Mechanisms of antifungal resistance in the opportunistic fungus Aspergillus fumigatus

ABSTRACT Aspergillus fumigatus is one of the most prevalent airbone fungal pathogen and can cause severe fatal invasive aspergillosis in immunocompromised patients. Several antifungal agents are available to treat these infections but with limited success. These agents include polyenes (amphotericin B), echinocandins (caspofungin) and azoles, which constitute the most important class with itraconazole (ITC) and voriconazole as major active compounds. Azole-derived antifungal agents target the ergosterol biosynthesis pathway via the inhibition of the lanosterol 14α-demethylase (cyp51/ERG1 1), a cytochrome P450 responsible for the conversion of lanosterol to ergosterol, which is the main component of cell membrane in fungi. A. fumigatus is also found in the environment as a contaminant of rotting plant or present in composting of organic waste. Among antifungal agents used in the environment for crop protection, the class of azoles is also widely used with propiconazole or prochloraz as examples. However, other agents such as dicarboximide (iprodione), phenylamide (benalaxyl) or strobilurin (azoxystrobin) are also used. Emergence of clinical azole-resistant isolates has been described in several European countries. However the incidence of antifungal resistance has not been yet reported in details in Switzerland. In this study, the status of antifungal resistance was investigated on A. fumigatus isolates collected from Swiss hospitals and from different environmental sites and. tested for their susceptibility to several currently used antifungal agents. The data showed a low incidence of resistance for all tested agents among clinical and environmental isolates. Only two azole-resistant environmental isolates were detected and none among the clinical tested isolates. In general, A. fumigatus was susceptible to all antifungals tested in our study, except to azoxystrobin which was the less active agent against all isolates. Since mechanisms of antifungal resistance have been poorly investigated until now in A. fumigatus, this work was aimed 1) to identify A. fumigatus genes involved in antifungal resistance and 2) to test their involvement in the development of resistance in sampled isolates. Therefore, this work proposed to isolate A. fumigatus genes conferring resistance to a drug-hypersusceptible Saccharomyces cerevisiae strain due to a lack of multidrug transporter genes. Several genes were recovered including three distinct efflux transporters (atrF, atrH and mdrA) and a bZip transcription factor, yapA. The inactivation of each transporter in A. fumigatus indicated that the transporters were involved in the basal level of azole susceptibility. The inactivation of YapA led to a hypersusceptibility to H2O2, thus confirming the involvement of this gene in the oxidative stress response of A. fumigatus. The involvement of the abovementioned transporters genes and of other transporters genes identified by genome analysis in azole resistance was tested by probing their expression in some ITC-resistant isolates. Even if upregulation of some transporters genes was observed in some investigated isolates, the correlation between azole resistance and expression levels of all these transporters genes could not be clearly established for all tested isolates. Given these results, the present work addressed 1) alteration in the expression of cyp51A encoding for the azole target enzyme, and 2) mutation(s) in the cyp51A sequence as potential mechanisms of azote resistance in A. . However, overexpression of cyp51A in the investigated isolates was not linked with azote resistance. Since it was reported that mutation(s) in cyp51A were participating in azote resistance in A. fumigatus, a functional complementation of cyp51A cDNAs from ITC-resistant A. fumigatus strains in S. cerevisiae ergl 1 Δ mutant strain was attempted. Expression in S. cerevisiae allowed the testing of these cDNAs with regards to their functionality and involvement in resistance to specific azote compounds. We could demonstrate that Cyp51A protein with a G54E or M220K mutations conferred resistance to specific azoles in S. cerevisiae, therefore suggesting that these mutations were important for the development of azote resistance in A. fumigatus. In conclusion, this work showed a correlation between ITC resistance and mechanisms involving overexpression of transporters and cyp51A mutations in A. fumigatus isolates. However, azole resistance of some isolates has not been solved and thus it will be necessary to approach the study of resistance mechanisms in this fungal species using alternative methodologies. RESUME Aspergillus fumigatus est un champignon opportuniste répandu et est la cause d'aspergilloses invasives le plus souvent fatales chez des patients immunodéprimés. Plusieurs antifongiques sont disponibles afin de traiter ces infections, cependant avec un succès limité. Ces agents incluent les polyènes (amphotericin B), les échinocandines (caspofungin) et les azoles, qui représentent la plus importante classe d'antifongiques avec l'itraconazole (ITC) et le voriconazole comme principaux agents actifs. Les dérivés azolés ciblent la voie de biosynthèse de l'ergostérol via l'inhibition de la lanostérol 14α-demethylase (cyp51/ERG11), un cytochrome P450 impliqué dans la conversion du lanostérol en ergostérol, qui est un composant important de la membrane chez les champignons. A. fumigatus est également répandu dans l'environnement. Parmi les antifongiques employés en agriculture afin de protéger les cultures, les azoles sont aussi largement utilisés. Cependant, d'autres agents tels que les dicarboximides (iprodione), les phenylamides (benalaxyl) et les strobilurines (azoxystrobin) peuvent être également utilisés. L'émergence de souches cliniques résistantes aux azoles a été décrite dans différents pays européens. Cependant, l'incidence d'une telle résistance aux azoles n'a pas encore été reportée en détails en Suisse. Dans ce travail, l'émergence de la résistance aux antifongiques a été étudiée par analyse de souches d'A. fumigatus provenant de milieux hospitaliers en Suisse et de différents sites et leur susceptibilité testée envers plusieurs antifongiques couramment utilisés. Les données obtenues ont montré une faible incidence de la résistance parmi les souches cliniques et environnementales pour les agents testés. Seulement deux souches environnementales résistantes aux azoles ont été détectées et aucune parmi les souches cliniques. Les mécanismes de résistance aux antifongiques ayant été très peu étudiés jusqu'à présent chez A. fumigatus , ce travail a eu aussi pour but 1) d'identifier les gènes d' A. fumigatus impliqués dans la résistance aux antifongiques et 2) de tester leur implication dans la résistance de certaines souches. Ainsi, il a été proposé d'isoler les gènes d' A. fumigatus pouvant conférer une résistance aux antifongiques à une souche de Saccharomyces cerevisiae hypersensible aux antifongiques. Trois transporteurs à efflux (atrF, atrH et mdrA) et un facteur de transcription appartenant à la famille des bZip (YapA) ont ainsi été isolés. L'inactivation, dans une souche d'A. fumigatus, de chacun des ces transporteurs a permis de mettre en évidence leur implication dans la susceptibilité d'A. fumigatus aux antifongiques. L'inactivation de YapA a engendré une hypersusceptibilité à l' H2O2, confirmant ainsi le rôle de ce gène dans la réponse au stress oxydatif chez A . fumigatus. La participation dans la résistance aux antifongiques des gènes codant pour des transporteurs ainsi que d'autres gènes identifiés par analyse du génome a été déterminée en testant leur niveau d'expression dans des souches résistantes à l'ITC. Bien qu'une surexpression de transporteurs ait été observée dans certaines souches, une corrélation entre la résistance à l'ITC et les niveaux d'expression de ces transporteurs n'a pu être clairement établie. Ce présent travail s'est donc porté sur l'étude de 2 autres mécanismes potentiellement impliqués dans la résistance aux azoles : 1) la surexpression de cyp51A codant pour l'enzyme cible et 2) des mutations dans cyp51A. Cependant, la surexpression de cyp51A dans les souches étudiées n'a pas été constatée. L'effet des mutations de cyp51A dans la résistance aux azoles a été testée par complémentation fonctionnelle d'une souche S. cerevisiae déletée dans son gène ERG11. L'expression de ces gènes chez S. cerevisiae a permis de démontrer que les protéines Cyp51Ap contenant une mutation G54E ou M220K pouvaient conférer une résistance spécifique à certains azoles, ainsi suggérant que ces mutations pourraient être importantes dans le développement d'une résistance aux azoles chez A. fumigatus. En conclusion, ce travail a permis de mettre en évidence, dans des souches d'A. fumigatus , une corrélation entre leur résistance à l' ITC et les mécanismes impliquant une surexpression de transporteurs et des mutations dans cyp51A. Cependant, ces mécanismes n'ont pu expliquer la résistance aux azoles de certaines souches et c'est pourquoi de nouvelles approches doivent être envisagées afin d'étudier ces mécanismes.

Comparação de métodos para a observação de fungos micorrízicos arbusculares e endofíticos do tipo dark septate em espécies nativas de Cerrado

As espécies vegetais de Cerrado sensu stricto apresentam estratégias adaptativas às condições edáficas e climáticas de altos investimentos em fotoassimilados, nutrientes e água para sua estruturação. A simbiose entre fungos e raízes de plantas é uma importante adaptação radicular que auxilia as plantas na absorção de nutrientes e água do solo, sendo determinantes para a sobrevivência no Cerrado. Com o objetivo de estudar fungos micorrízicos arbusculares (FMAs) e fungos endofíticos do tipo dark septate (DSEFs) nas raízes de algumas espécies arbóreas e herbáceas, nativas do Cerrado sensu stricto, foram testados diferentes métodos para melhor observação das estruturas fúngicas em simbiose. O melhor método de clarificação foi observado quando as raízes foram autoclavadas a 121 °C em KOH 2 %, por 20 min, e com a subseqüente transferência para solução nova de KOH 2 %, por 24 h, em temperatura ambiente. Este procedimento foi repetido e, em seguida, essas amostras foram imersas em H2O2 2 % por 2 h. Os arbúsculos foram observados com maiores detalhes após a inclusão em resina, seccionamento e coloração com azul-de-toluidina. Todas as espécies avaliadas encontravam-se colonizadas por FMAs, e apenas em Xylopia aromatica não se observaram os DSEFs. As espécies herbáceas apresentaram maiores freqüências de colonização micorrízica do que as arbóreas. O caráter generalista dos FMAs e DSEFs observado nas espécies vegetais do Cerrado sensu stricto sugere a importância dessas simbioses como mecanismo adaptativo às condições de Cerrado.

Avaliação da disponibilidade de nitrogênio no solo para o trigo em Latossolo Vermelho do Distrito Federal

Em razão da grande importância do nitrogênio na nutrição mineral das plantas, instalou-se um experimento em condições de campo em um Latossolo Vermelho, no ano agrícola 2005, no campo experimental da Embrapa Cerrados, Planaltina (DF), com o objetivo de realizar a calibração de métodos de determinação desse nutriente no solo para a cultura do trigo. Utilizou-se o delineamento experimental de blocos ao acaso com seis repetições, e os tratamentos foram seis doses de N: 0, 70, 140, 210, 280 e 350 kg ha-1. Amostras de solo das camadas de 0-20 e 20-40 cm foram retiradas, e três diferentes extratores químicos foram utilizados para avaliação da disponibilidade de N no solo. Os maiores coeficientes de determinação, obtidos pela regressão quadrática entre a produtividade do trigo e o N do solo extraído pelos diferentes extratores, foram observados nas análises das amostras da camada de 0-20 cm, de acordo com a seguinte ordem: KCl 2 mol L-1 a 100 °C (R2 = 0,997**) > H2O2/MnO2 (R² = 0,992**) > tampão pH 11,2 + NO3- (R² = 0,985**) > tampão pH 11,2 (R² = 0,960**). Os elevados valores dos coeficientes de determinação indicam que a camada de 0-20 cm é a mais recomendada em análises de rotina de N no solo para o trigo. Considerando a simplicidade de análise e o elevado coeficiente de determinação, o método da solução-tampão pH 11,2 + NO3- pode ser indicado para análise de rotina de N no solo. Os níveis críticos econômicos de N no solo calculados pelos diferentes extratores químicos, para as relações preço do quilograma de N/preço do quilograma do trigo de 5 a 7, foram: 90 a 68 mg kg-1 (H2O2/MnO2), 87 a 66 mg kg-1 (KCl 2M a 100 ºC), 81 a 62 mg kg-1 (tampão pH 11,2 + NO3-) e 64 a 47 mg kg-1 (tampão pH 11,2). Já os níveis críticos calculados pelo método matemático de Cate - Nelson foram: 94 mg kg-1 (H2O2/MnO2), 90 mg kg-1 (KCl 2M a 100 ºC), 82 mg kg-1 (tampão pH 11,2 + NO3-) e 61 mg kg-1 (tampão pH 11,2).

Cádmio, cromo, chumbo e zinco em plantas de milho e em latossolo após nove aplicações anuais de lodo de esgoto

As maiores limitações para o uso do lodo de esgoto em áreas agrícolas são os riscos de contaminação do solo com metais pesados e sua possível transferência para a cadeia alimentar. Objetivou-se, com este estudo, avaliar os teores de Cd, Cr, Pb e Zn no solo, utilizando-se dois métodos de extração (HNO3 + H2O2 + HCl e HClO4 + HF), o acúmulo destes elementos em plantas de milho cultivadas em Latossolo Vermelho eutroférrico no nono ano de aplicação de lodo de esgoto, bem como seus efeitos na produção de matéria seca e na produtividade de grãos. O experimento foi instalado em condições de campo em Jaboticabal-SP, no delineamento em blocos casualizados, com quatro tratamentos e cinco repetições. Os tratamentos corresponderam a doses acumuladas por nove anos consecutivos de lodo de esgoto (45,0; 90,0 e 127,5 t ha-1, base seca) e um tratamento testemunha que recebeu fertilização mineral com base na análise de solo. O lodo de esgoto foi aplicado manualmente e incorporado ao solo com grade a 0,1 m de profundidade antes da semeadura do milho. Os teores médios de Cd no solo não variaram em função das doses de lodo e dos métodos de extração. Por outro lado, os teores médios de Cr, Pb e Zn no solo obtidos pela digestão com HClO4 + HF foram de 72,4; 31,8 e 62,3 %, respectivamente, superiores àqueles encontrados pela digestão que empregou HNO3 + H2O2 + HCl. Contudo, quando se avaliou apenas o efeito das doses de lodo no solo, em ambos os métodos de extração, verificou-se diferença entre os tratamentos apenas para a concentração de Zn no solo. Exceto o Cd, que não foi detectado, de modo geral, os teores e os acúmulos de Cr, Pb e Zn nas partes das plantas de milho aumentaram com as aplicações de lodo de esgoto. Os teores de Cr, Pb e Zn nos grãos, quando detectados, permaneceram abaixo dos limites máximos estabelecidos para o consumo humano conforme a legislação brasileira. A adição de lodo de esgoto e a fertilização mineral, por longo período, apresentaram efeitos semelhantes na produção de matéria seca e na produtividade de grãos de milho.

Soil phosphorus fractions in sandy soils amended with cattle manure for long periods

Phosphorus fractions were determined in soil samples from areas fertilized or not with farmyard cattle manure (FYM) and in samples of FYM used in the semi-arid region of Paraiba state, Brazil. Soil samples were taken from the 0-20; 20-40 and 40-60 cm layers of 18 cultivated areas, which, according to interviews with farmers, had been treated with 12 to 20 t ha-1 FYM annually, for the past 2 to 40 years. Soil samples were also collected from four unfertilized pasture areas as controls. Phosphorus in the soil samples was sequentially extracted with water (Pw), resin (Pres), NaHCO3 (Pi bic and Po bic), NaOH (Pi hid and Po hid), H2SO4 (Pacid) and, finally, by digestion with H2SO4/H2O2 (Presd). Nine FYM samples were extracted with water, resin, Mehlich-1, H2SO4, NaOH or digestion with H2SO4/H2O2, not sequentially, and the extracts analyzed for P. The sampled areas had homogeneous, sandy and P-deficient soils; increases in total soil P (Pt) above the mean value of the control areas (up to 274 mg kg-1 in the 0-20 cm layer of the most P-enriched samples) were therefore attributed to FYM applications, which was the only external P input in the region. Regression analysis was used to study the relationship between soil P fractions and Pt. The Pacid fraction, related to Ca-P forms, showed the greatest increases (p < 0.01) as a result of FYM applications, rising from 8.4 mg kg-1 in a non-fertilized sample to 43.8 mg kg-1 in the sample with the highest Pt content. The sum of Pw, Pres and Pi bic, considered as labile P, showed comparable increases with Pacid, while Pi hid showed the smallest increase due to FYM applications. Organic P forms also increased, more so the fraction Po hid, considered less labile, than the more labile one, Po bic. The residual P fraction was practically half of Pt, independently of the Pt value. Increases in labile P, Pacid and organic P were justified by the high average concentration of Pw (36 %), Pacid (34 %), and Po hid (30 %) in the FYM. Significant changes in the proportion of P forms among soil layers indicated the downward movement of P in organic forms.

Indicadores de qualidade de solos em área de mineração e metalurgia de chumbo: I - microrganismos

Os microrganismos são os mais numerosos da fração biológica do solo e estão sujeitos a alterações em sua abundância e nas relações metabólicas em função de mudanças ambientais, como o aporte de poluentes ao solo. O objetivo deste trabalho foi avaliar a atividade microbiana de solos da área de mineração e metalurgia de chumbo (Pb), no município de Adrianópolis (PR), a fim de gerar indicadores biológicos da qualidade desses solos. Os solos foram amostrados (0 a 5 e 5 a 10 cm) em cinco locais e em quatro épocas do ano (maio, setembro, novembro e janeiro). Os teores totais de Pb e Zn do solo foram determinados por espectroscopia de emissão atômica com plasma acoplado indutivamente, após digestão das amostras com HF e HNO3 concentrados e H2O2 30 % (v/v) em forno de micro-ondas. Para extração de formas mais disponíveis de Pb e Zn foi empregada a solução de HNO3 0,5 mol L-1 fervente. Foram estimados os seguintes atributos microbiológicos dos solos: contagem de bactérias totais (BT); contagem de bactérias esporuláveis (BESP); percentagem de bactérias esporuláveis em relação à BT; contagem de fungos; relação entre fungos e bactérias totais; respiração microbiana; biomassa microbiana; percentagem do carbono microbiano em relação ao C orgânico total do solo; e quociente metabólico. Utilizaram-se três métodos para o tratamento estatístico dos dados: diferenciação dos solos por meio da análise de componentes principais (ACP); obtenção de índice de qualidade ambiental relativo aos atributos microbiológicos (IQAMi); e análise de correlação simples. A elevada fertilidade dos solos tornou menos expressivo o efeito prejudicial dos metais pesados sobre os microrganismos. Contudo, no mês de maior estresse climático para os organismos (maio - menor temperatura), solos com maiores teores de Pb apresentaram menor população e atividade microbiana, ou seja, nessas condições as bactérias e fungos foram bons indicadores de qualidade do solo. A maior proporção de BESP nos solos mais contaminados por Pb no mês mais frio (correlação de 0,95* para maio) pode ser interpretada como mecanismo de resistência desses organismos. O IQAMi na camada de 0 a 5 cm foi mais eficiente que a ACP na separação dos solos contaminados com metais pesados: os valores decresceram em sentido oposto ao aumento nos teores de Pb dos solos. Já na profundidade de 5 a 10 cm a ACP foi mais eficiente para esse propósito.

Cinética de liberação de chumbo de solos de área de mineração e metalurgia de metais pesados

O estudo de cinética de liberação de metais pesados é uma importante ferramenta de diagnóstico ambiental de áreas contaminadas, pois determina, além dos teores acumulados liberados após tempos crescentes de equilíbrio, a taxa (velocidade) de dessorção desses poluentes para a solução do solo. Com o objetivo de avaliar a cinética de liberação de Pb de solos da área de mineração e metalurgia de metais pesados, no município de Adrianópolis (PR), vale do rio Ribeira, selecionaram-se oito solos, submetidos a diferentes formas de contaminação (solos 2, 4 e 5 - incorporação de resíduos da metalurgia de metais pesados aos perfis; solos 3, 6 e 7 - adição de Pb particulado via chaminés da fábrica; solo 8 - contaminação por passagem da água pluvial pela fábrica desativada, que escorre em direção ao rio Ribeira). O solo 1, sob mata nativa, fora da direção de caminhamento das fumaças da metalurgia, localizado a 1.560 m de distância e a 380 m acima da cota da fábrica desativada, foi escolhido como referência dos teores naturais de Pb dos solos da região. As amostras de solo, coletadas em duas profundidades (0 a 10 e 20 a 40 cm), foram submetidas a extrações sequenciais com ácido cítrico 0,1 mol L-1 após diferentes períodos de contato (tempos acumulados: 2, 14, 38, 86, 182, 326, 518, 806 e 1.382 h). Os teores totais de Pb (extração com HF e HNO3 concentrados e H2O2 30 % v/v) foram altos (máximo de 24.755,6 mg kg-1) e indicaram intensa contaminação dos solos. Os dados da cinética de liberação foram ajustados às equações parabólicas de difusão, sendo a liberação do Pb gradual e bifásica, com velocidade de liberação maior na primeira fase. Os solos 3 e 5 foram considerados com elevado potencial de contaminação ambiental devido aos altos teores de Pb dessorvido acumulados nas extrações sequenciais com ácido cítrico (máximo de 18.577,4 mg kg-1). O solo 6, com baixos teores de argila, apresentou a maior velocidade (taxa) de dessorção de Pb.

Remediação de um solo contaminado com petróleo por oxidação química

A remediação de uma amostra de Latossolo Vermelho-Amarelo contaminado artificialmente com petróleo (5.000 mg kg-1) foi estudada comparando diferentes oxidantes químicos: KMnO4 0,10 mol L-1; K2S2O8 0,10 mol L-1; H2O2 0,10 mol L-1; H2O2/Fe2+ 0,10/0,080 mol L-1 (reação de Fenton); e H2O2/Fe2+/UV 0,10/0,080 mol L-1 (reação de foto-Fenton). A remediação foi praticamente completa aos 30 min para o processo de foto-Fenton (99 %). Todos os outros oxidantes não atingiram essa taxa de dissipação até 180 min. O processo em que se usou H2O2 0,10 mol L-1 (70,51 %) foi o de menor eficiência. A adição de íons Fe aumentou a taxa de dissipação para 86,98 % (H2O2/Fe2+ 0,10/0,080 mol L-1). Os métodos convencionais apresentaram taxas de dissipação de 76,58 % (KMnO4 0,10 mol L-1) e 93,85 % (K2S2O8 0,10 mol L-1).

Influence of digestion methods on the recovery of Iron, Zinc, Nickel, Chromium, Cadmium and Lead contents in 11 organic residues

There are currently many devices and techniques to quantify trace elements (TEs) in various matrices, but their efficacy is dependent on the digestion methods (DMs) employed in the opening of such matrices which, although "organic", present inorganic components which are difficult to solubilize. This study was carried out to evaluate the recovery of Fe, Zn, Cr, Ni, Cd and Pb contents in samples of composts and cattle, horse, chicken, quail, and swine manures, as well as in sewage sludges and peat. The DMs employed were acid digestion in microwaves with HNO3 (EPA 3051A); nitric-perchloric digestion with HNO3 + HClO4 in a digestion block (NP); dry ashing in a muffle furnace and solubilization of residual ash in nitric acid (MDA); digestion by using aqua regia solution (HCl:HNO3) in the digestion block (AR); and acid digestion with HCl and HNO3 + H2O2 (EPA 3050). The dry ashing method led to the greatest recovery of Cd in organic residues, but the EPA 3050 protocol can be an alternative method for the same purpose. The dry ashing should not be employed to determine the concentration of Cr, Fe, Ni, Pb and Zn in the residues. Higher Cr and Fe contents are recovered when NP and EPA 3050 are employed in the opening of organic matrices. For most of the residues analyzed, AR is the most effective method for recovering Ni. Microwave-assisted digestion methods (EPA3051 and 3050) led to the highest recovery of Pb. The choice of the DM that provides maximum recovery of Zn depends on the organic residue and trace element analyzed.

Frações de fósforo em Latossolos

O objetivo deste trabalho foi verificar se o histórico de uso, adubação fosfatada, inoculação micorrízica e cultivo com braquiária e soja, em casa de vegetação, alteram as frações de P em três Latossolos. Foi determinado o P ligado a Al (P-Al), Fe (P-Fe) e Ca (P-Ca) e as frações de P separadas com resina, NaHCO3, NaOH, HCl e digestão com H2SO4 e H2O2. As frações orgânicas e inorgânicas foram separadas por autoclavagem. No Latossolo Amarelo coeso (LAx) e Latossolo Vermelho ácrico (LVw), o P-Al, P-Fe e P-Ca foram maiores nos solos cultivados, e no Latossolo Vermelho distroférrico (LVdf) o PAl e PFe foram maiores nos solos não cultivados, tendências não alteradas pelo cultivo com braquiária e soja. A adição de P elevou principalmente as frações inorgânicas lábeis (Pi-resina e Pi-NaHCO3) e moderadamente lábil (Pi-NaOH). Solos anteriormente cultivados tiveram menos P nas frações orgânicas do que os não cultivados. Nos solos com braquiária, verificou-se menos P nas frações pouco lábeis e mais nas frações mais lábeis. O efeito da micorriza foi menor e menos consistente do que o cultivo e aplicação de fósforo.

Contribution of S6K1/MAPK signaling pathways in the response to oxidative stress: activation of RSK and MSK by hydrogen peroxide

Cells respond to different kind of stress through the coordinated activation of signaling pathways such as MAPK or p53. To find which molecular mechanisms are involved, we need to understand their cell adaptation. The ribosomal protein, S6 kinase 1 (S6K1), is a common downstream target of signaling by hormonal or nutritional stress. Here, we investigated the initial contribution of S6K1/MAPK signaling pathways in the cell response to oxidative stress produced by hydrogen peroxide (H2O2). To analyze S6K1 activation, we used the commercial anti-phospho-Thr389-S6K1 antibody most frequently mentioned in the bibliography. We found that this antibody detected an 80-90 kDa protein that was rapidly phosphorylated in response to H2O2 in several human cells. Unexpectedly, this phosphorylation was insensitive to both mTOR and PI3K inhibitors, and knock-down experiments showed that this protein was not S6K1. RSK and MSK proteins were candidate targets of this phosphorylation. We demonstrated that H2O2 stimulated phosphorylation of RSK and MSK kinases at residues that are homologous to Thr389 in S6K1. This phosphorylation required the activity of either p38 or ERK MAP kinases. Kinase assays showed activation of RSK and MSK by H2O2. Experiments with mouse embryonic fibroblasts from p38 animals" knockout confirmed these observations. Altogether, these findings show that the S6K1 signaling pathway is not activated under these conditions, clarify previous observations probably misinterpreted by non-specific detection of proteins RSK and MSK by the anti-phospho-Thr389-S6K1 antibody, and demonstrate the specific activation of MAPK signaling pathways through ERK/p38/RSK/MSK by H2O2.

Exhaled breath condensate as a matrix for combustion-based nanoparticle exposure and health effect evaluation

Health assessment and medical surveillance of workers exposed to combustion nanoparticles are challenging. The aim was to evaluate the feasibility of using exhaled breath condensate (EBC) from healthy volunteers for (1) assessing the lung deposited dose of combustion nanoparticles and (2) determining the resulting oxidative stress by measuring hydrogen peroxide (H2O2) and malondialdehyde (MDA). Methods: Fifteen healthy nonsmoker volunteers were exposed to three different levels of sidestream cigarette smoke under controlled conditions. EBC was repeatedly collected before, during, and 1 and 2 hr after exposure. Exposure variables were measured by direct reading instruments and by active sampling. The different EBC samples were analyzed for particle number concentration (light-scattering-based method) and for selected compounds considered oxidative stress markers. Results: Subjects were exposed to an average airborne concentration up to 4.3×10(5) particles/cm(3) (average geometric size ∼60-80 nm). Up to 10×10(8) particles/mL could be measured in the collected EBC with a broad size distribution (50(th) percentile ∼160 nm), but these biological concentrations were not related to the exposure level of cigarette smoke particles. Although H2O2 and MDA concentrations in EBC increased during exposure, only H2O2 showed a transient normalization 1 hr after exposure and increased afterward. In contrast, MDA levels stayed elevated during the 2 hr post exposure. Conclusions: The use of diffusion light scattering for particle counting proved to be sufficiently sensitive to detect objects in EBC, but lacked the specificity for carbonaceous tobacco smoke particles. Our results suggest two phases of oxidation markers in EBC: first, the initial deposition of particles and gases in the lung lining liquid, and later the start of oxidative stress with associated cell membrane damage. Future studies should extend the follow-up time and should remove gases or particles from the air to allow differentiation between the different sources of H2O2 and MDA.

Atividade do sistema antioxidante e desenvolvimento de aerênquima em raízes de milho 'Saracura'

Este trabalho teve como objetivo avaliar a influência de sucessivos ciclos de seleção do milho 'Saracura' na atividade das enzimas do sistema antioxidante, e a relação dessas enzimas com a capacidade dessa variedade em desenvolver aerênquima. Sementes de 18 ciclos de seleção intercalados do milho 'Saracura' e da cultivar BR 107, sensível à hipoxia, foram semeadas em vasos e em casa de vegetação. As plantas foram submetidas ao alagamento intermitente de dois em dois dias. As amostras de raízes foram coletadas após 60 dias e analisaram-se as atividades das enzimas peroxidase do guaiacol, peroxidase do ascorbato e catalase, além da capacidade das plantas de cada ciclo desenvolverem aerênquima. Ao longo dos ciclos, as plantas apresentaram modificações na atividade das enzimas, com aumento na de peroxidase do ascorbato e diminuição na de catalase e de peroxidase do guaiacol. Observou-se, ainda, maior capacidade de desenvolver aerênquima nos últimos ciclos de seleção. A redução na atividade das enzimas do sistema antioxidante parece estar relacionada a um desbalanço na decomposição de H2O2.

Photocatalytic oxidation of humic substances and lignins in aqueous solutions

Tässä tutkimuksessa tarkastellaan kahden yleisen, veden ympäristökuormitusta aiheuttavan kemikaaliryhmän, ligniinin ja humusaineiden, fotokatalyyttistahapetusta (photocatalytic oxidation, PCO) vesiliuoksessa. Fotokatalyyttina käytettiin titaanidioksidia, jota säteilytettiin ultraviolettivalolla. Työssä selvitettiin useiden eri olosuhdeparametrien vaikutusta fotokatalyysiin. Tutkittavia parametreja olivat mm. kontaminanttien alkukonsentraatio, pH, vetyperoksidilisäys, rauta-ionien lisäys, fotokatalyysimenetelmä, fotokatalyytin pintakonsentraatioja titaanidioksidin määrä lasisissa mikropartikkeleissa. Ultraviolettivalon lähteinä käytettiin sekä keinovaloa että auringonvaloa. Katalyytin kantoaineena käytettiin huokoisia lasisia mikropartikkeleita, joiden pintaan kiinnittynyt titaanidioksidi pystyi hyvin vähentämään kontaminanttien määrää vedessä. Fotokatalyysin tehokkuus kasvoi humusaine- ja ligniinikonsentraatioiden kasvaessa. Korkeimmat hapetustehokkuudet kumallakin kontaminantilla saavutettiin neutraaleissa jalievästi emäksisissä olosuhteissa huolimatta siitä, että paras adsorboituminen tapahtui happamissa olosuhteissa. Tämän perusteella voidaan olettaa, että humusaineiden ja ligniinin hapetus tapahtuu pääosin radikaalimekanismilla. Vetyperoksidin lisääminen humusaineliuokseen lisäsi hapettumisnopeutta, vaikka näennäinen hapetustehokkuus ei muuttunut. Tämän perusteella vetyperoksidi hapetti myös humusaineita referenssinäytteessä. Ligniinin fotokatalyyttinen hapettuminen parani vetyperoksidilisäyksellä happamissa olosuhteissa johtuen lisääntyneestä OH-radikaalien muodostumisesta. Ligniini ei hapettunut vetyperoksidilla, jos fotokatalyyttiä ei¿ollut läsnä. Rauta-ionit eivät lisänneet humushappojen fotokatalyyttistähapettumista, mutta Fe2+-ionien lisäys aina konsentraatioon 0.05 mM johti ligniinin hapettumistehokkuuden voimakkaaseen kasvuun. Rauta-ionikonsentraation kasvattaminen edelleen johti ligniinin hapetustehokkuuden alenemiseen.

The JAK2/STAT3 pathway in the embryonic chick heart submitted to anoxia, reoxygenation and oxidant stress

SUMMARYAim: The embryonic/fetal heart is highly sensitive to oxygenation level and a transient uteroplacental hypoperfusion can lead to oxyradicals overproduction. Information about the molecular mechanisms underlying ischemia-reperfusion (I-R) injury in the developing heart is lacking. The Janus Kinase 2 / Signal Transducer and Activator of Transcription 3 (JAK2/STAT3) pathway, required for cardiogenesis and involved in protection of the adult heart against I-R, could also play a key role in the response of the fetal myocardium to transient oxygen deprivation. The aim of the study was to characterize the involvement of JAK2/STAT3 pathway and its interaction with other signalling pathways in the developing heart transiently submitted to anoxia. Furthermore, the response of the embryonic heart to an exogenous oxidant stress (H2O2) in comparison to reoxygenation-induced endogenous oxyradicals has been investigated.Methods: Hearts isolated from 4-day-old chick embryos were submitted to anoxia (30min) and reoxygenation (80min) with or without the antioxidant MPG, the JAK2/STAT3 inhibitor AG490 or exposed to H202 (50|iM-lmM). The time course of phosphorylation of STAT3atyr0Sine7 and Reperfusion Injury Salvage Kinase (RISK) proteins (PI3K, Akt, GSK3B, Glycogen Synthase and ERK2) was determined in homogenate" and in enriched nuclear and cytoplasmic fractions. The STAT3 DNA-binding was determined by EMSA and the expression of STAT3 specific target genes by RT-PCR. The chrono-, dromo- and inotropic disturbances were also investigated by ECG and mechanical recordings.Results: Phosphorylation of STATSaP (P-Tyr STAT3a) was increased by reoxygenation and reduced by MPG or AG490. STAT3 and GSK36 were detected both in nuclear and cytoplasmic fractions while PI3K, Akt, GS and ERK2 were restricted to cytoplasm. Reoxygenation led to nuclear accumulation of STAT3 but unexpectedly without DNA- binding. AG490 decreased the reoxygenation-induced phosphorylation of STABa^, Akt, GS and ERK2 and phosphorylation/inhibition of GSK3B in the nucleus, exclusively. Inhibition of JAK2/STAT3 delayed recovery of atrial rate, worsened RR. variability and prolonged arrhythmias compared to control hearts. Cardiac activity was altered only at concentrations >500μΜ of H2O2. Moreover, ImM of H2O2 suppressed atrial activity in 45% of the hearts, atrioventricular conduction in 66% and augmented P-Tyr STAT3awhich led to an increase in the DNA-binding but no change in the expression of three STAT3 specific target genes (iNOS, MnSOD, Cox-2).Conclusion: In the developing heart, besides its nuclear translocation without transcriptional activity, ROS-activated STAT3a can rapidly interact with RISK proteins present in nucleus and cytoplasm and reduce the anoxia-reoxygenation-induced arrhythmias. Moreover, the embryonic heart is highly resistant to H2O2 and the atrial region is the less affected. The role of JAK2/STAT3 in the response to reoxygenation-induced oxyradicals is different from the response to strong exogenous oxidant stress where STAT3 DNA-binding activity is increased. Such findings provide a first step in understanding the modulation of signalling cascades in the fetal heart submitted to transient intrauterine oxygen deprivation.RESUMEIntroduction: Le coeur embryonnaire et foetal est très sensible au manque d'oxygène et une hypoperfusion utéroplacentaire transitoire peut conduire à une surproduction d'espèces radicalaires (ROS). Dans le coeur en développement les mécanismes moléculaires impliqués en situation d'ischémie-reperfusion (I-R) ne sont pas connus. La voie de signalisation JAK2/STAT3 (Janus Kinase 2 / Signal Transducer and Activator of Transcription 3), impliquée aussi bien dans la cardiogenèse précoce que dans la protection du coeur adulte contre l'I-R, pourrait jouer un rôle clé dans la réponse du myocarde foetal à un déficit en oxygène. Cette étude a permis d'étudier le rôle de la voie JAK2/STAT3 et son interaction avec d'autres voies de signalisation dans un modèle de coeur embryonnaire soumis à un épisode anoxique. En outre, les effets du stress oxydant endogène provoqué par la réoxygénation ont été comparés à ceux du stress oxydatif exogène induit par du peroxyde d'hydrogène (H2O2).Méthodes: Des coeurs isolés d'embryons de poulet âgés de 4 jours ont été soumis à une anoxie (30min) suivie d'une réoxygénation (80min) en présence ou non de l'antioxydant MPG et de l'inhibiteur de JAK2/STAT3 AG490 ou exposés à de 1Ή202 (50μΜ-1πιΜ). L'évolution temporelle de la phosphorylation de 8ΤΑΤ3α*ΓΟδίη6705 (P-Tyr STAT3a) et celle de la phosphorylation des protéines de la voie RISK (Reperfusion Injury Salvage Kinase: PI3K, Akt, GSK3B, glycogène synthase GS et ERK2) ont été déterminés dans l'homogénat et dans les fractions nucléaire et cytopiasmique du myocarde. La liaison de STAT3 à l'ADN a été déterminée par EMSA et l'expression de gènes cibles de STAT3 (iNOS, MnSOD, Cox2) par RT-PCR. Les effets chrono-, dromo- et inotropes ont été déterminés par les enregistrements de l'ECG et de l'activité contractile ventriculaire.Résultats: STAT3 et GSK3B étaient présents dans les fractions nucléaire et cytopiasmique tandis que PI3K, Akt, GS et ERK2 n'étaient détectées que dans la fraction cytopiasmique. L'augmentation de P-Tyr STAT3a provoquée par la réoxygénation était significativement réduite par le MPG ou PAG490. La réoxygénation entraînait l'accumulation nucléaire de STAT3, mais étonnamment sans liaison avec l'ADN. A la réoxygénation TAG490 diminuait la phosphorylation d'Akt, GS et ERK2 ainsi que celle de GSK36 mais exclusivement dans la fraction nucléaire. L'inhibition de JAK2/STAT3 retardait également la récupération du rythme cardiaque et prolongeait la durée des arythmies. L'activité cardiaque n'était perturbée par de ΓΗ2Ο2 qu'à des concentrations >500μΜ. A ImM, ΓΗ2Ο2 supprimait l'activité auriculaire dans 45% des coeurs et la conduction auriculo-ventriculaire dans 66% et augmentait la formation de P-Tyr STAT3a et sa liaison à l'ADN sans modifier l'expression des gènes cibles.Conclusion: Les ROS produits par l'anoxie-réoxygénation activent STAT3a qui subit une translocation dans le noyau sans se lier à l'ADN et interagit rapidement avec des protéines de la voie RISK dans les compartiments nucléaire et cytopiasmique du coeur embryonnaire. Ce dernier, en particulier au niveau des oreillettes, se révèle très résistant au puissant stress oxydatif de l'H202 qui se différencie du stress lié à la réoxygénation en favorisant la liaison de STAT3 à l'ADN. Ces résultats originaux permettent une meilleure compréhension des mécanismes qui peuvent améliorer la récupération du coeur en développement après un épisode hypoxique intra-utérin.