DNA nanoprobes for molecular detection

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Biológica – especialidade Engenharia Genética, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

DNA damage induced by acrylamide: roe of genetic polymorphisms in DNA damage levels

RESUMO:Em 1994 a acrilamida (AA) foi classificada pela IARC como um provável cancerígeno para o homem. Para além da utilização de AA em numerosas aplicações industriais, a AA está também presente numa grande variedade de alimentos ricos em amido e processados a temperaturas elevadas. Esta exposição através da ingestão de produtos alimentares despoletou elevadas preocupações ao nível do risco para a saúde pública e poderá implicar um risco adicional para o aparecimento de cancro. A glicidamida (GA), o metabolito epóxido formado a partir da oxidação da AA provavelmente através do citocromo P450 2E1, é considerada por vários estudos, o principal responsável pela carcinogenicidade da AA. Actualmente existe uma escassez de resultados relativamente aos mecanismos de genotoxicidade da AA e GA em células de mamífero. Por este motivo, o objectivo deste estudo centra-se na avaliação das consequências genéticas da exposição à AA e GA, recorrendo-se para tal ao uso de células de mamífero como modelo. Tendo como base este objectivo avaliou-se a citotoxicidade da AA e GA, através do ensaio do MTT, e realizaram-se dois testes citogenéticos, o teste das aberrações cromossómicas (CAs) e o teste da troca de cromátides irmãs (SCEs), de modo a avaliar as lesões de DNA induzidas por estes compostos em células de hamster Chinês V79. Os resultados globalmente mostraram que a GA é mais citotóxica e clastogénica do que a AA. No âmbito deste trabalho, foi também efectuada a quantificação de aductos específicos de DNA, nomeadamente N7-(2-carbamoil-2-hidroxietil)guanina (N7-GA-Gua) e N3-(2-carbamoil-2-hidroxietil)adenina (N3-GA-Ade). Os resultados obtidos permitem afirmar que os níveis de N7-GA-Gua e a concentração de GA apresentam uma relação linear dose-resposta. Foi também identificada uma óptima correlação entre os níveis de N7-GA-Gua e a frequência de troca de cromátides irmãs. Adicionalmente, e de forma a compreender os mecanismos de toxicidade da AA, estudaram-se os mecanismos dependentes da modulação do glutationo reduzido (GSH), nomeadamente da butionina sulfoximina (BSO), um inibidor da síntese de GSH, do GSH-monoetil estér (GSH-EE), um composto permeável nas células e que é intra-celularmente hidrolisado a GSH e ainda do GSH adicionado exogenamente ao meio de cultura, em células V79. Os resultados obtidos reforçaram o papel da modulação do GSH nos efeitos de citotoxicidade e clastogenicidade da AA. Para além dos estudos efetuados com células V79, procedeu-se também à determinação da frequência de SCEs, à quantificação de aductos específicos de DNA, bem como ao ensaio do cometa alcalino em amostras de dadores saudáveis expostos à AA e GA. Tanto os resultados obtidos através do ensaio das SCE, como pela quantificação de aductos específicos de DNA, ambos efectuados em linfócitos estimulados, originaram resultados comparáveis aos obtidos anteriormente para as células V79, reforçando a ideia de que a GA é bastante mais genotóxica do que a AA. Por outro lado, os resultados obtidos pelo ensaio do cometa para exposição à AA e GA mostraram que apenas esta última aumenta o nível das lesões de DNA. Outro objectivo deste trabalho, foi a identificação de possíveis associações existentes entre as lesões de DNA, quantificadas através do ensaio das SCEs e do cometa, e biomarcadores de susceptibilidade, tendo em conta os polimorfismos genéticos individuais envolvidos na destoxificação e nas vias de reparação do DNA (BER, NER, HRR e NHEJ) em linfócitos expostos à GA. Tal permitiu identificar associações entre os níveis de lesão de DNA determinados através do ensaio das SCEs, e os polimorfismos genéticos estudados, apontando para uma possível associação entre o GSTP1 (Ile105Val) e GSTA2 (Glu210Ala) e a frequência de SCEs. Por outro lado, os resultados obtidos através do ensaio do cometa sugerem uma associação entre as lesões de DNA e polimorfismos da via BER (MUTYH Gln335His e XRCC1 Gln39Arg) e da via NER (XPC Ala499val e Lys939Gln), considerando os genes isoladamente ou combinados. Estes estudos contribuem para um melhor entendimento da genotoxicidade e carcinogenicidade da AA e GA em células de mamífero, bem como da variabilidade da susceptibilidade individual na destoxificação e reparação de lesões de DNA provocadas pela exposição a estes xenobióticos alimentares. ----------- ABSTRACT:Acrylamide (AA) has been classified as a probable human carcinogen by IARC. Besides being used in numerous industrial applications, AA is also present in a variety of starchy cooked foods. This AA exposure scenario raised concerns about risk in human health and suggests that the oral consumption of AA is an additional risk factor for cancer. A considerable number of findings strongly suggest that the reactive metabolite glycidamide (GA), an epoxide generated presumably by cytochrome P450 2E1, plays a central role in AA carcinogenesis. Until now there are a scarcity of results concerning the mechanisms of genotoxicity of AA and GA in mammalian cells. In view of that, the study described in this thesis aims to unveil the genetic consequences of AA and GA exposure using mammalian cells as a model system. With this aim we evaluated the cytotoxicity of AA and GA using the MTT assay and subsequently performed two cytogenetic end-points: chromosomal aberrations (CAs) and sister chromatid exchanges (SCEs), in order to evaluate DNA damage induced by these compounds in V79 Chinese hamster cell line. The results showed that GA was more cytotoxic and clastogenic than AA. Within the scope of this thesis the quantification of specific DNA adducts were also performed, namely N7-(2-carbamoyl-2-hydroxyethyl)guanine (N7-GA-Gua) and N3-(2-carbamoyl-2-hydroxyethyl)adenine (N3-GA-Ade). Interestingly, the GA concentration and the levels of N7-GA-Gua presented a linear dose-response relationship. Further, a very good correlation between the levels of N7-GA-Gua and the extent of SCEs were observed. In order to understand the mechanisms of AA-induced toxicity, the modulation of reduced glutathione (GSH)-dependent mechanisms were studied, namely the evaluation of the effect of buthionine sulfoximine (BSO), an effective inhibitor of GSH synthesis, of GSH-monoethyl ester (GSH-EE), a cell permeable compound that is intracellularly hydrolysed to GSH and also of GSH endogenously added to culture medium,z in V79 cell line. The overall results reinforced the role of GSH in the modulation of the cytotoxic and clastogenic effects induced by AA.Complementary to the studies performed in V79 cells, SCEs, specific DNA-adducts and alkaline comet assay in lymphocytes from healthy donors exposed to AA and GA were also evaluated. Both, the frequency of SCE and the quantification of specific GA DNA adducts, produced comparable results with those obtained in V79 cell line, reinforcing the idea that GA is far more genotoxic than AA. Further, the DNA damaging potential of AA and GA in whole blood leukocytes evaluated by the alkaline comet assay, showed that GA, but not AA, increases DNA damage. Additionally, this study aimed to identify associations between DNA damage and biomarkers of susceptibility, concerning individual genetic polymorphisms involved in detoxification and DNA repair pathways (BER, NER, HRR and NHEJ) on the GA-induced genotoxicity assessed by the SCE assay and by the alkaline comet assay. The extent of DNA damage determined by the levels of SCEs induced by GA seems to be modulated by GSTP1 (Ile105Val) and GSTA2 (Glu210Ala) genotypes. Moreover, the results obtained from the comet assay suggested associations between DNA damage and polymorphisms of BER (MUTYH Gln335His and XRCC1 Gln399Arg) and NER (XPC Ala499Val and Lys939Gln) genes, either alone or in combination. The overall results from this study contribute to a better understanding of the genotoxicity and carcinogenicity of AA and GA in mammalian cells, as well as the knowledge about the variability in individual susceptibility involved in detoxification and repair of DNA damage due to these dietary xenobiotics.

Development of oxidoreductase based electrochemical biosensors

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

Can the complex mixture of sediment contaminants cause endocrine disruption on a benthic fish? A case study with Solea senegalensis

Pollution in coastal ecosystems is a serious threat to the biota and human populations there residing. Anthropogenic activities in these ecosystems are the main cause of contamination by endocrine disruption compounds (EDCs), which can interfere with hormonal regulation and cause adverse effects to growth, stress response and reproduction. Although the chemical nature of many EDCs is unknown, it is believed that most are organic contaminants. Under an environmental risk assessment for a contaminated estuary (the Sado, SW Portugal), the present work intended to detect endocrine disruption in a flatsfish, Solea senegalensis Kaup, 1858, and its potential relationship to organic toxicants. Animals were collected from two areas in the estuary with distinct influences (industrial and rural) and from an external reference area. To evaluate endocrine disruption, hepatic vitellogenin (VTG) concentrations in males and gonad histology were analysed. As biomarkers of exposure to organic contaminants, cytochrome P450 (CYP1A) induction and the ethoxyresorufin-O-deethylase (EROD) activity were determined. The results were contrasted to sediment contamination levels, which are overall considered low, although the area presents a complex mixture of toxicants. Either males or females were found sexually immature and showed no significant evidence of degenerative pathologies. However, hepatic VTG concentrations in males from the industrial area in estuary were superior than those from the Reference, even reaching levels comparable to those in females, which may indicate an oestrogenic effect resulting from the complex contaminant mixture. These individuals also presented higher levels of CYP1A induction and EROD activity, which is consistent with contamination by organic substances. The combination of the results suggest that the exposure of flatfish to an environment contaminated by mixed toxicants, even at low levels, may cause endocrine disruption, therefore affecting populations, which implies the need for further research in identification of potential EDCs, their sources and risks at ecosystem scale.

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)

Cytochrome c nitrite reductase from desulfovibrio desulfuricans ATCC 27774

The Journal of Biological Chemistry Vol. 278, No. 19, Issue of May 9, pp. 17455–17465, 2003

A further investigation of the cytochrome b5–cytochrome c complex

J Biol Inorg Chem (2003) 8: 777–786

O citocromo b5 no complexo enzimático do citocromo P450

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Genética Molecular e Biomedicina

Dynamic and interaction of cytochrome c with Pf1 virus

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em BioOrgânica

Development of electrochemical nitrite biosensors using cytochrome c nitrite reductase from Desulfovibrio desulfuricans ATCC 27774

Dissertação apresentada para a obtenção do Grau de Doutor em Química Sustentável pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Measuring the cytochrome c nitrite reductase activity—practical considerations on the enzyme assays

Hindawi Publishing Corporation Bioinorganic Chemistry and Applications Volume 2010, Article ID 634597, 8 pages

Purification and Preliminary Characterization of Tetraheme Cytochrome and Adenylylsulf te Reductase from the Peptidolytic Sulfate-Reducing Bacterium Desulfovibrio aminophilus DSM 12254

Bioinorganic Chemistry and Applications Volume 3 (2005), Issue 1-2, Pages 81-91

Gd(III) chelates as NMR probes of protein-protein interactions. Case study: rubredoxin and cytochrome c3

Inorganic Chemistry 50(21):10600-7

Analysis of the activation mechanism of Pseudomonas stutzeri cytochrome c peroxidase through an electron transfer chain

J Biol Inorg Chem (2011) 16:881–888 DOI 10.1007/s00775-011-0785-8

Electron transfer complex between nitrous oxide reductase and cytochrome c552 from Pseudomonas nautica: kinetic, nuclear magnetic resonance, and docking studies

Biochemistry. 2008 Oct 14;47(41):10852-62. doi: 10.1021/bi801375q