant de la ribonucleasa pancreàtica humana anomenada PE5 que incorpora un senyal de localització nuclear. Aquest estudi mostra que PE5 indueix l'apoptosi de les cèl·lules tractades i que aquesta mort és independent de l'activitat de p53. A més, l'efecte citotòxic no es veu afectat per un fenotip de resistència a múltiples drogues. Les dades també mostren que l'activitat citotòxica de PE5 és selectiva per a cèl·lules tumorals in vitro i que la capacitat citotòxica de les dues ribonucleases és semblant. S'ha estudiat l'efecte d'aquestes dues ribonucleases sobre el cicle cel·lular, l'activació de diferents caspases i l'expressió de proteïnes relacionades amb l'apoptosi i el cicle cel·lular. Els resultats indiquen que PE5 i l'onconasa maten les cèl·lules a través de mecanismes diferents. A més, PE5 però no l'onconasa, redueix l'acumulació de glicoproteïna-P en dues línies cel·lulars resistents a múltiples drogues.

A human ribonuclease induces apoptosis associated with p21WAF1/CIP1 induction and JNK inactivation

Ribonucleases are promising agents for use in anticancer therapy. Among the different ribonucleases described to be cytotoxic, a paradigmatic example is onconase which manifests cytotoxic and cytostatic effects, presents synergism with several kinds of anticancer drugs and is currently in phase II/III of its clinical trial as an anticancer drug against different types of cancer. The mechanism of cytotoxicity of PE5, a variant of human pancreatic ribonuclease carrying a nuclear localization signal, has been investigated and compared to that of onconase. Methods: Cytotoxicity was measured by the MTT method and by the tripan blue exclusion assay. Apoptosis was assessed by flow cytometry, caspase enzymatic detection and confocal microscopy. Cell cycle phase analysis was performed by flow cytometry. The expression of different proteins was analyzed by western blot.n Results: We show that the cytotoxicity of PE5 is produced through apoptosis, that it does not require the proapoptotic activity of p53 and is not prevented by the multiple drug resistance phenotype. We also show that PE5 and onconase induce cell death at the same extent although the latter is also able to arrest the cell growth. We have compared the cytotoxic effects of both ribonucleases in the NCI/ADR-RES cell line by measuring their effects on the cell cycle, on the activation of different caspases and on the expression of different apoptosis- and cell cycle-related proteins. PE5 increases the number of cells in S and G2/M cell cycle phases, which is accompanied by the increased expression of cyclin E and p21WAF1/CIP1 together with the underphosphorylation of p46 forms of JNK. Citotoxicity of onconase in this cell line does not alter the cell cycle phase distribution and it is accompanied by a decreased expression of XIAP. Conclusions: We conclude that PE5 kills the cells through apoptosis associated with the p21WAF1/CIP1 induction and the inactivation of JNK. This mechanism is significantly different from that found for onconase

Characterization of cytotoxic ribonucleases: from the internalization pathway to the importance of dimeric structures

En aquesta tesi s'ha caracteritzat la ruta d'internalització de l'onconasa, una RNasa citotòxica. Els resultats indiquen que l'onconasa entra a les cèl·lules per la via dependent de clatrina i del complex AP-2. Seguidament es dirigeix als endosomes de reciclatge i es a través d'aquesta ruta que la proteïna exerceix la citotoxicitat. Per altra banda, els resultats d'aquest treball demostren que PE5, una variant citotòxica de la ribonucleasa pancreàtica humana (HP-RNasa), interacciona amb la importina  mitjançant diferents residus que tot i que no són seqüencials, es troben propers en l'estructura tridimensional d'aquesta proteïna. PM8 és una HP-RNasa amb estructura cristal·logràfica dimèrica constituïda per intercanvi de dominis N-terminals. En aquesta tesi s'han establert les condicions per estabilitzar aquest dimer en solució i també es proposa un mecanisme per la dimerització.

Detecció de la Ribonucleasa 1 anòmalament glicosilada en sèrums humans: possible ús com a marcador tumoral del càncer de pàncreas

L'adenocarcinoma pancreàtic és una neoplàsia amb mal pronòstic per la que no existeixen marcadors específics. En aquesta tesi s'han estudiat possibles alteracions de les estructures glucídiques de la ribonucleasa pancreàtica humana (RNasa 1) de sèrum amb l'objectiu de determinar el seu ús diagnòstic. S'han descrit les estructures glucídiques de la RNasa 1 sèrica i de línies cel·lulars endotelials, i s'ha observat un increment en la proporció d'estructures biantenàries amb Fc en la RNasa 1 sèrica de pacients amb càncer de pàncreas, fet que podria ser d'utilitat diagnòstica. També, donada la gran similitud entre les estructures glucídiques descrites per la RNasa 1 sèrica i per l'endotelial, l'origen de la RNasa 1 sèrica sembla ser principalment endotelial. La RNasa 1 també s'ha avaluat per electroforesi bidimensional i s'ha establert una correlació entre el contingut d'àcid siàlic i el seu pI, fet que pot ajudar a la interpretació dels mapes bidimensionals d'altres glicoproteïnes.

Producció i caracterització de variants de la ribonucleasa pancreàtica humana dissenyades per a adquirir propietats citotòxiques

Amb la finalitat d'aprofundir en les bases moleculars de la citotoxicitat de les ribonucleases pancreàtiques, es van construir variants derivades de l'HP-RNasa seguint dues estratègies. En la primera, es van generar variants de l'enzim resistents a l'acció de l'inhibidor proteic de les ribonucleases (hRI), substituint residus implicats en la interfície de contacte entre la ribonucleasa i l'hRI. En la segona, es va addicionar el motiu RGD en regions de superfície de la proteïna implicades en la formació del complex amb l'hRI, a fi de promoure la seva interacció amb la membrana plasmàtica de les cèl·lules i a la vegada disminuir l'afinitat de les variants per l'hRI. Es va comprovar que només les variants portadores de substitucions múltiples adquirien la capacitat de resistència a l'hRI. L'estudi del percentatge d'inhibició de la síntesi proteica en cèl·lules incubades amb cadascuna de les variants va mostrar que només dues de les variants construïdes havien adquirit propietats citotòxiques. La citotoxicitat més elevada la va presentar una variant que no era resistent a l'hRI, amb valors que eren només entre 5 i 15 vegades inferiors als de l'onconasa. Aquest resultat demostrà que la sensibilitat a l'hRI no és necessàriament un paràmetre limitant per a la citotoxicitat de les ribonucleases. Cap de les variants que incorporava un motiu RGD presentà citotoxicitat, evidenciant que aquest motiu no és efectiu a fi de dotar les ribonucleases pancreàtiques de propietats citotòxiques. Es van estudiar les bases moleculars de la citotoxicitat de la variant més citotòxica. En primer lloc, l'anàlisi de la internalització per marcatge radioactiu d'aquesta variant en relació amb l'onconasa i amb altres variants de l'HP-RNasa no citotòxiques, va posar en evidència que només l'onconasa era internalitzada eficientment. Es descartava així la possibilitat que l'acció citotòxica de l'enzim estudiat fos conseqüència d'una major eficiència d'endocitosi. També es va comprovar que l'addició del motiu RGD no era capaç de promoure la internalització de les proteïnes amb més eficàcia. Per microscòpia confocal de fluorescència, les variants humanes només es van començar a detectar a l'interior de la cèl·lula a partir de les 24 h d'incubació. Totes les variants generades van presentar una eficiència catalítica superior al 50 % de l'activitat de la seva proteïna parental, PM5, indicant que probablement l'estructura del centre actiu no havia estat afectada de manera dràstica per les substitucions introduïdes. No obstant, en tots els casos es va produir una disminució en la termoestabilitat respecte a PM5. Aquest resultat indicà que la correlació descrita a la bibliografia entre l'increment de termoestabilitat i l'increment de citotoxicitat per les ribonucleases no sempre es compleix. Per microscòpia confocal es va comprovar que tant la proteïna més citotòxica, com una variant no citotòxica resistent a l'hRI, així com la proteïna parental, seguien la via de degradació lisosomal. Aquesta ruta de trànsit no va ser afectada per l'addició de drogues que alteren les vies de trànsit retrògrad (monensina i brefeldina A), però sí per l'addició de la bafilomicina A1, una droga que neutralitza el pH endosomal i que va actuar alentint el trànsit de les proteïnes als lisosomes. D'acord amb aquests resultats, els valors de citotoxicitat de les variants es van incrementar de manera significativa només en presència de bafilomicina A1, suggerint que les ribonucleases transloquen al citoplasma a partir d'algun punt de la via de trànsit endosomal. Es va comprovar que l'acció de la variant més citotòxica era deguda a que l'addició d'un segon motiu de tres Arg en PE5 dota a aquesta proteïna amb un senyal de transport nuclear. La fracció d'enzim que aconsegueix translocar al citoplasma a partir d'algun punt de la via endosomal previ als lisosomes, és conduït ràpidament al nucli de la cèl·lula per mitjà del mecanisme clàssic de transport actiu. Per la seva afinitat amb l'rRNA, l'enzim es concentra en el nuclèol, on probablement duu a terme la seva activitat catalítica. La interacció d'aquesta variant amb els receptors nucleocitoplasmàtics, les importines, impediria per altra banda el bloqueig de l'enzim per part de l'hRI. Els resultats obtinguts presenten una nova estratègia de disseny de ribonucleases citotòxiques, basada en l'addició de segments NLS a fi de promoure el transport nuclear dels enzims. Aquesta estratègia podria permetre superar limitacions que fins al moment han estat descrites com a limitants de la citotoxicitat de les ribonucleases pancreàtiques, com la sensibilitat a l'hRI o la baixa eficiència d'internalització.

mRNA metabolism: nonsense mediated mRNA decay as a tool for gene therapy and the role of human DIS3L2 in transcript degradation

Tese de mestrado em Biologia Humana e Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2015

Alkaline ribonuclease activity in maternal serum and in serum of newborns from birth up to thirty days of age. A study made with full-term appropriate-, full-term small- and preterm appropriate-for-gestational-age infants

We have studied the alkaline ribonuclease (RNase) activity in maternal serum and serum of full-term small- (T-SGA), full-term appropriate- (T-AGA) and preterm appropriate-for-gestational age (PT-AGA) newborns. A significantly lower level of RNase was observed in T-AGA and T-SGA newborns on the 30th day of age and in PT-AGA newborns on the 15th and 30th days of age, as compared to other T-AGA, T-SGA and PT-AGA groups of infants at birth. RNase activity was significantly higher in cord blood than in the maternal blood in all categories studied. Moreover, in preterm newborns, RNase activity in cord blood was significantly higher in those presenting a lower gestational age. We did not observe any significant difference in RNase levels in the cord blood of newborns from the 3 categories studied. The same results were observed concerning maternal blood. We, therefore, conclude that RNase activity in cord blood or in maternal blood is not a very statisfactory indicator of fetal malnutrition.

Two highly homologous ribonuclease genes expressed in mouse eosinophils identify a larger subgroup of the mammalian ribonuclease superfamily.

Two putative ribonucleases have been isolated from the secondary granules of mouse eosinophils. Degenerate oligonucleotide primers inferred from peptide sequence data were used in reverse transcriptase-PCR reactions of bone marrow-derived cDNA. The resulting PCR product was used to screen a C57BL/6J bone marrow cDNA library, and comparisons of representative clones showed that these genes and encoded proteins are highly homologous (96% identity at the nucleotide level; 92/94% identical/similar at the amino acid level). The mouse proteins are only weakly homologous (approximately 50% amino acid identity) with the human eosinophil-associated ribonucleases (i.e., eosinophil-derived neurotoxin and eosinophil cationic protein) and show no sequence bias toward either human protein. Phylogenetic analyses established that the human and mouse loci shared an ancestral gene, but that independent duplication events have occurred since the divergence of primates and rodents. The duplication event generating the mouse genes was estimated to have occurred < 5 x 10(6) years ago (versus 30 to 40 x 10(6) years ago in primates). The identification of independent duplication events in two extant mammalian orders suggests a selective advantage to having multiple eosinophil granule ribonucleases. Southern blot analyses in the mouse demonstrated the existence of three additional highly homologous genes (i.e., five genes total) as well as several more divergent family members. The potential significance of this observation is the implication of a larger gene subfamily in primates (i.e., humans).

Dilution versus dialysis - A quantitative study of the oxidative refolding of recombinant human alpha-fetoprotein

Alpha-fetoprotein (AFP) is a commercially important polypeptide with important diagnostic. physiological and immunomodulatory functions. Previous studies into the refolding of this macromolecule are contradictory. and variously suggest that AFP denaturation may be irreversible or that refolding may be achieved by reducing denaturant concentration through dilution but not dialysis. Importantly, these same previous studies do not provide quantitative metrics by which the Success of refolding, and the potential for bioprocess development. can be assessed. Moreover, these same studies do not optimize and control refolding redox potential - an important factor considering that AFP contains 32 cysteines which form 16 disulfide bonds. In this current study, a quantitative comparison of recombinant human AFP (rhAFP) refolding by dilution and dialysis is conducted under optimized redox conditions. rhAFP refolding yields were > 35% (dialysis refolding) and > 75% (dilution refolding) as assessed by RP-HPLC and ELISA, with structural Similarity to the native state confirmed by UV spectroscopy. Dialysis refolding yield was believed to be lower because the gradual reduction in denaturant concentration allowed extended conformational searching. enabling more time for undesirable interaction with other protein molecules and/or the dialysis membrane, leading to a Sub-optimal process outcome. Significant yield sensitivity to redox environment was also observed, emphasizing the importance of physicochemical optimization. This study demonstrates that very high refolding yields can be obtained, for a physiologically relevant protein, with optimized dilution refolding. The study also highlights the quantitative metrics and macromolecular physical spectroscopic 'fingerprints' required to facilitate transition from laboratory to process scale.

The Expanded Human Kallikrein (KLK) gene family : genomic organisation, tissue specific expression and potential functions

The tissue kallikreins are serine proteases encoded by highly conserved multigene families. The rodent kallikrein (KLK) families are particularly large, consisting of 13 26 genes clustered in one chromosomal locus. It has been recently recognised that the human KLK gene family is of a similar size (15 genes) with the identification of another 12 related genes (KLK4-KLK15) within and adjacent to the original human KLK locus (KLK1-3) on chromosome 19q13.4. The structural organisation and size of these new genes is similar to that of other KLK genes except for additional exons encoding 5 or 3 untranslated regions. Moreover, many of these genes have multiple mRNA transcripts, a trait not observed with rodent genes. Unlike all other kallikreins, the KLK4-KLK15 encoded proteases are less related (25–44%) and do not contain a conventional kallikrein loop. Clusters of genes exhibit high prostatic (KLK2-4, KLK15) or pancreatic (KLK6-13) expression, suggesting evolutionary conservation of elements conferring tissue specificity. These genes are also expressed, to varying degrees, in a wider range of tissues suggesting a functional involvement of these newer human kallikrein proteases in a diverse range of physiological processes.