Análise e identificação de produtos do catabolismo de heme nas formas epimastigotas de Trypanosoma cruzi

O Trypanosoma cruzi, agente etiológico da doença de Chagas, possui um ciclo de vida complexo, deve lidar com diversas condições do ambiente e depende dos hospedeiros para suprir suas necessidades nutricionais. Uma delas é a necessidade de captar a molécula de heme (Fe-protoporfirina IX) que será utilizada como fator de crescimento. Os mecanismos envolvendo o metabolismo de heme são cruciais para a sobrevivência do T. cruzi pois o parasito não possui várias enzimas de biossíntese dessa porfirina e o heme livre pode apresentar citotoxicidade para célula. Na tentativa de perseguir o destino final do heme no parasito, nós estudamos essa via inexplorada no T. cruzi. Nessa tese, nós demonstramos que epimastigotas cultivados com heme, produziram os compostos, α-meso hidroxiheme, verdoheme e biliverdina (identificados por HPLC acoplado á espectrofotômetria). Além disso, nós observamos através de análise dos extratos de epimastigotas no espectrômetro de massas (LQT Orbitrap), espécies iônicas de m/z 583,4 e m/z 619,3. A fragmentação subsequente desses íons originaram espécies filhas típicas das moléculas de biliverdina e verdoheme, respectivamente. Nós observamos também, espécies iônicas de m/z 1397,4 e m/z 1135,4. A fragmentação dessas espécies produziram íons, sendo um deles com a mesma massa molecular de heme (m/z 616,3). Essa espécie iônica por sua vez, gerou fragmentos iônicos idênticos a uma molécula de heme, confirmando que esses intermediários são produtos da modificação da porfirina. Baseado nesses resultados, nós propomos um modelo onde o catabolismo de heme em T. cruzi, envolveria a conjugação da bis(glutationil)spermina, um derivado da tripanotiona presente em tripanossomatídeos, à porfirina (m/z 1137,4), seguido da remoção de dois resíduos de ácidos glutâmicos (m/z 1135,4). Embora o significado bioquímico e fisiológico da adição desse resíduo tiol na molécula de heme ainda é pouco compreendido, alguns trabalhos demonstram a abilidade desses compostos em ligar na porfirina, sem contar também, que esse heme conjugado poderia resultar em uma forma efetiva de prevenção de danos à membrana e a célula ocasionados pelo acúmulo de heme livre. Em conjunto, esses resultados fornecem novas abordagens do metabolismo de heme em T. cruzi, revelando possíveis alvos de intervenção quimioterápica futuros. Nossa proposta está direcionada para uma via ativa de catabolismo de heme que inclui a adição de grupos tiol (derivado da tripanotiona) à heme e a clivagem do anel porfirínico originando a molécula de biliverdina.

Modulação redox da homeostase de células musculares lisas através de estimuladores do sistema NADPH oxidase

As doenças cardiovasculares representam a principal causa de morte nos países ocidentais. Dentre essas doenças, a aterosclerose é que mais se destaca, sendo caracterizada pelo acúmulo de células musculares lisas vasculares (CMLV). O efeito patológico das CMLV em resposta a diferentes estímulos pode acarretar em disfunções nestas células. É notável que a aterosclerose ocorra principalmente em vasos sinuosos onde ocorre um forte turbilhonamento do fluxo sanguíneo, que pode acarretar em hemólise e, consequentemente, acúmulo de heme livre. Além disso, no processo de aterogênese as moléculas de adesão, principalmente integrinas, são de crucial importância durante a resposta de CMLV. Nesse trabalho nosso objetivo inicial foi avaliar o efeito do heme livre nas funções de CMLV, bem como os mecanismos moleculares por trás desses efeitos. Em uma segunda parte, investigamos o envolvimento da integrina α1ß1 no efeito da Angiotensina II (Ang II) em CMLV. Nós observamos que o heme livre é capaz de induzir a proliferação e migração de CMLV via espécies reativas de oxigênio (ERO) provenientes da NADPHoxidase (NADPHox). Adicionalmente vimos que o heme ativa vias de sinalização redox-sensíveis relacionadas à proliferação celular, como MAPKinases e o fator de transcrição NFκB. Também observamos que há uma ligação entre a NADPHox e o sistema heme oxigenase (HO), uma vez que o heme induz a expressão de HO-1 e o pré-tratamento das CMLV com inibidores de HO levam ao aumento tanto o efeito proliferação quanto a indução de ERO promovidas pelo heme. Além disso, vimos que o efeito contra-regulatório promovido pela HO ocorre devido as metabolites do heme: biliverdina, bilirrubina e monóxido de carbono. Por último, quando bloqueamos tanto a NADPHox quanto o sistema HO o heme não teve efeito algum na proliferação de CMLV. Em um segundo estudo, observamos que o efeito da Ang II sobre a migração de CMLV foi inibido quando as células foram pré-tratadas com o ligante da integrina α1ß1, a desintegrina Obtustatina. A seguir observamos que o efeito da Ang II na ativação de FAK e na colocalização actina-ILK é dependente da integrina α1ß1, que possivelmente ativa PKCα, uma vez que vimos que a produção de ERO induzida por Ang II foi inibida pela Obtustatina. Vimos que a indução da expressão de ILK por Ang II em CMLV é dependente da integrina α1ß1 e também observamos que a Obtustatina inibibiu o desacoplamento de ILK da FAK, uma vez que a Obtustatina bloqueou a fosforilação de FAK induzida por Ang II (processo crucial para o desacoplamento da ILK). Nós também observamos que a Ang II induz, via integrina α1ß1, a fosforilação de AKT e a diminuição da expressão de p21, provavelmente via ILK. Corroborando estes dados, nós mostramos que o pré-tratamento com Obtustatina induziu um estacionamento na fase G0 e diminuição da proliferação de CMLV tratadas com Ang II. Portanto, mostramos nesse trabalho que o heme livre induz a ativação de CML via NADPHox, que é elegantemente contra-regulado pelo sistema HO. Além disso, sugerimos que a integrina α1ß1 pode ser um importante alvo molecular para o desenvolvimento de intervenções mais efetivas para a aterosclerose.

Análise de uma heme oxigenase funcional em Trypanosoma cruzi

O Trypanosoma cruzi é o agente etiológico da doença de Chagas, transmitida através de insetos vetores triatomíneos durante a alimentação no hospedeiro vertebrado. Os triatomíneos ingerem numa única alimentação cerca de 10 mM de heme ligado à hemoglobina. O heme é uma importante molécula no metabolismo dos organismos. Um mecanismo intracelular importante no controle de sua homeostase é a degradação enzimática pela Heme Oxigenase (HO) formando biliverdina (Bv), monóxido de carbono e ferro. Como esta enzima não está presente no genoma de T. cruzi, esse trabalho tem por objetivo identificar uma atividade funcional de HO neste parasito, uma vez que dados do nosso laboratório mostram a presença de biliverdina nas incubações dessas células com heme. No presente trabalho testamos o efeito do SnPPIX (inibidor da HO-1), CoPPIX (indutor da HO-1) e Bv sobre a proliferação da forma epimastigota do parasito. A adição de SnPPIX diminuiu a proliferação do parasito na tanto na ausência quanto na presença de heme. Quando a Bv foi adicionada à cultura esse efeito foi revertido; a Bv aumenta a proliferação celular na presença de heme. Por outro lado, a adição de CoPPIX não interferiu na proliferação. Posteriormente, mostramos através da técnica de immunoblotting, utilizando anticorpo monoclonal contra a HO-1, um aumento da expressão de uma proteína em resposta ao heme. Diferentemente das HO-1 já descritas que possuem massa molecular de 32 kDa, a única banda reconhecida pelo anticorpo apresenta 45 kDa. Analisamos também a expressão da HO-1 na presença de CoPPIX, SnPPIX e biliverdina, e somente o CoPPIX foi capaz de modular os níveis de expressão da HO-1. A análise estrutural através da técnica de imunocitoquímica mostrou uma maior expressão da enzima na presença de heme, e que a HO-1 de T. cruzi pode ter mais de uma localização, apresentando marcação citoplasmática e glicossomal. A fim de investigar a sequência da HO-1 de T. cruzi, o DNA genômico foi extraído para amplificação por PCR do gene da HO-1 utilizando oligonucleotídeos desenhados no genoma de T. cruzi. Os dois pares de oligonucleotídeos utilizados nao foram capazes de amplificar uma sequência equivalente a uma HO. Em seguida, utilizamos a técnica de imunoprecipitação, seguida de immunoblotting, com anticorpo anti-HO-1, com objetivo de concentrar a proteína alvo, e observamos um aumento significativo do imunocomplexo nas células tratadas com heme 300 mM, cerca de 2 vezes em relação ao controle. Dando seguimento à tentativa de identificação da HO-1 de T. cruzi, utilizamos a técnica de espectrometria de massa a partir de eletroforese unidimensional, que mostrou uma grande alteração do perfil protéico na presença de heme, mas futuros experimentos são necessários, como eletroforese 2D, para a identificação da proteína alvo

Accumulation of heme oxygenase-1 (HSP32) in Xenopus laevis A6 kidney epithelial cells treated with sodium arsenite, cadmium chloride or proteasomal inhibitors

The present study examined the effect of sodium arsenite, cadmium chloride, heat shock and the proteasomal inhibitors MG132, withaferin A and celastrol on heme oxygenase-1 (HO-1; also known as HSP32) accumulation in Xenopus laevis A6 kidney epithelial cells. Immunoblot analysis revealed that HO-1 accumulation was not induced by heat shock but was enhanced by sodium arsenite and cadmium chloride in a dose- and time-dependent fashion. Immunocytochemistry revealed that these metals induced HO-1 accumulation in a granular pattern primarily in the cytoplasm. Additionally, in 20% of the cells arsenite induced the formation of large HO-1-containing perinuclear structures. In cells recovering from sodium arsenite or cadmium chloride treatment, HO-1 accumulation initially increased to a maximum at 12h followed by a 50% reduction at 48 h. This initial increase in HO-1 levels was likely the result of new synthesis as it was inhibited by cycloheximide. Interestingly, treatment of cells with a mild heat shock enhanced HO-1 accumulation induced by low concentrations of sodium arsenite and cadmium chloride. Finally, we determined that HO-1 accumulation was induced in A6 cells by the proteasomal inhibitors, MG132, withaferin A and celastrol. An examination of heavy metal and proteasomal inhibitor-induced HO-1 accumulation in amphibians is of importance given the presence of toxic heavy metals in aquatic habitats.

Regenerative silver nanoparticles for SERRS investigation of metmyoglobin with conserved heme pocket

Shell isolated silver nanoparticles with an ultrathin silica layer (Ag@SiO2NPs) are used as a surface-enhanced resonance Raman scattering (SERRS) substrate for probing metmyoglobin (metMb) in aqueous solution. The ultrathin silica layer protects metMb from reaching the bare silver surface and conserves the heme pocket during SERRS analysis with a Raman enhancement factor (EFSERS) of 4.78 × 104. In spite of the good SERRS enhancement, the interaction between the protein and Ag@SiO2NPs is weak enough to separate them by centrifugation in such a way that both are regenerated in their original form and can be reused. Using Ag@SiO2NPs as the SERRS substrate, the lowest detection limit of 2 nM was achieved for metMb whilst conserving the native structure of the heme centre.

Heme biosynthesis by the malarial parasite - Import of delta-aminolevulinate dehydrase from the host red cell

The mouse and human malarial parasites, Plasmodium berghei and Plasmodium falciparum, respectively, synthesize heme de novo following the standard pathway observed in animals despite the availability of large amounts of heme, derived from red cell hemoglobin, which is stored as hemozoin pigment, The enzymes, delta-aminolevulinate dehydrase (ALAD), coproporphyrinogen oxidase, and ferrochelatase are present at strikingly high levels in the P, berghei infected mouse red cell in vivo, The isolated parasite has low levels of ALAD and the data clearly indicate it to be of red cell origin. The purified enzyme preparations from the uninfected red cell and the parasite are identical in kinetic properties, subunit molecular weight, cross-reaction with antibodies to the human enzyme, and N-terminal amino acid sequence. Immunogold electron microscopy of the infected culture indicates that the enzyme is present inside the parasite and, therefore, is not a contaminant, The parasite derives functional ALAD from the host and the enzyme binds specifically to isolated parasite membrane in vitro, suggestive of the involvement of a receptor in its translocation into the parasite, While, ALAD, coproporphyrinogen oxidase, and ferrochelatase from the parasite and the uninfected red cell supernatant have identical subunit molecular weights on SDS-polyacrylamide gel electrophoresis and show immunological cross-reaction with antibodies to the human enzymes, as revealed by Western analysis, the first enzyme of the pathway, namely, delta-aminolevulinate synthase (ALAS) in the parasite, unlike that of the red cell host, does not cross-react with antibodies to the human enzyme, However, ALAS enzyme activity in the parasite is higher than that of the infected red cell supernatant. We therefore conclude that the parasite, while making its own ALAS, imports ALAD and perhaps most of the other enzymes of the pathway from the host to synthesize heme de novo, and this would enable it to segregate this heme from the heme derived from red cell hemoglobin degradation, ALAS of the parasite and the receptor(s) involved in the translocation of the host enzymes into the parasite would be unique drug targets.

Localisation of Plasmodium falciparum uroporphyrinogen III decarboxylase of the heme-biosynthetic pathway in the apicoplast and characterisation of its catalytic properties

Uroporphyrinogen decarboxylase (UROD) is a key enzyme in the heme-biosynthetic pathway and in Plasmodium falciparum it occupies a strategic position in the proposed hybrid pathway for heme biosynthesis involving shuttling of intermediates between different subcellular compartments in the parasite. In the present study, we demonstrate that an N-terminally truncated recombinant P. falciparum UROD (r(Δ)PfUROD) over-expressed and purified from Escherichia coli cells, as well as the native enzyme from the parasite were catalytically less efficient compared with the host enzyme, although they were similar in other enzyme parameters. Molecular modeling of PfUROD based on the known crystal structure of the human enzyme indicated that the protein manifests a distorted triose phosphate isomerase (TIM) barrel fold which is conserved in all the known structures of UROD. The parasite enzyme shares all the conserved or invariant amino acid residues at the active and substrate binding sites, but is rich in lysine residues compared with the host enzyme. Mutation of specific lysine residues corresponding to residues at the dimer interface in human UROD enhanced the catalytic efficiency of the enzyme and dimer stability indicating that the lysine rich nature and weak dimer interface of the wild-type PfUROD could be responsible for its low catalytic efficiency. PfUROD was localised to the apicoplast, indicating the requirement of additional mechanisms for transport of the product coproporphyrinogen to other subcellular sites for its further conversion and ultimate heme formation.

Chemical probes into the active centre of a heme thiolate monoxygenase

Linalool-8-monoxygenase, a typical bacterial P-450 heme thiolase, shows a high degree of substrate specificity towards linalool. The active site of the pure enzyme has been probed with a large number of substrate analogues with systematic alterations or conformational variations in the linalool molecule. The comparison of three parameters, the mo→mos conversion of the enzyme as a result of substrate binding monitored at 392 nm, theK D of the analogues giving information about energies of association and the relative turnover as substrate have given information about the space-filling characteristics of the substrates in the enzyme cleft, the number of contacts the molecules make with the respective domains of the enzyme and the distance of the site undergoing hydroxylation from the oxygen site, respectively. The data permit the conclusion that linalool makes contact with the enzyme by hydrogen bonding with the hydroxyl group as well through hydrophobic association with all the eight carbons carrying hydrogen in the molecules.

Role of heme in the synthesis of cytochrome c oxidase in Neurospora crassa

The role of heme in the synthesis of cytochrome c oxidase has been investigated in the mold Neurospora crassa. Iron-deficient cultures of the mold have low levels of cytochrome oxidase and delta-aminolevulinate dehydratase, the latter being the rate-limiting enzyme of the heme-biosynthetic pathway in this organism. Addition of iron to the iron-deficient cultures results in an immediate increase in the levels of delta-aminolevulinate dehydratase followed by an increase in the rate of heme synthesis and cytochrome oxidase levels. The rate of precursor labeling of the mitochondrial subunits of cytochrome oxidase is decreased preferentially under conditions of iron deficiency and addition of iron corrects this picture. Exogenous hemin addition which prevents iron-mediated induction of delta-aminolevulinate dehydratase also inhibits the increase in the activity of cytochrome oxidase and the enhanced precursor labeling of the mitochondrial subunits of cytochrome oxidase. Protein synthesis on mitoribosomes measured in vivo and in vitro is decreased under conditions of heme deficiency. Hemin addition in vitro to mitochondrial lysates prepared from heme-deficient mycelia restores a near normal rate of protein synthesis. It is concluded that heme is required for the optimal rate of translation on mitoribosomes.

Heme oxygenase-1 in cardiovascular diseases

Myocardial infarction (MI) and heart failure are major causes of morbidity and mortality worldwide. Treatment of MI involves early restoration of blood flow to limit infarct size and preserve cardiac function. MI leads to left ventricular remodeling, which may eventually progress to heart failure, despite the established pharmacological treatment of the disease. To improve outcome of MI, new strategies for protecting the myocardium against ischemic injury and enhancing the recovery and repair of the infarcted heart are needed. Heme oxygenase-1 (HO-1) is a stress-responsive and cytoprotective enzyme catalyzing the degradation of heme into the biologically active reaction products biliverdin/bilirubin, carbon monoxide (CO) and free iron. HO-1 plays a key role in maintaining cellular homeostasis by its antiapoptotic, anti-inflammatory, antioxidative and proangiogenic properties. The present study aimed, first, at evaluating the role of HO-1 as a cardioprotective and prohealing enzyme in experimental rat models and at investigating the potential mechanisms mediating the beneficial effects of HO-1 in the heart. The second aim was to evaluate the role of HO-1 in 231 critically ill intensive care unit (ICU) patients by investigating the association of HO-1 polymorphisms and HO-1 plasma concentrations with illness severity, organ dysfunction and mortality throughout the study population and in the subgroup of cardiac patients. We observed in an experimental rat MI model, that HO-1 expression was induced in the infarcted rat hearts, especially in the infarct and infarct border areas. In addition, pre-emptive HO-1 induction and CO donor pretreatment promoted recovery and repair of the infarcted hearts by differential mechanisms. CO promoted vasculogenesis and formation of new cardiomyocytes by activating c-kit+ stem/progenitor cells via hypoxia-inducible factor 1 alpha, stromal cell-derived factor 1 alpha (SDF-1a) and vascular endothelial growth factor B, whereas HO-1 promoted angiogenesis possibly via SDF-1a. Furthermore, HO-1 protected the heart in the early phase of infarct healing by increasing survival and proliferation of cardiomyocytes. The antiapoptotic effect of HO-1 persisted in the late phases of infarct healing. HO-1 also modulated the production of extracellular matrix components and reduced perivascular fibrosis. Some of these beneficial effects of HO-1 were mediated by CO, e.g. the antiapoptotic effect. However, CO may also have adverse effects on the heart, since it increased the expression of extracellular matrix components. In isolated perfused rat hearts, HO-1 induction improved the recovery of postischemic cardiac function and abrogated reperfusion-induced ventricular fibrillation, possibly in part via connexin 43. We found that HO-1 plasma levels were increased in all critically ill patients, including cardiac patients, and were associated with the degree of organ dysfunction and disease severity. HO-1 plasma concentrations were also higher in ICU and hospital nonsurvivors than in survivors, and the maximum HO-1 concentration was an independent predictor of hospital mortality. Patients with the HO-1 -413T/GT(L)/+99C haplotype had lower HO-1 plasma concentrations and lower incidence of multiple organ dysfunction. However, HO-1 polymorphisms were not associated with ICU or hospital mortality. The present study shows that HO-1 is induced in response to stress in both experimental animal models and severely ill patients. HO-1 played an important role in the recovery and repair of infarcted rat hearts. HO-1 induction and CO donor pretreatment enhanced cardiac regeneration after MI, and HO-1 may protect against pathological left ventricular remodeling. Furthermore, HO-1 induction potentially may protect against I/R injury and cardiac dysfunction in isolated rat hearts. In critically ill ICU patients, HO-1 plasma levels correlate with the degree of organ dysfunction, disease severity, and mortality, suggesting that HO-1 may be useful as a marker of disease severity and in the assessment of outcome of critically ill patients.