Understanding the relationship between central metabolism and virulence in the human pathogen Streptococcus pneumoniae

Dissertation presented to obtain the Ph.D. degree in Biochemistry

Pyruvate kinase and glucose-6-phosphate dehydrogenase deficies and their association with malaria - population genetics and proteomic studies

A malária é reconhecida como uma das principais forças selectivas a actuar na história recente no genoma humano. Inúmeros polimorfismos genéticos têm sido descritos como protectores contra a gravidade da malária, como o alelo HbS (designado de traço falciforme) e o alelo G6PD A- (associado à deficiência de G6PD). Mais recentemente, também a deficiência de PK foi associada com a protecção contra a malária. Evidências desta associação foram obtidas em estudos com modelos de roedor e estudos in vitro utilizando GV humanos deficientes em PK. Até à data, não foram obtidos dados em populações humanas que revelem esta associação: ainda não foi identificada uma variante de PK com uma prevalência elevada em regiões endémicas de malária e não foram identificadas marcas de selecção na região do gene que codifica para a PK (gene PKLR). Além disso, os mecanismos subjacentes à protecção contra a malária por deficiências enzimáticas dos GV não estão bem esclarecidos. Assim, os objectivos do presente estudo foram: investigar os polimorfismos genéticos humanos com associação com a malária em Cabo Verde; pesquisar marcas de selecção da malária na região do gene PKLR em populações Africanas; determinar a frequência da deficiência em PK e identificar uma eventual variante da enzima que possa estar sob selecção positiva em regiões endémicas de malária; avaliar o efeito das duas deficiências enzimáticas (PK e G6PD) na invasão e maturação do parasita em culturas in vitro de Plasmodium usando GV normais e deficientes; e analisar o perfil proteómico de GV infectados e não infectados, normais e com deficiência (em PK e G6PD), bem como de parasitas isolados de GV tanto deficientes como normais. Em Cabo Verde (área epidémica), não foram identificadas marcas de selecção pela malária, através da análise dos vários polimorfismos. No entanto, quando a análise foi realizada em dois países endémicos (Angola e Moçambique), foram detectadas várias marcas de selecção: a genotipagem de microssatélites (STRs) e polimorfismos de base única (SNPs) localizados na vizinhança do gene PKLR revelou uma diferenciação consideravelmente maior entre as populações Africana e Europeia (Portuguesa), do que a diferenciação determinada aquando da utilização de marcadores genéticos neutros. Além disso, uma região genómica de maior amplitude apresentou um Desequilíbrio de Ligação (LD) significativo no grupo de malária não grave (e não no grupo de malária grave), sugerindo que a malária poderá estar a exercer pressão selectiva sobre a região do genoma humano que envolve o gene PKLR. No estudo que incidiu na determinação da prevalência da deficiência de PK no continente Africano (realizado em Moçambique), esta revelou-se elevada - 4,1% - sendo o valor mais elevado descrito até ao momento a nível mundial para esta enzimopatia. Na pesquisa de mutações que pudessem estar na causa deste fenótipo (baixa actividade de PK), foi identificada uma mutação não sinónima 829G>A (277Glu>Lys), significativamente associada à baixa actividade enzimática. Esta mutação foi também identificada em Angola, São Tomé e Príncipe e Guiné Equatorial, onde a frequência de portadores heterozigóticos foi entre 2,6 e 6,7% (valores que se encontram entre os mais elevados descritos globalmente para mutações associadas à deficiência em PK). Não foi possível concluir acerca da associação entre a deficiência de PK e o grau de severidade da malária e da associação entre o alelo 829A e a mesma, devido ao baixo número de amostras. Os resultados dos ensaios de invasão/maturação do parasita sugeriram que, nos GV com deficiência de PK ou G6PD, a invasão (onde está envolvida a membrana do GV hospedeiro e o complexo apical do parasita) é mais relevante para a eventual protecção contra a malária do que a maturação. Os resultados da análise proteómica revelaram respostas diferentes por parte do parasita nas duas condições de crescimento (GV com deficiência de PK e GV com deficiência de G6PD). Esta resposta parece ser proporcional à gravidade da deficiência enzimática. Nos parasitas que cresceram em GV deficientes em G6PD (provenientes de um indivíduo assintomático), a principal alteração observada (relativamente às condições normais) foi o aumento do número de proteínas de choque térmico e chaperones, mostrando que os parasitas responderam às condições de stress oxidativo, aumentando a expressão de moléculas de protecção. Nos parasitas que cresceram em condições de deficit de PK (GV de indivíduo com crises hemolíticas regulares, dependente de transfusões sanguíneas), houve alteração da expressão de um maior número de proteínas (relativamente ao observado em condições normais), em que a maioria apresentou uma repressão da expressão. Os processos biológicos mais representados nesta resposta do parasita foram a digestão da hemoglobina e a troca de proteínas entre hospedeiro e parasita/remodelação da superfície do GV. Além disso, uma elevada percentagem destas proteínas com expressão alterada está relacionada com as fendas de Maurer, que desempenham um papel importante na patologia da infecção malárica. É colocada a hipótese de que a protecção contra a malária em GV deficientes em PK está relacionada com o processo de remodelação da membrana dos GV pelo parasita, o que pode condicionar a invasão por novos parasitas e a própria virulência da malária. Os resultados da análise do proteoma dos GV contribuirão para confirmar esta hipótese.

Study of novel energy metabolism pathways in anaerobic bacteria

Energy conservation in chemotrophic anaerobic bacteria is achieved by two possible processes, substrate level phosphorylation (SLP) and electron transfer phosphorylation (ETP). This second mechanism, also known as respiration, involves chemiosmotic coupling. However, a third mechanism for energy coupling was recently proposed: the flavin-based electron bifurcation (FBEB). (...)

The role of pneumococcal carbon metabolism in colonisation and invasive disease

Streptococcus pneumoniae is a common asymptomatic commensal of the human nasopharynx. However, it is better known as a threatening pathogen that causes serious diseases such as pneumonia, meningitis and sepsis, as well as other less severe but more prevalent infections (e.g. otitis media). With the increase of antibiotic resistance and the limited efficacy of vaccines, pneumococcal infections remain a major problem. Therefore, the discovery of new therapeutic targets and preventive drugs are in high demand.(...)

Development of 3D in vitro models for prediction of hepatic metabolism and toxicity

The development of human cell models that recapitulate hepatic functionality allows the study of metabolic pathways involved in toxicity and disease. The increased biological relevance, cost-effectiveness and high-throughput of cell models can contribute to increase the efficiency of drug development in the pharmaceutical industry. Recapitulation of liver functionality in vitro requires the development of advanced culture strategies to mimic in vivo complexity, such as 3D culture, co-cultures or biomaterials. However, complex 3D models are typically associated with poor robustness, limited scalability and compatibility with screening methods. In this work, several strategies were used to develop highly functional and reproducible spheroid-based in vitro models of human hepatocytes and HepaRG cells using stirred culture systems. In chapter 2, the isolation of human hepatocytes from resected liver tissue was implemented and a liver tissue perfusion method was optimized towards the improvement of hepatocyte isolation and aggregation efficiency, resulting in an isolation protocol compatible with 3D culture. In chapter 3, human hepatocytes were co-cultivated with mesenchymal stem cells (MSC) and the phenotype of both cell types was characterized, showing that MSC acquire a supportive stromal function and hepatocytes retain differentiated hepatic functions, stability of drug metabolism enzymes and higher viability in co-cultures. In chapter 4, a 3D alginate microencapsulation strategy for the differentiation of HepaRG cells was evaluated and compared with the standard 2D DMSO-dependent differentiation, yielding higher differentiation efficiency, comparable levels of drug metabolism activity and significantly improved biosynthetic activity. The work developed in this thesis provides novel strategies for 3D culture of human hepatic cell models, which are reproducible, scalable and compatible with screening platforms. The phenotypic and functional characterization of the in vitro systems performed contributes to the state of the art of human hepatic cell models and can be applied to the improvement of pre-clinical drug development efficiency of the process, model disease and ultimately, development of cell-based therapeutic strategies for liver failure.

Analysis of metabolic flux distributions in relation to the extracellular environment in Avian cells

Continuous cell lines that proliferate in chemically defined and simple media have been highly regarded as suitable alternatives for vaccine production. One such cell line is the AG1.CR.pIX avian cell line developed by PROBIOGEN. This cell line can be cultivated in a fully scalable suspension culture and adapted to grow in chemically defined, calf serum free, medium [1]–[5]. The medium composition and cultivation strategy are important factors for reaching high virus titers. In this project, a series of computational methods was used to simulate the cell’s response to different environments. The study is based on the metabolic model of the central metabolism proposed in [1]. In a first step, Metabolic Flux Analysis (MFA) was used along with measured uptake and secretion fluxes to estimate intracellular flux values. The network and data were found to be consistent. In a second step, Flux Balance Analysis (FBA) was performed to access the cell’s biological objective. The objective that resulted in the best predicted results fit to the experimental data was the minimization of oxidative phosphorylation. Employing this objective, in the next step Flux Variability Analysis (FVA) was used to characterize the flux solution space. Furthermore, various scenarios, where a reaction deletion (elimination of the compound from the media) was simulated, were performed and the flux solution space for each scenario was calculated. Growth restrictions caused by essential and non-essential amino acids were accurately predicted. Fluxes related to the essential amino acids uptake and catabolism, the lipid synthesis and ATP production via TCA were found to be essential to exponential growth. Finally, the data gathered during the previous steps were analyzed using principal component analysis (PCA), in order to assess potential changes in the physiological state of the cell. Three metabolic states were found, which correspond to zero, partial and maximum biomass growth rate. Elimination of non-essential amino acids or pyruvate from the media showed no impact on the cell’s assumed normal metabolic state.

Osteoclastogenesis, inflammatory cytokines and biomarkers of bone metabolism in psoriatic arthritis

RESUMO:A artrite psoriática (AP) é uma doença inflamatória crónica caracterizada por várias manifestações nas articulações, nas enteses e na pele. A formação de novo osso após inflamação nas enteses é um dos aspetos mais intrigantes desta doença. Os mecanismos celulares e moleculares deste processo ainda não são completamente conhecidos. Este estudo tem como objetivo compreender melhor os mecanismos subjacentes à formação e reabsorção óssea, bem como o efeito de anti-inflamatórios não esteroides (AINEs) nestes processos. Para atingir este objetivo foram quantificados biomarcadores do metabolismo ósseo e citocinas inflamatórias em doentes AP, antes e após terapêutica com AINEs. Os biomarcadores selecionados foram marcadores de remodelação óssea como CTX-I e P1NP, fatores de diferenciação e ativação de osteoclastos como o RANKL e a OPG, inibidores da via de sinalização Wnt, nomeadamente o DKK-1 e a SOST e ainda citocinas pro-inflamatórias como a IL-22 e a IL-23 e a prostaglandina PGE2. Neste contexto foram também estabelecidas culturas celulares de monócitos, isoladas de doentes AP e de controlos saudáveis. Os monócitos foram cultivados in vitro em condições não estimuladas e estimuladas e realizados dois ensaios funcionais: coloração com TRAP e ensaio de reabsorção. Foi observada uma diminuição nos níveis séricos de CTX-I e OPG em doentes AP em relação aos controlos. De igual forma os níveis séricos de SOST encontram-se significativamente mais baixos, em comparação com os controlos saudáveis. Estes valores de SOST são semelhantes aos dos doentes com espondilite anquilosante (EA), documentados anteriormente. Os ensaios com osteoclastos confirmaram a necessidade da presença de RANKL para estimulação da osteoclastogénese e que o celecoxib parece ter um papel inibitório neste processo. Os resultados obtidos sugerem que a população de doentes com AP analisados têm baixos níveis de reabsorção óssea e alguma atividade na formação óssea. --------------------------- ABSTRACT: Psoriatic arthritis (PsA) is a chronic inflammatory disease characterized by several manifestations involving the joints, enthesis and the skin. New bone formation after inflammation at enthesis site has been one of the most intriguing aspects of the disease. Cellular and molecular mechanisms in this process are still not completely understood. This study aims to understand better the mechanisms underlying bone formation and resorption and the effect of non-steroid anti-inflammatory drugs (NSAIDs) in these processes. To access that, biomarkers of bone metabolism and inflammatory cytokines were measured in PsA patients’ serum before and after NSAID therapy. These selected biomarkers were bone turnover markers such as CTX-I and P1NP, osteoclast differentiation and activation factors RANKL and OPG, Wnt pathway inhibitors DKK-1 and SOST and pro-inflammatory cytokines IL-22, IL-23 and prostaglandin PGE2. In this context monocyte cell culture was also established after PBMC isolation from PsA patients and healthy controls. Monocytes were cultured in vitro under unstimulated and stimulated conditions and two functional assays were performed: TRAP staining and resorption pit assay. It was demonstrated that CTX-I and OPG serum levels in PsA patients were lower than controls. SOST levels were extremely decreased in comparison with controls, resembling the ankylosing spondylitis patients results already documented. Osteoclast assays confirmed the need of RANKL in stimulating osteoclastogenesis and that celecoxib seems to have an inhibitor role in this process. The results obtained suggest that PsA patient population analyzed in this study have low bone resorption levels and some bone formation activity.

The role of s-nitrosothiols and rho-kinase 1 in glucose and lipid metabolism

RESUMO: Na sociedade contemporânea a diabetes tipo 2 e a obesidade estão a aumentar exponencialmente, representando um grave problema de saúde pública. De acordo com a IDF “A diabetes e a obesidade são o principal problema de saúde pública do século XXI’. Para além destas duas patologias, a prevalência de esteatose hepática não-alcoólica (NAFLD), entre a população obesa e diabética, é de cerca de 90%. O aumento da obesidade, diabetes e NAFLD tem uma forte correlação com o aumento do consumo de gorduras e açúcares, acompanhado de um decréscimo acentuado da actividade física. A obesidade, diabetes e NAFLD tem sido escrupolosamente investigada mas as terapêuticas disponíveis continuam a ser muito limitadas. Tendo em conta o número crescente e alarmante de obesos e diabéticos o conhecimento detalhado da patofisiologia da obesidade, diabetes e NAFLD, tendo em vista a necessidade extrema de desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas, é da mais elevada urgência. O fígado é reconhecido como um orgão primordial no controlo da homeostase. No estado pós-prandial, o fígado converte a glucose em glicogénio e lípidos. Em contraste, no estado de jejum, o fígado promove a produção de glucose. Sistemas neuronais e hormonais, bem como o estado metabólico do fígado, controlam de forma muito precisa a alternância entre os diferentes substratos metabólicos, dependente do estado prandial. A insulina tem um papel central no controlo do metabolismo energético no fígado; se, por um lado, inibe a produção hepática de glucose e corpos cetónicos, por outro, promove a glicólise e a lipogénese. O metabolismo energético no fígado é também regulado por vários factores de transcrição e co-reguladores que, por sua vez, são regulados pela insulina, glucagina e outras hormonas metabólicas. Em conjunto, todos estes factores e reguladores vão controlar de forma muito estreita a gluconeogénese, a β-oxidação e a lipogénese, no fígado. Para além dos já conhecidos reguladores do metabolismo hepático, novas moléculas têm sido estudadas como tendo um papel fundamental na regulação do metabolismo energético no fígado. Qualquer desequilíbrio no metabolismo hepático vai contribuir para a insulino-resistência, NAFLD e diabetes tipo 2. O principal objectivo do trabalho de investigação aqui apresentado é o contributo para o estudo detalhado da patogénese da diabetes e obesidade, num contexto de dietas ricas em açúcares e gorduras, e com a perspectiva de explorar novas estratégias terapêuticas. Os objectivos específicos deste trabalho eram: primeiro, determinar se o tratamento com glutationo (GSH) e óxido nítrico (NO) era suficiente para melhorar a insulino-resistência associada ao elevado consumo de sacarose; segundo, determinar o papel da Rho-kinase 1 (ROCK1) na regulação do metabolismo hepático da glucose e dos lípidos; e terceiro, estudar o efeito do metilsulfonilmetano (MSM) em doenças metabólicas associadas à obesidade. Na primeira parte deste trabalho de investigação foram utilizados ratos Wistar machos sujeitos a uma dieta rica em sacarose (HS). Tal como esperado, estes animais apresentavam insulino-resistência e hiperinsulinémia. A dieta HS levou ao aumento dos níveis hepáticos de NO e ao decréscimo dos níveis de GSH no fígado. Em jejum, a administração intraportal de GSH e NO, a animais saudáveis promoveu um aumento significativo da sensibilidade à insulina. Também nestes animais, a administração intravenosa de S-nitrosotióis, compostos orgânicos que contém um grupo nitroso acoplado a um átomo de enxofre de um tiol, promoveu o aumento significativo da sensibilidade à insulina. Pelo contrário, em animais sujeitos à dieta HS, as doses padrão de GSH + NO e de S-nitrosotióis não conseguiram promover o aumento da sensibilidade à insulina. No entanto, ao aumentar a dose de S-nitrosotióis administrados por via intravenosa, foi possível observar o aumento da sensibilidade à insulina dependente da dose, indicando um possível papel dos S-nitrosotióis como sensibilizadores de insulina. O estudo detalhado do papel dos S-nitrosotióis na via de sinalização da insulina revelou que há um aumento da fosforilação do receptor da insulina (IR) e da proteína cinase B (Akt), sugerindo um efeito dos S-nitrosotióis nesta via de sinalização. Os resultados apresentados nesta primeira parte sugerem que os S-nitrosotióis promovem a correcta acção da insulina, podendo vir a ser importantes alvos terapêuticos. Na segunda parte deste trabalho de investigação utilizámos murganhos, com uma delecção específica da ROCK1 no fígado, e sujeitos a uma dieta rica em lípidos (HFD). Foi possível concluir que a ausência da ROCK1 no fígado previne a obesidade, melhora a sensibilidade à insulina e protege contra a esteatose hepática. A ausência de ROCK1 no fígado levou a um decréscimo significativo da expressão génica de genes associados à lipogénese, com uma diminuição acentuada do fluxo metabólico associado a esta via. Pelo contrário, a sobreexpressão de ROCK1, exclusivamente no fígado, promove a insulino-resistência e a esteatose hepática no contexto de obesidade induzida pela dieta. Para além disto, a delecção da ROCK1 no fígado de animais obesos e diabéticos, os murganhos deficientes em leptina, corroborou os dados obtidos no primeiro modelo animal, com a franca melhoria da hiperglicémia, hiperinsulinémia e esteatose hepática. Os dados que compõem esta parte do trabalho de investigação sugerem que a ROCK1 tem um papel crucial na regulação do metabolismo lipídico. Na terceira e última parte deste trabalho de investigação foi investigado o efeito do composto metilsulfunilmetano (MSM), um composto organosulfúrico naturalmente presente em plantas e utilizado também como suplemento dietético, em murganhos obesos e insulino-resistentes, por exposição a uma dieta rica em lípidos (DIO). O tratamento com MSM melhorou a insulino-resistência e protegeu contra a esteatose hepática. O conteúdo hepático em triglicéridos e colesterol também diminuíu de forma significativa nos animais DIO sujeitos ao tratamento com MSM, bem como a expressão génica associada à lipogénese. Para além disto, o tratamento com MSM levou a uma diminuição da expressão génica associada à inflamação. De realçar que o tratamento com MSM levou a uma melhoria do perfil hematopoiético destes animais, tanto na medula óssea como no sangue. Para comprovar o efeito benéfico do MSM na obesidade e insulino-resistência utilizámos murganhos deficientes no receptor da leptina, e por isso obesos e diabéticos, tendo observado um perfil semelhante ao obtido para murganhos sujeitos a uma dieta rica em lípidos e tratados com MSM. Concluímos, através dos dados recolhidos, que o MSM como suplemento pode ter efeitos benéficos na hiperinsulinémia, insulino-resistência e inflamação que caracterizam a diabetes tipo 2. Em resumo, os dados obtidos neste trabalho de investigação mostram que os S-nitrosotióis podem ter um papel importante como sensibilizadores da insulina, promovendo um aumento da sensibilidade à insulina num contexto de dietas ricas em sacarose. Para além disto, estudos in vitro, sugerem que os S-nitrosotióis regulam, especificamente, a via de sinalização da insulina. Este trabalho teve também como objectivo o estudo da ROCK1 como regulador do metabolismo da glucose e dos lípidos no fígado. Através do estudo de animais com uma delecção ou uma sobreexpressão da ROCK1 no fígado mostrou-se que esta tem um papel crucial na patogénese da obesidade e diabetes tipo 2, especificamente através do controlo da lipogénese de novo. Finalmente, foi também objectivo deste trabalho, explorar o efeito do MSM em animais DIO e deficientes em leptina. O tratamento com MSM protege de forma evidente contra a obesidade e insulino-resistência, com especial enfâse para a capacidade que esta molécula demonstrou ter na protecção contra a inflamação. Em conjunto os vários estudos aqui apresentados mostram que tanto os S-nitrosotióis como a ROCK1 têm um papel na patogénese da obesidade e diabetes tipo 2 e que a utilização de MSM como suplemento às terapêuticas convencionais pode ter um papel no tratamentos de doenças metabólicas.-------------------------------ABSTRACT: In modern western societies type 2 diabetes and obesity are increasing exponentially, representing a somber public concern. According to the International Diabetes Federation (IDF) ‘Diabetes and Obesity are the biggest public health challenges of the 21st century’. Aside from these the prevalence of nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD), among the diabetic and obese population, is as high as 90%. It is now well established that the increase in obesity, diabetes and NAFLD strongly correlates with an increase in fat and sugar intake in our diet, alongside physical inactivity. The pathogenesis of obesity, diabetes and NAFLD has been thoroughly studied but the treatment options available are still narrow. Considering the alarming number in the obese and diabetic population the complete understanding of the pathogenesis, keeping in mind that new therapeutic strategies need to be attained, is of the highest urgency. The liver has been well established as a fundamental organ in regulating whole-body homeostasis. In the fed state the liver converts the glucose into glycogen and lipids. Conversely, in the fasted state, glucose will be produced in the liver. Neuronal and hormonal systems, as well as the hepatic metabolic states, tightly control the fast to fed switch in metabolic fuels. Insulin has a central role in controlling hepatic energy metabolism, by suppressing glucose production and ketogenesis, while stimulating glycolysis and lipogenesis. Liver energy metabolism is also regulated by various transcription factors and coregulators that are, in turn, regulated by insulin, glucagon and other metabolic hormones. Together, these regulators will act to control gluconeogenesis, β-oxidation and lipogenesis in the liver. Aside from the well-established regulators of liver energy metabolism new molecules are being studied has having a role in regulating hepatic metabolism. Any imbalance in the liver energy metabolism is a major contributor to insulin resistance, NAFLD and type 2 diabetes. The overall goal of this research work was to contribute to the understanding of the pathogenesis of diabetes and obesity, on a setting of high-sucrose and high-fat diets, and to explore potential therapeutic options. The specific aims were: first, to determine if treatment with glutathione (GSH) and nitric oxide (NO) was sufficient to ameliorate insulin resistance induced by high-sucrose feeding; second, to determine the physiological role of rho-kinase 1 (ROCK1) in regulating hepatic and lipid metabolism; and third, to study the effect of methylsulfonylmethane (MSM) on obesity-linked metabolic disorders. In the first part of this research work we used male Wistar rats fed a high-sucrose (HS) diet. As expected, rats fed a HS diet were insulin resistant and hyperinsulinemic. HS feeding increased hepatic levels of NO, while decreasing GSH. In fasted healthy animals administration of both GSH and NO, to the liver, was able to increase insulin sensitivity. Intravenous administration of S-nitrosothiols, organic compounds containing a nitroso group attached to the sulfur atom of a thiol, in fasted control animals also increased insulin sensitivity. Under HS feeding the standard doses of GSH + NO and S-nitrosothiols were unable to promote an increase in insulin sensitivity. However, the intravenous administration of increasing concentrations of S-nitrosothiols was able to restore insulin sensitivity, suggesting that S-nitrosothiols have an insulin sensitizing effect. Investigation of the effect of S-nitrosothiols on the insulin signaling pathway showed increased phosphorylation of the insulin receptor (IR) and protein kinase B (Akt), suggesting that S-nitrosothiols may have an effect on the insulin signaling pathway. Together, these data showed that S-nitrosothiols promote normal insulin action, suggesting that they may act as potential pharmacological tools. In the second part of this research work we used liver-specific ROCK1 knockout mice fed a high-fat (HF) diet. Liver-specific deletion of ROCK1 prevented obesity, improved insulin sensitivity and protected against hepatic steatosis. Deficiency of ROCK1 in the liver caused a significant decrease in the gene expression of lipogenesis associated gene, ultimately leading to decreased lipogenesis. Contrariwise, ROCK1 overexpression in the liver promoted insulin resistance and hepatic steatosis in diet-induced obesity. Furthermore, liver-specific deletion of ROCK1 in obese and diabetic mice, the leptin-deficient mice, improved the typical hyperglycemia, hyperinsulinemia and liver steatosis. Together, these data identify ROCK1 as a crucial regulator of lipid metabolism. In the third and final part of this research work we investigated the effect of MSM, an organosulfur compound naturally found in plants and used as a dietary supplement, on diet-induced obese (DIO) and insulin resistant mice. MSM treatment ameliorated insulin resistance and protected against hepatosteatosis. Hepatic content in triglycerides and cholesterol was significantly decreased by MSM treatment, as well as lipogenesis associated gene expression. Furthermore, MSM treated mice had decreased inflammation associated gene expression in the liver. Importantly, FACS analysis showed that MSM treatment rescued the inflammatory hematopoietic phenotype of DIO mice in the bone marrow and the peripheral blood. Moreover, MSM treatment of the obese and diabetic mice, the leptin-deficient mice, resulted in similar effects as the ones observed for DIO mice. Collectively, these data suggest that MSM supplementation has a beneficial effect on hyperinsulinemia, insulin resistance and inflammation, which are often found in type 2 diabetes. In conclusion, this research work showed that S-nitrosothiols may play a role as insulin sensitizers, restoring insulin sensitivity in a setting of high-sucrose induced insulin resistance. Furthermore, in vitro studies suggest that S-nitrosothiols specifically regulate the insulin signaling pathway. This research work also investigated the role of hepatic ROCK1 in regulation of glucose and lipid metabolism. Using liver-specific ROCK 1 knockout and ROCK1 overexpressing mice it was shown that ROCK1 plays a role in the pathogenesis of obesity and type 2 diabetes, specifically through regulation of the de novo lipogenesis pathway. Finally, this research work aimed to explore the effect of MSM in DIO and leptin receptor-deficient mice. MSM strongly protects against obesity and insulin resistance, moreover showed a robust ability to decrease inflammation. Together, the individual studies that compose this dissertation showed that S-nitrosothiols and ROCK1 play a role in the pathogenesis of obesity and type 2 diabetes and that MSM supplementation may have a role in the treatment of metabolic disorders.

Engineering of fatty acid production and secretion in Saccharomyces cerevisiae

Tese de Doutoramento em Ciências - Especialidade em Biologia

Improvement of in silico strain engineering methods in Saccharomyces cerevisiae

PhD thesis in Bioengineering

[Editorial] Current challenges in modeling cellular metabolism

The authors would like to thank the financial support from the NovoNordiskFoundation.

Reprogramming energy metabolism and inducing angiogenesis : co-expression of monocarboxylate transporters with VEGF family members in cervical adenocarcinomas

Reprogramming energy metabolism and inducing angiogenesis: co-expression of monocarboxylate transporters with VEGF family members in cervical adenocarcinomas.

Current Challenges in Modeling Cellular Metabolism

Mathematical and computational models play an essential role in understanding the cellular metabolism. They are used as platforms to integrate current knowledge on a biological system and to systematically test and predict the effect of manipulations to such systems. The recent advances in genome sequencing techniques have facilitated the reconstruction of genome-scale metabolic networks for a wide variety of organisms from microbes to human cells. These models have been successfully used in multiple biotechnological applications. Despite these advancements, modeling cellular metabolism still presents many challenges. The aim of this Research Topic is not only to expose and consolidate the state-of-the-art in metabolic modeling approaches, but also to push this frontier beyond the current edge through the introduction of innovative solutions. The articles presented in this e-book address some of the main challenges in the field, including the integration of different modeling formalisms, the integration of heterogeneous data sources into metabolic models, explicit representation of other biological processes during phenotype simulation, and standardization efforts in the representation of metabolic models and simulation results.

Lipid metabolism in rats fed diets containing different types of lipids

OBJECTIVE: To assess the effect of different types of lipid diets on the lipid metabolism of aging rats. METHODS: Fifty male Wistar rats were studied from the time of weaning to 12 and 18 months of age. Their diets were supplemented as follows: with soybean oil (S), canola oil (CA), lard and egg yolk (LE), and canola oil + lard and egg yolk (CA + LE). Blood pressure (BP) was measured every month, and the heart/body ratio (H/BR) was determined. The rats were euthanized at the age of 12 and 18 months, and blood samples were collected for lipid analysis as follows: total cholesterol (TC), LDL-C, VLDL-C, HDL-C, triglycerides (TG), and glucose. RESULTS: The type of oil ingested by the animals significantly altered BP, H/BR, and serum lipid levels in rats at 12 and 18 months. No difference was observed in the survival curve of the animals in the different groups. The LE group had the highest BP, and the CA group was the only one in which BP did not change with aging. A reduction in the H/BR was observed in the LE and CA+LE animals. At the age of 12 months, differences in TC, HDL-C, LDL-C, VLDL-C, TG, and glucose were observed. At the age of 18 months, a significant difference in TC, HDL-C, and glucose was observed. The highest TC value was found in the CA group and the lowest in the S group. CONCLUSION: No increase in BP occurred, and an improvement was evident in the lipid profile of rats fed a diet supplemented with CA, in which an elevation in HDL-C levels was observed, as compared with levels with the other types of diet.

Regulación transcripcional y relación entre estructura y función de proteínas relacionadas con el metabolismo de colina en Pseudomonas aeruginosa. Transcriptional regulation and relationship between structure and function of proteins related with the choline metabolism in Pseudomonas aeruginosa.

El objetivo general de este proyecto es dilucidar los mecanismos de acción a nivel molecular de enzimas y proteínas involucradas en el metabolismo de colina en Pseudomonas aeruginosa, con énfasis en la identificación de residuos aminoacídicos críticos y regulación de la expresión de los genes en estudio. Los objetivos específicos que se palntean involucran abordajes bioquímicos y moleculares y serán llevados a cabo mediante técnicas de biología molecular y bioquímica (mutación sitio-dirigida, deleción génica, expresión y purificación de proteínas, fusión transcripcional a genes reporteros, etc). Planteo de hipótesis: las proteínas que se inducen por colina (fosforilcolina fosfatasa (PchP), fosfolipasa C (PlcH), acetilcolinestera (AchE), proteínas periplásmicas unidoras de colina (PUch) podrían compartir: a) una organización génica y responder a la regulación por proteínas regulatorias o a factores ambientales de manera similar; b) residuos aminoacídicos conservados que intervengan en la unión o interacción con diferentes ligandos, principalmente, colina. Para ello, se plantean los siguientes Objetivos Específicos: 1) identificar las zonas promotoras de los genes que codifican para PchP, PlcH, AchE y PUch, a fin de localizar posibles sitios de unión a proteínas reguladoras y los factores ambientales que afectan la actividad promotora. 2) determinar en las proteínas mencionadas los residuos aminoacídicos de importancia involucrados en la catálisis y en la interacción con ligandos, principalmente en la unión a compuestos de alquilamonio; 3) Se iniciarán estudios que demuestren la relación entre la inducción por colina de varios factores de patogenicidad la virulencia del microorganismo, empleando mutantes simples o múltiples en estos factores y como modelo de patogenicidad el nematodo C. elegans. A partir de los resultados obtenidos se pretende tener un conocimiento profundo sobre la regulación molecular y bioquímica de varias enzimas comprometidas en la patología que produce P. aeruginosa. Esto más el conocimiento de la fisiología de este microorganismo abre el camino para la búsqueda de posibles blancos de acción de drogas. Por otro lado, se espera tener un conocimiento integral sobre la regulación de la expresión de las actividades enzimáticas relacionadas con el metabolismo de colina y la respuesta de P. aeruginosa ante la presencia de compuestos de alquilamonio utilizados como nutrientes. Se espera conocer el papel que desempeña cada uno de los sitios de unión a los diferentes ligandos para el funcionamiento y control de las enzimas mencionadas y explicar el comportamiento diferencial de las enzimas frente a distintos sustratos y otros ligandos. El conocimiento de los sitios de unión a compuestos de alquilamonio permitirá encontrar esos dominios en diferentes proteínas del género Pseudomonas y otras bacterias Gram negativas. Desde el punto de vista evolutivo, se podrá comparar la similitud de los sitios de unión a colina entre proteínas de organismos eucariotas con procariotas (ej. PUch de bacterias Gram positivas, transportadores de colina, proteína C reactiva, AchE de eucariotas contra las encontradas en bacterias del género Pseudomonas, fosfolipasas A, C o D, etc.). Este proyecto permitirá concretar al menos dos tesis doctorales (Sanchez, Otero) más varios trabajos finales de grado (tesinas) que son y serán realizados por alumnos de la carrera de Microbiología en la UNRC. Les permitirá a los doctorandos y a los alumnos de grado adquirir una formación bastante integral ya que utilizarán herramientas de la fisiología general bacteriana, de la bioquímica clásica, de la biología molecular y de la bioinformática.