Behavioral and synaptic circuit analysis in models of neuropsychiatric disorders: Dissecting the in vivo role of the postsynaptic density proteins nArgBP2 and Shank3 using genetic engineered mice

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology

Identification of atmospheric pollutants control mechanisms during co-combustion of coal and non-toxic wastes

Doctoral dissertation for Ph.D. degree in Sustainable Chemistry

Cellular reprogramming strategies for degenerative disorders involving the retinal pigment epithelium

RESUMO: A reprogramação celular permite que uma célula somática seja reprogramada para outra célula diferente através da expressão forçada de factores de transcrição (FTs) específicos de determinada linhagem celular, e constitui uma área de investigação emergente nos últimos anos. As células somáticas podem ser experimentalmente manipuladas de modo a obter células estaminais pluripotentes induzidas (CEPi), ou convertidas directamente noutro tipo de célula somática. Estas descobertas inovadoras oferecem oportunidades promissoras para o desenvolvimento de novas terapias de substituição celular e modelos de doença, funcionando também como ferramentas valiosas para o estudo dos mecanismos moleculares que estabelecem a identidade celular e regulam os processos de desenvolvimento. Existem várias doenças degenerativas hereditárias e adquiridas da retina que causam deficiência visual devido a uma disfunção no tecido de suporte da retina, o epitélio pigmentar da retina (EPR). Uma destas doenças é a Coroideremia (CHM), uma doença hereditária monogénica ligada ao cromossoma X causada por mutações que implicam a perda de função duma proteína com funções importantes na regulação do tráfico intracelular. A CHM é caracterizada pela degenerescência progressiva do EPR, assim como dos foto-receptores e da coróide. Resultados experimentais sugerem que o EPR desempenha um papel importante na patogénese da CHM, o que parece indicar uma possível vantagem terapêutica na substituição do EPR nos doentes com CHM. Por outro lado, existe uma lacuna em termos de modelos in vitro de EPR para estudar a CHM, o que pode explicar o ainda desconhecimento dos mecanismos moleculares que explicam a patogénese desta doença. Assim, este trabalho focou-se principalmente na exploração das potencialidades das técnicas de reprogramação celular no contexto das doenças de degenerescência da retina, em particular no caso da CHM. Células de murganho de estirpe selvagem, bem como células derivadas de um ratinho modelo de knockout condicional de Chm, foram convertidos com sucesso em CEPi recorrendo a um sistema lentiviral induzido que permite a expressão forçada dos 4 factores clássicos de reprogramação, a saber Oct4, Sox2, Klf4 e c-Myc. Estas células mostraram ter equivalência morfológica, molecular e funcional a células estaminais embrionárias (CES). As CEPi obtidas foram seguidamente submetidas a protocolos de diferenciação com o objectivo final de obter células do EPR. Os resultados promissores obtidos revelam a possibilidade de gerar um valioso modelo de EPR-CHM para estudos in vitro. Em alternativa, a conversão directa de linhagens partindo de fibroblastos para obter células do EPR foi também abordada. Uma vasta gama de ferramentas moleculares foi gerada de modo a implementar uma estratégia mediada por FTs-chave, seleccionados devido ao seu papel fundamental no desenvolvimento embrionário e especificação do EPR. Conjuntos de 10 ou menos FTs foram usados para transduzir fibroblastos, que adquiriram morfologia pigmentada e expressão de alguns marcadores específicos do EPR. Adicionalmente, observou-se a activação de regiões promotoras de genes específicos de EPR, indicando que a identidade transcricional das células foi alterada no sentido pretendido. Em conclusão, avanços significativos foram atingidos no sentido da implementação de tecnologias de reprogramação celular já estabelecidas, bem como na concepção de novas estratégias inovadoras. Metodologias de reprogramação, quer para pluripotência, quer via conversão directa, foram aplicadas com o objectivo final de gerar células do EPR. O trabalho aqui descrito abre novos caminhos para o estabelecimento de terapias de substituição celular e, de uma maneira mais directa, levanta a possibilidade de modelar doenças degenerativas da retina com disfunção do EPR numa placa de petri, em particular no caso da CHM.---------------ABSTRACT: Cellular reprogramming is an emerging research field in which a somatic cell is reprogrammed into a different cell type by forcing the expression of lineage-specific transcription factors (TFs). Cellular identities can be manipulated using experimental techniques with the attainment of pluripotency properties and the generation of induced Pluripotent Stem (iPS) cells, or the direct conversion of one somatic cell into another somatic cell type. These pioneering discoveries offer new unprecedented opportunities for the establishment of novel cell-based therapies and disease models, as well as serving as valuable tools for the study of molecular mechanisms governing cell fate establishment and developmental processes. Several retinal degenerative disorders, inherited and acquired, lead to visual impairment due to an underlying dysfunction of the support cells of the retina, the retinal pigment epithelium (RPE). Choroideremia (CHM), an X-linked monogenic disease caused by a loss of function mutation in a key regulator of intracellular trafficking, is characterized by a progressive degeneration of the RPE and other components of the retina, such as the photoreceptors and the choroid. Evidence suggest that RPE plays an important role in CHM pathogenesis, thus implying that regenerative approaches aiming at rescuing RPE function may be of great benefit for CHM patients. Additionally, lack of appropriate in vitro models has contributed to the still poorly-characterized molecular events in the base of CHM degenerative process. Therefore, the main focus of this work was to explore the potential applications of cellular reprogramming technology in the context of RPE-related retinal degenerations. The generation of mouse iPS cells was established and optimized using an inducible lentiviral system to force the expression of the classic set of TFs, namely Oct4, Sox2, Klf4 and c-Myc. Wild-type cells, as well as cells derived from a conditional knockout (KO) mouse model of Chm, were successfully converted into a pluripotent state, that displayed morphology, molecular and functional equivalence to Embryonic Stem (ES) cells. Generated iPS cells were then subjected to differentiation protocols towards the attainment of a RPE cell fate, with promising results highlighting the possibility of generating a valuable Chm-RPE in vitro model. In alternative, direct lineage conversion of fibroblasts into RPE-like cells was also tackled. A TF-mediated approach was implemented after the generation of a panoply of molecular tools needed for such studies. After transduction with pools of 10 or less TFs, selected for their key role on RPE developmental process and specification, fibroblasts acquired a pigmented morphology and expression of some RPE-specific markers. Additionally, promoter regions of RPE-specific genes were activated indicating that the transcriptional identity of the cells was being altered into the pursued cell fate. In conclusion, highly significant progress was made towards the implementation of already established cellular reprogramming technologies, as well as the designing of new innovative ones. Reprogramming into pluripotency and lineage conversion methodologies were applied to ultimately generate RPE cells. These studies open new avenues for the establishment of cell replacement therapies and, more straightforwardly,raise the possibility of modelling retinal degenerations with underlying RPE defects in apetri dish, particularly CHM.

Galen on Mental Disorders

Este trabalho aborda a conceito de desordem psíquica na obra de Galeno (129-216). A primeira parte enquadra o pensamento de Galeno na visão da Filosofia e Medicina em vigor no início do séc. II d.C. De seguida descrevo a concepção Hipocrática de epilepsia, e a abordagem que Platão desenvolve no Timeu e Fedro acerca da loucura, para de seguida abordar a concepção de doença em Galeno, onde são analisados os conceitos de nosêma, diathesis, pathos e energeia. Após este excurso descrevo o ponto de vista de Galeno acerca da controvérsia sobre a localização da parte dirigente da alma (hêgemonikon) que se dividia entre defensores do encefalocentrismo (Platão, Hipócrates e Herófilo) e do cardiocentrismo (Aristóteles e os Estóicos). De modo a aprofundar a compreensão de Galeno acerca deste tema descrevo o trabalho anatómico-fisiológico desenvolvido pelos médicos Alexandrinos Erasistrato e Herófilo, activos no sec. III a. C., que descobriram, através de dissecação de animais e muito provavelmente de humanos, o papel dos nervos e tendões nas atividades cognitivas e sensório-motoras. Esta foi uma descoberta central para a argumentação de Galeno acerca da interacção mente-corpo assim como para a descrição das desordens psíquicas. Posteriormente apresento a metodologia de Galeno no que concerne ao processo de diagnóstico e etiologia, essencial para se compreender como é possível aceder a ‘entidades’ não visíveis, como o hêgemonikon e as suas diferentes faculdades: ‘imaginação’, memória e raciocínio. Por fim, analiso alguns casos clínicos de pacientes afectados por desordens do hêgemonikon, a saber: phrenitis, mania e melancolia. Os principais textos objecto de análise são: Acerca dos Lugares Afectados, Acerca das Teses de Hipócrates e Platão e Que as Faculdades da Alma Seguem as Disposições do Corpo. Todavia, outros textos de Galeno serão convocados consoante a necessidade de analisar os conceitos que me proponho compreender, entre eles Acerca do Método Terapêutico e Acerca da Utilidade das Partes.

Contribution to drug discovery and development for tauopathies using yeast as a model

This work aimed to contribute to drug discovery and development (DDD) for tauopathies, while expanding our knowledge on this group of neurodegenerative disorders, including Alzheimer’s disease (AD). Using yeast, a recognized model for neurodegeneration studies, useful models were produced for the study of tau interaction with beta-amyloid (Aβ), both AD hallmark proteins. The characterization of these models suggests that these proteins co-localize and that Aβ1-42, which is toxic to yeast, is involved in tau40 phosphorylation (Ser396/404) via the GSK-3β yeast orthologue, whereas tau seems to facilitate Aβ1-42 oligomerization. The mapping of tau’s interactome in yeast, achieved with a tau toxicity enhancer screen using the yeast deletion collection, provided a novel framework, composed of 31 genes, to identify new mechanisms associated with tau pathology, as well as to identify new drug targets or biomarkers. This genomic screen also allowed to select the yeast strain mir1Δ-tau40 for development of a new GPSD2TM drug discovery screening system. A library of unique 138 marine bacteria extracts, obtained from the Mid-Atlantic Ridge hydrothermal vents, was screened with mir1Δ-tau40. Three extracts were identified as suppressors of tau toxicity and constitute good starting points for DDD programs. mir1Δ strain was sensitive to tau toxicity, relating tau pathology with mitochondrial function. SLC25A3, the human homologue of MIR1, codes for the mitochondrial phosphate carrier protein (PiC). Resorting to iRNA, SLC25A3 expression was silenced in human neuroglioma cells, as a first step towards the engineering of a neural model for replicating the results obtained in yeast. This model is essential to understand the mechanisms of tau toxicity at the mitochondrial level and to validate PiC as a relevant drug target. The set of DDD tools here presented will foster the development of innovative and efficacious therapies, urgently needed to cope with tau-related disorders of high human and social-economic impact.

New insights on nevirapine use: A mechanistic perspective of its toxic events

Introdução: A nevirapina (NVP) é um fármaco amplamente utilizado para o tratamento da infecção pelo vírus da imunodeficiência humana de tipo 1 (VIH-1), no entanto, a sua utilização na terapêutica crónica tem sido associada à toxicidade hepática e cutânea. O sexo feminino é um factor de risco para o desenvolvimento destes eventos tóxicos, mas as razões para essa diferença entre o sexo feminino e masculino não estão completamente esclarecidas. Diferenças na biotransformação da NVP e na formação de metabolitos tóxicos podem ser as causas subjacentes. O presente trabalho teve como objectivo explorar as diferenças entre homens e mulheres na biotransformação da NVP, como um potencial factor de toxicidade induzida por este fármaco anti-retroviral. Materiais e Métodos: Todos os indivíduos incluídos no presente estudo eram adultos com infecção por VIH-1 confirmada, tratados com 400 mg de NVP uma vez ao dia, durante pelo menos 1 mês. Foram colhidas amostras de sangue e os níveis de NVP e dos metabolitos de fase I foram determinados por cromatografia líquida de alta performance. Os dados antropométricos e clínicos e os perfis de metabolitos foram avaliados de forma a averiguar possíveis diferenças relacionadas com o sexo dos indivíduos. Resultados: Foram incluídos 52 doentes (63% do sexo masculino). O peso corporal foi inferior nas mulheres (p = 0.028) e o sexo feminino foi associado a maiores níveis de fosfatase alcalina (p = 0.036) e lactato desidrogenase (p = 0.037). Os níveis plasmáticos de NVP (p = 0.030) e 3-hidroxi-NVP (p = 0.035), assim como as proporções de 12-hidroxi-NVP (p = 0.037) e 3-hidroxi-NVP (p = 0.001) foram maiores nas mulheres, quando ajustados pelo peso corporal dos indivíduos. Discussão: Existem diferenças na biotransformação da NVP entre homens e mulheres, particularmente na formação de 12-hidroxi-NVP e 3-hidroxi-NVP. Estes resultados apontam para uma formação de metabolitos reactivos, que é dependente do sexo e que pode contribuir para o perfil de dimorfismo sexual associado às reacções tóxicas induzidas pela NVP.