The role of complex chromosome translocations in leukemia

Resumo A tumorigénese é um processo de transformação celular que se desenrola tipicamente em várias etapas. Os diferentes níveis de evolução tumoral resultam da acumulação sucessiva de mutações genéticas numa célula normal que lhe conferem uma vantagem selectiva no respectivo meio tecidular. As mutações podem manifestar-se sob a forma de alterações nucleotídicas pontuais ao nível da sequência de DNA, levando a uma desregulação da função proteíca ou à formação de proteínas não-funcionais, ou através de alterações cromossómicas numéricas ou estruturais. Na leucemia, por exemplo, os genes híbridos que resultam de translocações cromossómicas desempenham um importante papel no processo tumorigénico. Estes genes são transcritos sob a forma de um RNA mensageiro de fusão, o qual é traduzido numa proteína híbrida com função oncogénica. Frequentemente, os subtipos de doença leucémica estão associados com translocações cromossómicas que envolvem 2 pontos de quebra recorrentes e específicos. É disto exemplo a leucemia mielóide crónica, em que uma translocação recíproca entre os cromossomas 9 e 22 conduz à formação de um gene de fusão BCR-ABL1. Em diferentes subtipos de doença, existe também uma pequena proporção de casos que apresenta translocações cromossómicas complexas, que envolvem um ou mais pontos de quebra adicionais em outras localizações genómicas além das que estão implicadas na formação dos genes de fusão. Por vezes, os pontos de quebra estão também associados a delecções extensas de material genético que se pensa terem uma função importante na tumorigénese. No entanto, o papel destas regiões genómicas no desenvolvimento tumoral não tem sido um motivo recorrente de estudo. Neste contexto, o objectivo desta dissertação foi o de determinar o potencial papel tumorigénico de alterações génicas adicionais ocorridas nos pontos de quebra de translocações cromossómicas complexas. Para a prossecução do objectivo proposto, foram estudados 5 rearranjos cromossómicos distintos associados com diferentes tipos de doença hematológica maligna, nomeadamente a leucemia linfoblástica aguda de células B (2 casos), leucemia mielóide aguda, neoplasma mieloproliferativo e síndrome mielodisplásico/neoplasma ieloproliferativo, não classificável. O mapeamento dos pontos de quebra foi efectuado utilizando a hibridação fluorescente in situ e diferentes metodologias de biologia molecular, tendo como base a informação inicial da análise citogenética. Em casos seleccionados, o papel dos novos genes candidatos foi avaliado in vitro utilizando modelos de linhas celulares, nomeadamente no que respeita às funções de controlo da proliferação celular e de regulação transcricional. De entre os 5 casos estudados, quatro deles evidenciaram translocações complexas envolvendo 3 cromossomas, nomeadamente t(12;21;5)(p13;q22;q13), t(12;6;15)(p13;p24~25;q22), t(9;11;19)(p22;q23;p13) e t(X;20;16)(p11;q13;q23). No caso remanescente, foi observada uma translocação dicêntrica dic(9;12)(p11;p11) acompanhada de delecções extensas em ambos os pontos de quebra. Nos casos com t(12;21;5) e t(9;11;19) as translocações estavam associadas com a presença de genes de fusão recorrentes, nomeadamente TV6(12p13)-RUNX1(21q22) e TLL(11q23)-MLLT3(9p22), indicando que se tratavam de rearranjos complexos das translocações t(12;21) e t(9;11) associadas com a leucemia linfoblástica aguda de células B e a leucemia mielóide aguda, respectivamente. O papel dos pontos de quebra adicionais foi estudado em detalhe no caso com t(9;11;19). Através da metodologia de long distance inverse-polymerase chain reaction, foram identificados os pontos de quebra na sequência de DNA dos 3 cromossomas envolvidos na translocação. Além dos pontos de quebra nos genes MLL e MLLT3, foi observado que o local de quebra no cromossoma 19 interrompeu a sequência de um novo gene, designado CCDC94,conduzindo à sua haplo-insuficiência nas células com t(9;11;19). Através de ensaios de reverse transcription-polymerase chain reaction verificámos que o gene CCDC94 é expresso ubiquitariamente em tecidos humanos normais. A análise informática da sequência prevista da proteína CCDC94 indicou uma elevada identidade de aminoácidos com a proteína cwf16, envolvida na regulação do ciclo celular da levedura Schizosaccharomyces pombe. Através da clonagem do DNA complementar de CCDC94 em vectores de expressão, e após a transfecção destes em culturas de linhas celulares in vitro, observámos que este gene codifica uma proteína de localização exclusivamente nuclear. A expressão ectópica da proteína CCDC94 diminuiu a progressão do ciclo celular e a proliferação das células em cultura. Inversamente, a supressão do transcrito do gene CCDC94 através de interferência de RNA conduziu a um aumento significativo da proliferação celular, confirmando que CCDC94 regula negativamente a proliferação e a progressão do ciclo celular. Estes resultados mostram que os pontos de quebra adicionais, presentes em translocações cromossómicas complexas em leucemia, podem resultar na haplo-insuficiência de genes controladores dos mecanismos proliferativos, cooperando desta forma com a acção das proteínas de fusão para proporcionar ao clone leucémico uma proliferação celular descontrolada. Nos restantes 3 casos estudados não foram identificados genes de fusão. Ao invés, todos aqueles apresentaram delecções de extensão variável associadas com os pontos de quebra cromossómicos. No caso com t(12;6;15), identificámos uma delecção de 1.2 megabases de DNA na banda 12p13 que resultou na eliminação de 9 genes incluindo ETV6 e CDKN1B. O gene ETV6 codifica um factor de transcrição que é essencial para a formação das diferentes linhagens hematopoiéticas na medula óssea, enquanto CDKN1B é traduzido numa proteína responsável por bloquear a entrada das células na fase G1 do ciclo celular e,consequentemente, por travar a proliferação celular. Neste contexto, os resultados obtidos indicam que a perda simultânea de ETV6 e de CDKN1B, através de uma translocação cromossómica complexa, constituiu uma acção cooperativa na leucemogénese. A mesma noção pode aplicar-se ao caso com dic(9;12), no qual pelo menos 2 genes que codificam para factores de transcrição importantes na linhagem hematopoiética, PAX5 no cromossoma 9 e ETV6 no cromossoma 12, estavam deleccionados como resultado do rearranjo cromossómico. Dado que o factor de transcrição PAX5 regula negativamente a expressão do gene FLT3, que desempenha uma função pró-proliferativa, é expectável que a haplo-insuficiência de PAX5 no caso com dic(9;12) terá tido como consequência uma elevação dos níveis de expressão de FLT3, contribuindo deste modo para uma proliferação celular aumentada. A t(X;20;16) foi identificada num doente com trombocitémia essencial (TE), uma doença que está intimamente relacionada com alterações de vias intracelulares reguladas por citocinas. Neste caso, através da utilização de um array genómico, identificámos a presença de pequenas delecções associadas com os pontos de quebra nos cromossomas 16 e 20. No cromossoma 16 apenas um gene, MAF, estava deleccionado, enquanto no cromossoma 20 a delecção tinha abrangido 3 genes. Dos genes deleccionados, dois deles, NFATC2 (20q13) e MAF (16q23), codificam proteínas que operam como reguladores transcricionais de citocinas hematopoiéticas. Dado que NFATC2 se localiza numa região que constitui um alvo frequente de delecções em neoplasmas ieloproliferativos, incluindo a trombocitémia essencial,efectuámos um estudo detalhado do papel deste gene na proliferação megacariocítica e na regulação da expressão de uma citocina hematopoiética (GM-CSF), implicada na maturação das diferentes linhagens mielóides. Utilizando um modelo de linha celular de trombocitémia essencial, verificámos que a supressão do transcrito do gene NFATC2 in vitro, por interferência de RNA, estava associada com um aumento da proliferação celular. Em concordância, o bloqueio da activação da proteína NFATC2 através de um inibidor específico da sua interacção com a calcineurina, conduziu a um aumento da proliferação celular in vitro. Utilizando a PCR quantitativa em tempo real, detectou-se um aumento da produção do RNA de GM-CSF em ambos os ensaios celulares, indicando que o factor de transcrição NFATC2 pode regular negativamente a expressão de GM-CSF em células de trombocitémia essencial. No geral, estes resultados mostram que a redução dos níveis fisiológicos do transcrito NFATC2, ou a redução da respectiva actividade proteica, estão relacionados com a proliferação de megacariocitos através do aumento da produção de GM-CSF. De acordo com estes resultados, verificámos que as células dos doentes com TE apresentam níveis mais baixos do transcrito NFATC2 do que a população normal. Dado que o factor de transcrição MAF desempenha igualmente um papel como regular transcricional de citocinas, é plausível que a haplo-insuficiência dos genes NFATC2 e MAF, resultante do rearranjo cromossómico complexo t(X;20;16), teve um efeito cooperativo importante na patogénese da trombocitémia essencial através da alteração do padrão normal de expressão das citocinas hematopoiéticas. Em síntese, efectuámos nesta dissertação um estudo citogenético de 4 translocações cromossómicas complexas incluindo t(12;21;5), t(12;6;15), t(9;11;19) e t(X;20;16), e de uma translocação dicêntrica dic(9;12), associadas com diferentes neoplasmas hematológicos. Em casos seleccionados efectuámos também um estudo molecular detalhado das regiões dos pontos de quebra. Esta análise permitiu-nos identificar 2 genes, CCDC94 no cromossoma 19 e NFATC2 no cromossoma 20, cuja haplo-insuficiência pode promover o aumento da proliferação celular das células leucémicas. A partir destes estudos podem ser retiradas 2 noções principais: (i) Os pontos de quebra adicionais, que ocorrem em translocações complexas associadas com a formação de genes de fusão, podem ter como consequência a desregulação de genes controladores da proliferação celular (e.g., CCDC94); (ii) As translocações complexas caracterizadas pela ausência de genes de fusão recorrentes poderão estar preferencialmente associadas com a presença de delecções, envolvendo um ou mais genes, nos pontos de quebra; nestas situações, serão necessários pelo menos 2 genes com funções celulares semelhantes (e.g., NFATC2 e MAF) ou complementares (e.g., ETV6 e CDKN1B) para, quando deleccionados, promoverem de forma cooperativa a leucemogénese. Nestes termos, o modelo de alterações genéticas sequenciais que caracteriza o desenvolvimento do cancro pode ser substituído por um modelo em que vários genes-alvo são simultaneamente desregulados pela formação de uma translocação cromossómica complexa, evitando deste modo a necessidade de ocorrência de alterações genéticas subsequentes.----------------------ABSTRACT: Tumourigenesis is a multistep process which results from the accumulation of successive genetic mutations in a normal cell. In leukemia for instance, recurrent translocations play a part in this process by generating fusion genes which lead to the production of hybrid proteins with an oncogenic role. However, a minor subset of chromosomal translocations referred to as complex or variant involves extra breakpoints at variable genome locations in addition to those implicated in the formation of fusion genes. We aimed to describe in this work the role, if any, of genes located at extra breakpoint locations or which are affected by breakpoint-adjacent deletions through the study of 5 leukemia patients.Two of the patients presented with TV6(12p13)-RUNX1(21q22) and MLL(11q23)- MLLT3(9p22) fusion genes as a result of a t(12;21;5) and a t(9;11;19), respectively. Detailed molecular characterization of the extra breakpoint at chromosome 19 in the latter case revealed that a novel ubiquitously expressed gene, CCDC94, with a potential role in cell cycle regulation, was disrupted by the breakpoint. We demonstrated using in vitro cellular assays that this gene codifies for a nuclear protein which negatively regulates cell cycle progression. These data shows that extra breakpoint locations of complex translocations may result in haplo-insufficiency of critical proliferation genes, thereby cooperating with the generation of hybrid proteins to provide unrestrained cell proliferation. In the other 3 patients there were reakpoint-associated deletions which precluded the formation of putative fusion genes. In a case with a t(12;6;15) we characterized a deletion at 12p13 which eliminated ETV6 and 8 other genes including CDKN1B. These findings indicate that concomitant loss of ETV6 and CDKN1B, which encodes a cyclin-dependent kinase inhibitor responsible for blocking entry of cells into the G1 phase of the cell cycle, acted cooperatively to promote leukemogenic proliferation. The same notion applied to a case with a dic(9;12) in which 2 genes encoding hematopoietic transcription factors - ETV6 and PAX5 (9p13)- were deleted as a result of breakpoint-adjacent deletions. Similarly, we found that 2 transcription factor genes involved in the regulation of cytokine expression, NFATC2 (20q13) and MAF (16q23), were involved in deletions contiguous to the breakpoints in a patient with a t(X;20;16). In vitro suppression of NFATC2 mRNA or inhibiton of NFATC2 protein activity enhanced cell proliferation as a result of an increase in the production of a myeloid-lineage stimulating hematopoietic cytokine, GM-CSF. These results suggest that haplo-insufficiency of NFATC2 and MAF genes had a cooperative effect in inducing cell proliferation as a result of a disregulation of cytokine production. Two main conclusions may be drawn from our studies: (i) In complex translocations associated with the production of fusion genes, additional breakpoints may cooperate in tumourigenesis by targeting genes that control cell proliferation; (ii) In complex translocations associated with small breakpoint-adjacent deletions, at least 2 genes with similar or complementary functions need to be deregulated to promote tumourigenesis.

The electron transfer complex between nitrous oxide reductase and its electron donors

J Biol Inorg Chem (2011) 16:1241–1254 DOI 10.1007/s00775-011-0812-9

Assessment of a novel Cu (II) complex as a potential anticancer agent

Widely used in cancer treatment, chemotherapy still faces hindering challenges, ranging from severe induced toxicity to drug resistance acquisition. As means to overcome these setbacks, newly synthetized compounds have recently come into play with the basis of improved pharmacokinetic/pharmacodynamic properties. With this mind-set, this project aimed towards the antiproliferative potential characterization of a group of metallic compounds. Additionally the incorporation of the compounds within a nanoformulation and within new combination strategies with commercial chemotherapeutic drugs was also envisaged. Cell viability assays presented copper (II) compound (K4) as the most promising, presenting an IC50 of 6.10 μM and 19.09 μM for HCT116 and A549 cell line respectively. Exposure in fibroblasts revealed a 9.18 μM IC50. Hoechst staining assays further revealed the compound’s predisposition to induce chromatin condensation and nuclear fragmentation in HCT116 upon exposure to K4 which was later demonstrated by flow cytometry and annexin V-FITC/propidium iodide double staining analysis (under 50 % cell death induction). The compound further revealed the ability to interact with major macromolecules such as DNA (Kb = 2.17x105 M-1), inducing structural brakes and retardation, and further affecting cell cycle progression revealing delay in S-phase. Moreover BSA interactions were also visible however not conclusive. Proteome profiling revealed overexpression of proteins involved in metabolic activity and underexpression of proteins involved in apoptosis thus corroborating Hoechst and apoptosis flow cytometry data. K4 nanoformulation suffered from several hindrances and was ill succeeded in part due to K4’s poor solubility in aqueous buffers. Other approaches were considered in this regard. Combined chemotherapy assays revealed high cytotoxicity for afatinib and lapatinib strategies. Lapatinib and K4 proteome profiling further revealed high apoptosis rates, high metabolic activity and activation of redundant proteins as part of compensatory mechanisms.

Experimental design methodologies for the identification of Michaelis-Menten type kinetics

The main objective of this work was to investigate the application of experimental design techniques for the identification of Michaelis-Menten kinetic parameters. More specifically, this study attempts to elucidate the relative advantages/disadvantages of employing complex experimental design techniques in relation to equidistant sampling when applied to different reactor operation modes. All studies were supported by simulation data of a generic enzymatic process that obeys to the Michaelis-Menten kinetic equation. Different aspects were investigated, such as the influence of the reactor operation mode (batch, fed-batch with pulse wise feeding and fed-batch with continuous feeding) and the experimental design optimality criteria on the effectiveness of kinetic parameters identification. The following experimental design optimality criteria were investigated: 1) minimization of the sum of the diagonal of the Fisher information matrix (FIM) inverse (A-criterion), 2) maximization of the determinant of the FIM (D-criterion), 3) maximization of the smallest eigenvalue of the FIM (E-criterion) and 4) minimization of the quotient between the largest and the smallest eigenvalue (modified E-criterion). The comparison and assessment of the different methodologies was made on the basis of the Cramér-Rao lower bounds (CRLB) error in respect to the parameters vmax and Km of the Michaelis-Menten kinetic equation. In what concerns the reactor operation mode, it was concluded that fed-batch (pulses) is better than batch operation for parameter identification. When the former operation mode is adopted, the vmax CRLB error is lowered by 18.6 % while the Km CRLB error is lowered by 26.4 % when compared to the batch operation mode. Regarding the optimality criteria, the best method was the A-criterion, with an average vmax CRLB of 6.34 % and 5.27 %, for batch and fed-batch (pulses), respectively, while presenting a Km’s CRLB of 25.1 % and 18.1 %, for batch and fed-batch (pulses), respectively. As a general conclusion of the present study, it can be stated that experimental design is justified if the starting parameters CRLB errors are inferior to 19.5 % (vmax) and 45% (Km), for batch processes, and inferior to 42 % and to 50% for fed-batch (pulses) process. Otherwise equidistant sampling is a more rational decision. This conclusion clearly supports that, for fed-batch operation, the use of experimental design is likely to largely improve the identification of Michaelis-Menten kinetic parameters.

Notas sobre depósitos de Taveiro estratigrafia, paleontologia, idade, paleoecologia

This paper reports some research work that has been done to support Geological Survey's field work for the 1:50.000 Carta Geológica de Portugal, (sheets 19-C Figueira da Foz and 19-D Coimbra-Lousã). Its main purpose was to establish the age of some continental formations. At Cerâmica do Mondego, Ld.ª near Taveiro, two series were observed. The lower one is mainly pelitic, montmorillonite being predominant. It also includes some sandy beds and channel deposits with high energy sediments (conglomerate with limestone pebbles). The upper series lies unconformably upon the former, and there is a neat discontinuity surface between the two. It mainly consists of sands, kaolinite being the most abundant of the clay minerals. This seems to indicate an intensive weathering, an acid, well drained environment and transportation by quite high energy running waters. No fossils were recorded. Preliminary paleontological results are presented, along with some data concerning other localities (Aveiro, etc.). Fossils found in the lower series are: gastropoda (Bulimus gaudryi, TV. 15 bed), several vertebrates (TV. 18), fishes (TV. 19?) and plants (TV. 19-TV. 24). Vertebrata belong to the same fauna as that from Vizo, Aveiro, etc. The presence of mammals is most important as only a single tooth was previously Know in Europe (Southern France) in Late Cretaceous formations. Elsewhere there are some mammalian remains in Peru besides the rich assemblages found in the USA and Mongolia. Plants are representative of the «Debeya flora» well known at several localities in Beira Litoral province, in «Buçaco sandstones», and in Lisbon's «Basaltic Complex». The most important stratigraphical conclusion is that the lower series is Upper Campanian and/or Maastrichtian in age, and not Tertiary as sometimes it has been considered. As at Aveiro, «Bebeya flora» occurs in-beds somewhat higher than those with the Aveiro-Vizo-Taveiro vertebrate fauna. Correlation with other «Debeya flora» localities are now more clear. Data concerning Taveiro lower series, in the whole, point out to a rather warm (and moist?) environment in an occasionally (seasonally?) flooded region.

Notas sobre depósitos de Taveiro estratigrafia, paleontologia, idade, paleoecologia

This paper reports some research work that has been done to support Geological Survey's field work for the 1:50.000 Carta Geológica de Portugal, (sheets 19-C Figueira da Foz and 19-D Coimbra-Lousã). Its main purpose was to establish the age of some continental formations. At Cerâmica do Mondego, Lda. near Taveiro, two series were observed. The lower one is mainly pelitic, montmorillonite being predominant. It also includes some sandy beds and channel deposits with high energy sediments (conglomerate with limestone pebbles). The upper series lies unconformably upon the former, and there is a neat discontinuity surface between the two. It mainly consists of sands, kaolinite being the most abundant of the clay minerals. This seems to indicate an intensive weathering, an acid, well drained environment and transportation by quite high energy running waters. No fossils were recorded. Preliminary paleontological results are presented, along with some data concerning other localities (Aveiro, etc). Fossils found in the lower series are: gastropoda (Bulimus gaudryi, TV. 15 bed), several vertebrates (TV. 18), fishes (TV. 19?) and plants (TV. 19-TV. 24). Vertebrata belong to the same fauna as that from Vizo, Aveiro, etc. The presence of mammals is most important as only a single tooth was previously know in Europe (Southern France) in Late Cretaceous formations. Elsewhere there are some mammalian remains in Peru besides the rich assemblages found in the USA and Mongolia. Plants are representative of the «Debeya flora» well known at several localities in Beira Litoral province, in «Buçaco sandstones», and in Lisbon's «Basaltic Complex». The most important stratigraphical conclusion is that the lower series is Upper Campanian and/or Maastrichtian in age, and not Tertiary as sometimes it has been considered. As at Aveiro, «Bebeya flora» occurs in-beds somewhat higher than those with the Aveiro-Vizo-Taveiro vertebrate fauna. Correlation with other «Debeya flora» localities are now more clear. Data concerning Taveiro lower series, in the whole, point out to a rather warm (and moist?) environment in an occasionally (seasonally?) flooded region.

Chromian spinels in the basalts from the Lisbon volcanic complex (portugal) and their petrogenetic implications

Chromian spinels are common in the late Cretaceous alkali basalts of the Lisbon volcanic Complex in Portugal. They occur as unzoned inclusions in magnesian olivines of all basalt types and as large spectacularly zoned grains in the groundmass of porphyritic basalts. Microprobe analysis indicate complex cationic exchange in the groundmass zoned spinels due to simple peritectic reactions and in response to changing composition of the basalt liquid. The variation of cationic distribution in zoned chromian-Spinels, reflects very accurately the changing chemistry of the cooling silicate melt and the paragenetical relations of mineral oxides and silicates. Crystallization of initial chromian spinels occurred at T~1200°C and fO2~10-8.5 atm. earlier or contemporaneously with magnesian olivine. The titanomagnetite mantles of zoned chromian spinels crystallized at T~1200°C and much lower fO2.

The isolation and characterization of cytochrome c nitrite reductase subunits (NrfA and NrfH) from Desulfovibrio desulfuricans ATCC 27774

Eur. J. Biochem. 270, 3904–3915 (2003)

Synechocystis ferredoxin/ferredoxin-NADP+-reductase/NADP+ complex: Structural model obtained by NMR-restrained docking

FEBS Letters 579 (2005) 4585–4590

A further investigation of the cytochrome b5–cytochrome c complex

J Biol Inorg Chem (2003) 8: 777–786

International Conference on “Foresight Studies on Work in the Knowledge Society“ in Monte de Caparica (FCT-UNL) on 19-20 October 2006

On 19 and 20 October 2006, the Research Centre on Enterprise and Work Organisation (IET) organised the first international conference on “Foresight Studies on Work in the Knowledge Society”. It took place at the auditorium of the new Library of FCT-UNL and had the support of the research project “CodeWork@VO” (financed by FCT-MCTES and co-ordinated by INESC, Porto). The conference related to the European research project “Work Organisation and Restructuring in the Knowledge Society” (WORKS), which is financed by the European Commission. The main objective of the conference was to analyse and discuss research findings on the trends of work structures in the knowledge society, and to debate on new work organisation models and new forms of work supported by ICT.

Optimization of multi-stage amplifiers in deep-submicron CMOS using a distributed/parallel genetic algorithm

IEEE International Symposium on Circuits and Systems, pp. 724 – 727, Seattle, EUA

Functional domains of Bacillus subtilis transcription factor AraR and identification of aminoacids important for nucleoprotein complex assembly and effector-binding.

Journal of Bacteriology (Apr 2006) 3024-3036

The Sinemurian ammonites of the Lusitanian Basin (Portugal): an example of complex endemic evolutioin

Palaeodiversity 3: 59–87; Stuttgart 30 December 2010