Stenodactilina e lanceolina: due nuove potenti “ribosome-inactivating proteins” bicatenarie. Purificazione, caratterizzazione chimico-fisica e studio dei meccanismi citotossici

Two lectins, called lanceolin and stenodactylin, were purified by affinity chromatography on CL Sepharose 6B from the caudices of the Passifloraceae Adenia lanceolata and Adenia stenodactyla, respectively. They are glycoproteins with Mw of 61,243 (lanceolin) and 63,131 daltons (stenodactylin), consisting of an enzymatic A chain linked to a larger B chain with lectin properties, with N-terminal amino acid sequences similar to that of volkensin, the toxic lectin from Adenia volkensii. These two lectins agglutinate red blood cells, inhibit protein synthesis in a cell-free system as well as in whole cells, and depurinate ribosomes and DNA, but not tRNA or poly(A). They are highly toxic to cells, in which they induce apoptosis and strongly inhibit protein synthesis, and to mice, with LD50s 8.16 mg/kg (lanceolin) and 2.76 mg/kg (stenodactylin) at 48 hours after administration. Thus, lanceolin and stenodactylin have all the properties of the toxic type 2 ribosomeinactivating proteins (RIPs). Further experiments were conducted in order to clarify the effects of these RIPs in cells. We investigated the cronological relationship between cytotoxic activity, indirectly evaluated as inhibition of protein synthesis, and loss of cell viability in NB100 cell line. The induction of apoptosis was assessed by determining caspases 3 and 7 levels, which increase 8-16 hours earlier than the beginning of protein synthesis inhibition. This suggest that the arrest of protein synthesis is not a central event in the pathway of cell poisoning by RIPs. The high toxicity and the induction of cell death only by apoptosis and not by necrosis in two muscular cell lines (TE671 and RD/18) suggest that lanceolin and stenodactylin may be potential candidates for experimental chemoablation in strabism and blepharospasm. These results show that lanceolin and stenodactylin are amongst the most potent toxins of plant origin.

Mechanisms of cell senescence: p21 and DNA damage response in aging and longevity

Theory of aging postulates that aging is a remodeling process where the body of survivors progressively adapts to internal and external damaging agents they are exposed to during several decades. Thus , stress response and adaptation mechanisms play a fundamental role in the aging process where the capability of adaptating effects, certainly, also is related the lifespan of each individual. A key gene linking aging to stress response is indeed p21, an induction of cyclin-dependent kinase inhibitor which triggers cell growth arrest associated with senescence and damage response and notably is involved in the up-regulation of multiple genes that have been associated with senescence or implicated in age-related . This PhD thesis project that has been performed in collaboration with the Roninson Lab at Ordway Research Institute in Albany, NY had two main aims: -the testing the hypothesis that p21 polymorphisms are involved in longevity -Evaluating age-associated differences in gene expression and transcriptional response to p21 and DNA damage In the first project, trough PCR-sequencing and Sequenom strategies, we we found out that there are about 30 polymorphic variants in the p21 gene. In addition, we found an haplotpype located in -5kb region of the p21 promoter whose frequency is ~ 2 fold higher in centenarians than in the general population (Large-scale analysis of haplotype frequencies is currently in progress). Functional studies I carried out on the promoter highilighted that the ―centenarian‖ haplotype doesn’t affect the basal p21 promoter activity or its response to p53. However, there are many other possible physiological conditions in which the centenarian allele of the p21 promoter may potentially show a different response (IL6, IFN,progesterone, vitamin E, Vitamin D etc). In the second part, project #2, trough Microarrays we seeked to evaluate the differences in gene expression between centenarians, elderly, young in dermal fibroblast cultures and their response to p21 and DNA damage. Microarray analysis of gene expression in dermal fibroblast cultures of individuals of different ages yielded a tentative "centenarian signature". A subset of genes that were up- or downregulated in centenarians showed the same response to ectopic expression of p21, yielding a putative "p21-centenarian" signature. Trough RQ-PCR (as well Microarrays studies whose analysis is in progress) we tested the DNA damage response of the p21-centenarian signature genes showing a correlation stress/aging in additional sets of young and old samples treated with p21-inducing drug doxorubicin thus finding for a subset of of them , a response to stress age-related.

Profilo farmacogenetico di determinanti molecolari dell'attività di cisplatino e gemcitabina in pazienti affetti da tumore polmonare non a piccole cellule

Il carcinoma polmonare rappresenta un problema socio-sanitario di grande rilievo, essendo la prima causa di morte per neoplasia. Il carcinoma polmonare non a piccole cellule (non small cell lung cancer - NSCLC) rappresenta la variante istologica più frequente (80% dei casi di tumore polmonare). Al momento della diagnosi circa il 60-70% dei pazienti presenta una malattia in stadio avanzato o metastatico non essendo suscettibile di trattamento chirurgico. Per questi pazienti il trattamento chemioterapico determina un prolungamento della sopravvivenza e un miglioramento della qualità  della vita rispetto alla sola terapia di supporto, identificandosi come standard terapeutico. L'individuazione del migliore trattamento chemioterapico per questo subset di pazienti rappresenta pertanto una delle principali sfide della ricerca oncologica. I regimi polichemioterapici si possono dividere schematicamente in tre generazioni in relazione all'introduzione nel corso degli anni di nuovi agenti chemioterapici. Con l'avvento dei regimi di terza generazione, il trattamento del NSCLC avanzato sembra aver raggiunto un plateau, mancando infatti chiare dimostrazioni di superiorità  di un regime di ultima generazione rispetto ad un altro. Tra questi l'associazione cisplatino e gemcitabina rappresenta uno dei regimi standard più utilizzati in considerazione del suo favorevole rapporto costo-beneficio. Al fine di migliorare i risultati del trattamento chemioterapico in termini di attività  ed efficacia, una possibilità  consiste nell'individuazione di parametri predittivi che ci consentano di identificare il miglior trattamento per il singolo paziente. Tra i vari parametri predittivi valutabili, un crescente interesse è stato rivolto a quelli di carattere genetico, anche grazie all'avvento di nuove tecniche di biologia molecolare e al sequenziamento del genoma umano che ha dato nuovo impulso a studi di farmacogenetica e farmacogenomica. Sulla base di queste considerazioni, in questa tesi è stato effettuato uno studio mirato a valutare l'espressione di determinanti molecolari coinvolti nel meccanismo di azione di gemcitabina e cisplatino in pazienti affetti dai due tipi istologici principali di NSCLC, adenocarcinomi e carcinomi squamocellulari. Lo studio dei livelli di espressione genica è stata effettuata in tessuti di 69 pazienti affetti da NSCLC arruolati presso l'Istituto Europeo di Oncologia di Milano. In particolare, mediante Real Time PCR è stata valutata l'espressione genica di ERCC1, hENT1, dCK, 5'-NT, CDA, RRM1 e RRM2 in 85 campioni isolati con microdissezione da biopsie provenienti dai tessuti polmonari normali o tumorali o dalle metastasi linfonodali. Le analisi di questi tessuti hanno mostrato differenze significative per i pattern di espressione genica di diversi determinanti molecolari potenzialmente utile nel predire l'efficacia di gemcitabina/cisplatino e per personalizzare i trattamenti in pazienti affetti da cancro. In conclusione, l'evoluzione delle tecniche di biologia molecolare promossa dagli studi di farmacogenetica racchiude in sè notevoli potenzialità  per quanto concerne l'ideazione di nuovi protocolli terapeutici. Identificando le caratteristiche genotipiche e i livelli di espressione geniche di determinanti molecolari implicati nella risposta ai farmaci potremmo infatti predisporre delle mappe di chemiosensibilità-chemioresistenza per ciascun paziente, nell'ottica di approntare di volta in volta le più appropriate terapie antitumorali in base alle caratteristiche genetiche del paziente e della sua patologia neoplastica.

Il modello di Fister-Panetta per la crescita di cellule tumorali : analisi qualitativa e aspetti didattici

Si analizza il modello di Fister-Panetta per la crescita di cellule tumorali nella fase avascolare del tumore e si propone un percorso didattico di introduzione alla modellistica matematica in una quinta liceo. Si riporta poi una riflessione sulle motivazioni per cui l'introduzione degli aspetti modellistici e applicativi della matematica è importante anche nella scuola superiore.

Analisi del profilo tossicologico e cancerogeno di contaminanti ambientali e identificazione dei rischi per la salute umana correlati all'esposizione

L’attenta analisi della letteratura scientifica su argomenti riguardanti i contaminanti ambientali oggetto di studio (i policlorodifenili) ha permesso di raccogliere dati utili riguardanti le proprietà di queste molecole, la loro diffusione e la loro pericolosità. Oggetto della ricerca è stato lo studio in vitro del potenziale citotossico e trasformante dei PCB, utilizzando come riferimento una miscela commerciale di PCB, l’Aroclor 1260, e di un MIX di 18 congeneri ricostituito in laboratorio. Il lavoro è proseguito con la valutazione degli effetti di queste miscele e di due congeneri singoli (PCB 118 e PCB 153) su linee cellulari diverse in test di vitalità a breve termine. L’utilizzo di test specifici ha poi permesso la valutazione di un possibile potenziale estrogenico. Una volta ottenuto un quadro generale sui possibili effetti delle miscele grazie ai risultati dei test funzionali, è stata valutata la modulazione, da parte delle molecole e/o di miscele delle stesse, dell’espressione di geni coinvolti nella risposta ad estrogeni o a composti diossino simili, andando ad effettuare un’analisi di tipo molecolare con Real-Time PCR (RT-PCR) e analizzando nello specifico marcatori di pathway dell’Aryl Hydrocarbon Receptor (AhR) o dell’Estrogen Receptor (ER). In ultima analisi al fine di verificare l’applicabilità di biomarkers di espressione a situazioni di contaminazioni reali, ci si è focalizzati su campioni estratti da matrici ambientali, ed in particolare linee cellulari di interesse sono state esposte a estratti di sedimenti provenienti da siti inquinati. L’approccio scelto è stato di tipo molecolare, con lo scopo di individuare pathway da valutare in un secondo momento in test funzionali specifici. L’attività di ricerca si è avvalsa della tecnica del DNA-microarray per valutare la modulazione dell’espressione genica in risposta all’esposizione a contaminanti ambientali. In questo modo è possibile definire i profili di espressione genica che sottendono a risposte biologiche complesse nell’intento di individuare biomarcatori in grado di predire il rischio per l’uomo, e di consentire la stima di una relazione diretta tra esposizione ed effetti possibili.

Doxorubicina coniugata alla albumina umana lattosaminata: azione antineoplastica sui carcinomi epatocellulari indotti nel ratto dalla dietilnitrosammina

The experiments described in the thesis for my PhD were addressed to the study of the anticancer activity of a conjugate of doxorubicin (DOXO) with lactosaminated human albumin (L-HSA) on hepatocellular carcinomas (HCCs) induced in rats by diethylnitrosamine. L-HSA is a neoglycoprotein exposing galactosyl residues. The conjugate was prepared to improve the chemo therapeutic index of DOXO in the treatment of the well differentiated (WD) HCCs whose cells mantain the receptor for galactosyl terminating glycoproteins and consequently can actively internalize L-HSA. In my first experiments I found that L-HSA coupled DOXO produced concentrations of DOXO higher than those raised by an equal dose of free drug, not only in WD HCCs, but also in the poorly differentiated forms (PD) of these tumors which do no express the receptor for galactosyl terminating glycoproteins. Subsequently I provided evidence that penetration of L-HSA-DOXO in PD HCCs was due to a non-specific adsorption mediated by the DOXO residues of the conjugate which interact with the cell surface mainly because at physiological pH they are positively charged and bind to anionic phospholipids of the cell membrane. In subsequent experiments, by ultrasound technique, I studied the action of free and L-HSA coupled DOXO on the growth of rat HCCs. I found that L-HSA coupled DOXO hindered the development of new neoplastic nodules and inhibited the growth of the established tumors. In contrast, the free drug neither inhibited the development of HCCs nor prevented the growth of the established tumors. Moreover, the free drug produced a severe loss of weight of rats, a sign of severe toxicity, which was not caused by the conjugate. In conclusion assuming that the results obtained in rats can be applied to patients, the results of my thesis suggest that the conjugate by increasing the efficacy and tolerability of DOXO could improve the value of this drug in the treatment of human HCCs.

Reconstruction and analysis of the NF-kB pathway interactome: a systems biology approach

Background. One of the phenomena observed in human aging is the progressive increase of a systemic inflammatory state, a condition referred to as “inflammaging”, negatively correlated with longevity. A prominent mediator of inflammation is the transcription factor NF-kB, that acts as key transcriptional regulator of many genes coding for pro-inflammatory cytokines. Many different signaling pathways activated by very diverse stimuli converge on NF-kB, resulting in a regulatory network characterized by high complexity. NF-kB signaling has been proposed to be responsible of inflammaging. Scope of this analysis is to provide a wider, systemic picture of such intricate signaling and interaction network: the NF-kB pathway interactome. Methods. The study has been carried out following a workflow for gathering information from literature as well as from several pathway and protein interactions databases, and for integrating and analyzing existing data and the relative reconstructed representations by using the available computational tools. Strong manual intervention has been necessarily used to integrate data from multiple sources into mathematically analyzable networks. The reconstruction of the NF-kB interactome pursued with this approach provides a starting point for a general view of the architecture and for a deeper analysis and understanding of this complex regulatory system. Results. A “core” and a “wider” NF-kB pathway interactome, consisting of 140 and 3146 proteins respectively, were reconstructed and analyzed through a mathematical, graph-theoretical approach. Among other interesting features, the topological characterization of the interactomes shows that a relevant number of interacting proteins are in turn products of genes that are controlled and regulated in their expression exactly by NF-kB transcription factors. These “feedback loops”, not always well-known, deserve deeper investigation since they may have a role in tuning the response and the output consequent to NF-kB pathway initiation, in regulating the intensity of the response, or its homeostasis and balance in order to make the functioning of such critical system more robust and reliable. This integrated view allows to shed light on the functional structure and on some of the crucial nodes of thet NF-kB transcription factors interactome. Conclusion. Framing structure and dynamics of the NF-kB interactome into a wider, systemic picture would be a significant step toward a better understanding of how NF-kB globally regulates diverse gene programs and phenotypes. This study represents a step towards a more complete and integrated view of the NF-kB signaling system.