Identification of residues which regulate activity of the STE20-related kinase hMINK

Activity of the STE20-related kinase hMINK was investigated. hMINK was expressed widely, though not ubiquitously, in human tissues: highest levels being found in haematopoietic tissues but also in brain, placenta, and lung. Mutagenesis revealed that T-191. and Y-193 in the substrate recognition loop of the catalytic domain were critical for kinase activity against exogenous substrates and autophosphorylation. A mutation on T-187 showed reduced enzymatic activity against exogenous substrates but retained autophosphorylationactivity. Phosphorylation was confirmed by the use of a phospho-specific T-187 antibody. hMINK activated the JNK signal transduction pathway and optimal JNK activation occurred when the C-terminus was deleted. In addition, overexpression of the C-terminal domain devoid of kinase activity also resulted in significant activation of the JNK pathway. These data suggest that hMINK requires an activation step that dissociates the C terminal, thereby freeing the catalytic domain to interact with substrates. Models for receptor-mediated activation of hMINK are discussed. (C) 2002 Elsevier Science (USA). All rights reserved.

The AF-1 Domain of the Orphan Nuclear Receptor NOR-1 Mediates Trans-activation, Coactivator Recruitment, and Activation by the Purine Anti-metabolite 6-Mercaptopurine

NOR-1/NR4A3 is an orphan member of the nuclear hormone receptor superfamily. NOR-1 and its close relatives Nurr1 and Nur77 are members of the NR4A subgroup of nuclear receptors. Members of the NR4A subgroup are induced through multiple signal transduction pathways. They have been implicated in cell proliferation, differentiation, T-cell apoptosis, chondrosarcomas, neurological disorders, inflammation, and atherogenesis. However, the mechanism of transcriptional activation, coactivator recruitment, and agonist-mediated activation remain obscure. Hence, we examined the molecular basis of NOR-1-mediated activation. We observed that NOR-1 trans-activates gene expression in a cell- and target-specific manner; moreover, it operates in an activation function (AF)-1-dependent manner. The N-terminal AF-1 domain delimited to between amino acids 1 and 112, preferentially recruits the steroid receptor coactivator (SRC). Furthermore, SRC-2 modulates the activity of the AF-1 domain but not the C-terminal ligand binding domain (LBD). Homology modeling indicated that the NOR-1 LBD was substantially different from that of hRORbeta, a closely related AF-2-dependent receptor. In particular, the hydrophobic cleft characteristic of nuclear receptors was replaced with a very hydrophilic surface with a distinct topology. This observation may account for the inability of this nuclear receptor LBD to efficiently mediate cofactor recruitment and transcriptional activation. In contrast, the N-terminal AF-1 is necessary for cofactor recruitment and can independently conscript coactivators. Finally, we demonstrate that the purine anti-metabolite 6-mercaptopurine, a widely used antineoplastic and anti-inflammatory drug, activates NOR-1 in an AF-1-dependent manner. Additional 6-mercaptopurine analogs all efficiently activated NOR-1, suggesting that the signaling pathways that modulate proliferation via inhibition of de novo purine and/or nucleic acid biosynthesis are involved in the regulation NR4A activity. We hypothesize that the NR4A subgroup mediates the genotoxic stress response and suggest that this subgroup may function as sensors that respond to genotoxicity.

Metal ions and protein folding: conformational and functional interplay

Dissertation presented to obtain a PhD degree in Biochemistry at Instituto de Tecnologia Química e Biológica, Universidade Nova de Lisboa

Caracterização da função do monóxido de azoto e glutationo hepáticos na sensabilidade periférica à insulina

xi RESUMO A acção da insulina no músculo esquelético depende de um reflexo parassimpático hepático que conduz à libertação de uma substância hepática sensibilizadora da insulina, designada por HISS, responsável por cerca de 55% do efeito hipoglicemiante da insulina. A acção da HISS é finamente regulada pelo monóxido de azoto (NO) hepático e pelo estado prandial, aumentando no período pós-prandial imediato e diminuindo progressivamente com as horas de jejum. A secreção da HISS pode ser inibida cirúrgica ou farmacologicamente, quer por desnervação selectiva do plexo anterior hepático, quer por administração de atropina, quer por inibição do sintase do NO (NOS) hepático. O objectivo geral do trabalho apresentado nesta dissertação foi a caracterização da via de transdução de sinal que conduz à libertação da HISS. O modelo utilizado neste estudo foi o rato Wistar. A sensibilidade à insulina foi avaliada através do teste rápido de sensibilidade à insulina (RIST). A primeira hipótese de trabalho testada foi que a sequência de eventos que conduzem à secreção da HISS inicia-se com a activação do sistema parassimpático hepático seguida de activação do NOS hepático com subsequente produção de NO e activação do guanilato ciclase (GC). Observou-se que a administração de um dador de NO reverteu a resistência à insulina induzida, quer por inibição do NOS hepático, quer por antagonismo dos receptores muscarínicos com atropina. Em contraste, a resistência à insulina produzida por inibição do NOS hepático não foi revertida por administração intraportal de acetilcolina (ACh). Constatou-se que a inibição do GC hepático diminuiu a sensibilidade à insulina. Estes resultados sugerem que: a ACh libertada no fígado induz a síntese de NO hepático que conduz à libertação da HISS, que por sua vez é modulada pelo GC hepático. A libertação da HISS em resposta à insulina é regulada pelo estado prandial. Uma vez que os níveis hepáticos de glutationo (GSH) se encontram, tal como a HISS, diminuídos no estado de jejum e aumentados após a ingestão de uma refeição, testou-se a hipótese de que o GSH hepático está envolvido na secreção da HISS. Observou-se que a depleção do GSH hepático induziu resistência à insulina, comparável à obtida após inibição do NOS hepático. Estes resultados suportam a hipótese de que o GSH hepático desempenha um papel crítico na acção periférica da insulina. Considerando que, no estado de jejum, tanto os níveis de GSH hepático como os níveis de NO hepático são baixos, testou-se a hipótese de que a co-administração intraportal de um dador de GSH e de um dador de NO promove um aumento da sensibilidade à insulina no estado de jejum, devido ao restabelecimento do mecanismo da HISS. Observou-se que a administração sequencial de dadores de GSH e de NO no fígado provocou um aumento na sensibilidade à insulina, dependente da dose de dador de GSH administrada. Concluiu-se portanto que ambos, GSH e NO, são essenciais para que o mecanismo da HISS esteja completamente funcional. O GSH e o NO reagem para formar um S-nitrosotiol, o S-nitrosoglutationo (GSNO). Os resultados supra-mencionados conduziram à formulação da hipótese de que a secreção/acção da HISS depende da formação de GSNO. Observou-se que a administração intravenosa de S-nitrosotióis (RSNOs) aumentou a sensibilidade à insulina, em animais submetidos a um período de jejum, ao contrário da administração intraportal destes fármacos, o que RSNOs têm uma acção periférica, mas não hepática, na sensibilidade à insulina. Os resultados obtidos conduziram à reformulação da hipótese da HISS, sugerindo que a ingestão de uma refeição activa os nervos parassimpáticos hepáticos levando à libertação de ACh no fígado que, por sua vez activa o NOS. Simultaneamente, ocorre um aumento dos níveis de GSH hepático que reage com o NO hepático para formar um composto nitrosado, o GSNO. Este composto mimetiza a acção hipoglicemiante da HISS no músculo esquelético. SUMMARY Insulin action at the skeletal muscle depends on a hepatic parasympathetic reflex that promotes the release of a hepatic insulin sensitizing substance (HISS) from the liver, which contributes 55% to total insulin action. HISS action is modulated by hepatic nitric oxide (NO) and also by the prandial status so as to, in the immediate ostprandial state, HISS action is maximal, decreasing with the duration of fasting. HISS secretion may be inhibited by interruption of the hepatic parasympathetic reflex, achieved either by surgical denervation of the liver or by cholinergic blockade with atropine, or by prevention of hepatic NO release, using NO synthase (NOS) antagonists. The main objective of this work was to characterize the signal transduction pathways that lead to HISS secretion by the liver. Wistar rats were used and insulin sensitivity was evaluated using the rapid insulin sensitivity test (RIST). The first hypothesis tested was that the sequence of events that lead to HISS secretion starts with an increase in the hepatic parasympathetic tone, followed by the activation of hepatic NOS and subsequent triggering of guanylate cyclase (GC). We observed that insulin resistance produced either by muscarinic receptor antagonism with atropine or by hepatic NOS inhibition was reversed by the intraportal administration of an NO donor. In contrast, intraportal acetylcholine (ACh) did not restore insulin sensitivity after NOS inhibition. We also observed that GC inhibition lead to a decrease in insulin sensitivity.These results suggest that the release of ACh in the liver activates hepatic NO synthesis in order to allow HISS secretion, through a signaling pathway modulated by GC. HISS release in response to insulin is controlled by the prandial status. The second hypothesis tested was that glutathione (GSH) is involved in HISS secretion since the hepatic levels of GSH are, like HISS action, decreased in the fasted state and increased after ingestion of a meal. We observed that hepatic GSH depletion led to insulin resistance of the same magnitude of that observed after inhibition of hepatic NOS. These results support the hypothesis that hepatic GSH is crucial in peripheral insulin action. Since, in the fasted state, both hepatic GSH and NO levels are low, we tested the hypothesis that intraportal o-administration of a GSH donor and an NO donor enhances insulin sensitivity in fasted Wistar rats, by restoring HISS secretion. We observed that GSH and NO increased insulin sensitivity in a GSH dose-dependent manner. We concluded that HISS secretion requires elevated levels of both GSH and NO in the liver. GSH and NO react to form a S-nitrosothiol, S-nitrosoglutathione (GSNO). The last hypothesis tested in this work was that HISS secretion/ action depends on the formation of GSNO. We observed that intravenous administration of -nitrosothiols (RSNOs) increased insulin sensitivity in animals fasted for 24 h, in contrast with the intraportal administration of the drug. This result suggests that RSNOs enhanced insulin sensitivity through a peripheral, and not hepatic, mechanism. The results obtained led to a restructuring of the HISS hypothesis, suggesting that the ingestion of a meal triggers the hepatic parasympathetic nerves, leading to the release of Ach in the liver, which in turn activates NOS. Simultaneously, hepatic GSH levels increase and react with NO to form a nitrosated compound, GSNO. S-nitrosoglutathione mimics HISS hypoglycaemic action at the skeletal muscle.

Lettuce (Lactuca sativa L.) leaf-proteome profiles after exposure to cylindrospermopsin and a microcystin-LR/cylindrospermopsin mixture: A concentration-dependent response

The intensification of agricultural productivity is an important challenge worldwide. However, environmental stressors can provide challenges to this intensification. The progressive occurrence of the cyanotoxins cylindrospermopsin (CYN) and microcystin-LR (MC-LR) as a potential consequence of eutrophication and climate change is of increasing concern in the agricultural sector because it has been reported that these cyanotoxins exert harmful effects in crop plants. A proteomic-based approach has been shown to be a suitable tool for the detection and identification of the primary responses of organisms exposed to cyanotoxins. The aim of this study was to compare the leaf-proteome profiles of lettuce plants exposed to environmentally relevant concentrations of CYN and a MC-LR/CYN mixture. Lettuce plants were exposed to 1, 10, and 100 lg/l CYN and a MC-LR/CYN mixture for five days. The proteins of lettuce leaves were separated by twodimensional electrophoresis (2-DE), and those that were differentially abundant were then identified by matrix-assisted laser desorption/ionization time of flight-mass spectrometry (MALDI-TOF/TOF MS). The biological functions of the proteins that were most represented in both experiments were photosynthesis and carbon metabolism and stress/defense response. Proteins involved in protein synthesis and signal transduction were also highly observed in the MC-LR/CYN experiment. Although distinct protein abundance patterns were observed in both experiments, the effects appear to be concentration-dependent, and the effects of the mixture were clearly stronger than those of CYN alone. The obtained results highlight the putative tolerance of lettuce to CYN at concentrations up to 100 lg/l. Furthermore, the combination of CYN with MC-LR at low concentrations (1 lg/l) stimulated a significant increase in the fresh weight (fr. wt) of lettuce leaves and at the proteomic level resulted in the increase in abundance of a high number of proteins. In contrast, many proteins exhibited a decrease in abundance or were absent in the gels of the simultaneous exposure to 10 and 100 lg/l MC-LR/CYN. In the latter, also a significant decrease in the fr. wt of lettuce leaves was obtained. These findings provide important insights into the molecular mechanisms of the lettuce response to CYN and MC-LR/CYN and may contribute to the identification of potential protein markers of exposure and proteins that may confer tolerance to CYN and MC-LR/CYN. Furthermore, because lettuce is an important crop worldwide, this study may improve our understanding of the potential impact of these cyanotoxins on its quality traits (e.g., presence of allergenic proteins).

Impact of Donor and Recipient Cytokine Genotypes on Renal Allograft Outcome

Allelic differences in gene promoter or codifying regions have been described to affect regulation of gene expression, consequently increasing or decreasing cytokine production and signal transduction responses to a given stimulus. This observation has been reported for interleukin (IL)-10 (-1082 A/G; -819/-592 CT/CA), transforming growth factor (TGF)-beta (codon 10 C/T, codon 25 G/C), tumor necrosis factor (TNF)-alpha (-308 G/A), TNF-beta (+252 A/G), interferon (IFN)-gamma (+874 T/A), IL-6 (-174 G/C), and IL-4R alpha (+1902 G/A). To evaluate the influence of these cytokine genotypes on the development of acute or chronic rejection, we correlated the genotypes of both kidney graft recipients and cadaver donors with the clinical outcome. Kidney recipients had 5 years follow-up, at least 2 HLA-DRB compatibilities, and a maximum of 25% anti-HLA pretransplantation sensitization. The clinical outcomes were grouped as follows: stable functioning graft (NR, n = 35); acute rejection episodes (AR, n = 31); and chronic rejection (CR, n = 31). The cytokine genotype polymorphisms were defined using PCR-SSP typing. A statistical analysis showed a significant prevalence of recipient IL-10 -819/-592 genotype among CR individuals; whereas among donors, the TGF-beta codon 10 CT genotype was significantly associated with the AR cohort and the IL-6 -174 CC genotype with CR. Other albeit not significant observations included a strong predisposition of recipient TGF-beta codon 10 CT genotype with CR, and TNF-beta 252 AA with AR. A low frequency of TNF-alpha -308 AA genotype also was observed among recipients and donors who showed poor allograft outcomes.

O2/CO2-sensitive cyclic AMP-signalling pathway in peripheral chemoreceptors

RESUMO: O corpo carotídeo (CB) é um pequeno órgão sensível a variações na PaO2, PaCO2 e pH. As células tipo I (células glómicas) do corpo carotídeo, as unidades sensoriais deste órgão, libertam neurotransmissores em resposta às variações dos gases arteriais. Estes neurotransmissores atuam quer em recetores pré-sinápticos, localizados nas células tipo I, quer em recetores póssinápticos, localizados nas terminações do nervo do seio carotídeo, ou em ambos. A activação dos recetores pré-sinápticos modula a atividade do corpo carotídeo, enquanto que, a activação dos recetores pós-sinápticos, de carater excitatório, desencadeia um aumento da frequência de descarga das fibras do CSN, com subsequente despolarização dos neurónios do gânglio petroso, e posterior despolarização de um grupo específico de neurónios do centro respiratório central, desencadeando, como resposta final, hiperventilação. Estes recetores pré- e pós-sinápticos podem ser classificados em ionotrópicos ou metabotrópicos, estando os últimos acoplados a adenilatos ciclases transmembranares (tmAC). O mecanismo exato pelo qual as variações dos gases arteriais são detetadas pelo CB não se encontra ainda completamente elucidado, mas tem sido sugerido que alterações nos níveis de cAMP estejam associadas ao mecanismo de deteção de variações de O2 e CO2. Os níveis de cAMP podem ser regulados através da sua via de síntese, mediada por dois tipos de adenilatos ciclases: tmAC sensível aos eurotransmissores e adenilato ciclase solúvel (sAC)sensível a variações de HCO3/CO2, e pela sua via de degradação mediada por fosfodiesterases. A via de degradação do cAMP pode ser manipulada farmacologicamente, funcionando enquanto alvo terapêutico para o tratamento de patologias do foro respiratório (e.g. asma, hipertensão pulmonar, doença pulmonar obstructiva crónica e apneia do sono), que induzem um aumento da actividade do CB.O trabalho descrito nesta dissertação partiu da hipótese de que a actividade do CB é manipulada por fármacos, que interferem com a via de sinalização do cAMP, tendo sido nosso objectivo geral, investigar o papel do cAMP na quimiotransdução do CB de rato, e determinar se a actividade dos enzimas responsáveis pela via de sinalização do cAMP é ou não regulada por variações de O2/CO2. Assim, a relevância deste trabalho é a de estudar e identificar possíveis alvos moleculares (sAC, isoformas de tmAC e PDE) com potencial para serem usados no tratamento de patologias relacionadas com o controlo respiratório. A primeira parte do presente trabalho, centrou-se na caracterização farmacológica da PDE4 no CB e em tecidos não quimiorecetores (e.g. gânglio cervical superior e artérias carótidas), e na observação do efeito de hipóxia aguda na acumulação dos níveis de cAMP, induzidos pelos inibidores de PDE, nestes tecidos. A quantificação de cAMP foi efectuada por técnica imunoenzimática (EIA), tendo sido elaboradas curvas de dose-resposta para os efeitos de inibidores, não específicos (IBMX) e específicos para a PDE2 e PDE4 (EHNA, Rolipram e Ro 20-1724), nos níveis de cAMP acumulados, em situações de normóxia (20%O2/5%CO2) e hipóxia (5%O2/5%CO2). A caracterização das PDE no gânglio cervical superior foi aprofundada, utilizando-se a técnica de transferência de energia de ressonância por fluorescência (FRET) em culturas primárias de neurónios, na presença de inibidores não específicos (IBMX) e específicos para a PDE3 e PDE4 (milrinone e rolipram, respetivamente). Foram igualmente estudadas, através de RT-qPCR, as alterações na expressão de PDE3A-B e PDE4A-D, no gânglio cervical superior, em resposta a diferentes percentagens de oxigénio. Na segunda parte do trabalho investigou-se a via de síntese do cAMP no CB em resposta a variações na concentração de HCO3/CO2. Em concreto, o protocolo experimental centrou-se na caracterização da sAC, dado que a sua actividade é regulada por variações de HCO3/CO2. A caracterização da expressão e regulação da sAC, em resposta a variações de HCO3/CO2 ,foi efectuada no CB e em tecidos não quimioreceptores periféricos (e.g. gânglio cervical superior, petroso e nodoso) por qRT-PCR. A actividade deste enzima foi caracterizada indirectamente através da quantificação dos níveis de cAMP (quantificação por EIA), induzidos por diferentes concentrações de HCO3/CO2, na presença de MDL-12,33-A, um inibidore da tmAC. A expressão das isoformas da tmAC no CB e gânglio petroso foi determinada por RT-qPCR. Adicionalmente, estudámos a contribuição relativa da tmAC e sAC no mecanismo de sensibilidade ao CO2 no CB. Para o efeito foram estudadas as alterações: 1) nos níveis de cAMP (quantificado por EIA) na presença de diferentes concentrações de HCO3/CO2 e ao longo do tempo (5-30 min); 2) na ativação da proteína cinase A (PKA, FRET baseado em sensores) em células tipo I do CB; e 3) na frequência de descarga do CSN (registos) na presença e ausência de ativadores e inibidores da sAC,tmAC e PKA. Por último, foi caracterizada a expressão e actividade da sAC nos quimioreceptors centrais (locus ceruleus, rafe e medula ventro-lateral) através de técnicas de RT-qPCR e EIA. A expressão das isoformas da tmAC foi aprofundada no locus coeruleus através de RT-qPCR. Por fim, comparámos a contribuição da tmAC e sAC nos níveis de cAMP no locus coeruleus em condições de normocapnia e hipercapnia.O nosso trabalho teve os seguintes resultados principais: 1) PDE4 está funcional no corpo carotídeo, artérias carótidas e gânglio cervical superior de rato, embora a PDE2 só se encontre funcional neste último; 2) Os efeitos dos inibidores de PDE nos níveis de acumulação de cAMP foram exacerbados em situações de hipóxia aguda no CB e artérias carótidas, mas foram atenuados no gânglio cervical superior; 3) No gânglio cervical superior, diferentes tipos de células apresentaram uma caracterização específica de PDEs, sugerindo uma subpopulação de células neste gânglio com funções fisiológicas distintas; 4) Embora todas as isoformas de PDE4 e PDE3 estivessem presentes no gânglio, a PDE3a, PDE4b e a PDE4d foram as isoformas mais expressas. Por outro lado, incubações de gânglio cervical superior, em diferentes percentagens de oxigénio, não alteraram (não regularam) significativamente a expressão das diferentes isoformas de PDE neste órgão; 5) a sAC encontra-se expressa e funcional no CB e nos quimiorecetores centrais estudados (locus coeruleus, rafe e medula ventrolateral). A sAC apresenta maior expressão no CB comparativamente aos restantes orgãos estudados, exceptuando os testículos, orgão controlo. Variações de HCO3/CO2 de 0/0 para 24/5 aumentaram os níveis de cAMP no CB e quimiorecetores centrais, tendo sido o aumento mais significativo observado no CB. Concentrações acima dos 24mM HCO3/5%CO2 não induziram alterações nos níveis de cAMP, sugerindo que a actividade da sAC se encontra saturada em condições fisiológicas (normocapnia) e que este enzima não desempenha qualquer papel na deteção de situações de hipercapnia; 6) No CB, a expressão das isoformas tmAC1, tmAC4, tmAC6 e tmAC9 é mais elevada comparativamente à expressão da sAC; 7) Utilizamos diferentes inibidores da tmAC (MDL 12-330A, 500μM, 2’5’-ddADO, 30-300μM, SQ 22536, 200μM) e da sAC (KH7, 10-100μM) para estudar a contribuição relativa destes enzimas na acumulação do cAMP no CB. Tanto a tmAC como a sAC contribuem para a acumulação dos níveis de cAMP em condições de hipercapnia. Contudo, existe um maior efeito destes inibidores nas condições de 12 mM HCO3/2.5%CO2 do que em condições de normocapnia e hipercapnia, sugerindo um papel relevante destes enzimas na atividade do CB em situações de hipocapnia; 8) Não se observaram variações nos níveis de cAMP em resposta a diferentes concentrações de HCO3/CO2 ao longo do tempo (5-30 min). O efeito inibitório induzido por ddADO e KH7 foi sobreponível após 5 ou 30 minutos de incubação em todas as concentrações de HCO3/CO2 estudadas; 9) Por último, verificou-se um aumento na frequência da descarga do nervo do seio carotídeo entre as condições de normocapnia e hipercapnia acídica. Ao contrário do KH7 (10μM), o 2’5’-ddADO reduziu significativamente a frequência de descarga do nervo, quer em condições de normocapnia quer de hipercapnia acídica. Contudo, não se verificou aumento na frequência de descarga do nervo entre normocapnia e hipercapnia isohídrica, sugerindo que a sensibilidade à hipercapnia no CB é mediada por variações de pH. Em conclusão, os resultados decorrentes deste trabalho permitiram demonstrar que, embora os enzimas que medeiam a via de sinalização do cAMP possam ser bons alvos terapêuticos em condições particulares, a sua actividade não é específica para o CB. Os resultados sugerem ainda que o cAMP não é um mediador específico da transdução à hipercapnia neste orgão. Contudo, os nossos resultados demonstraram que os níveis de cAMP são mais elevados em condições fisiológicas, o que sugere que o cAMP possa ter uma função homeostática neste orgão. Por último, o presente trabalho demonstrou que os aumentos de cAMP descritos por outros em condições de hipercapnia, não são observáveis quando o pH se encontra controlado. ------------------ ABSTRACT: The work presented in this dissertation was aimed to establish how specific is cAMP-signaling pathways in the CB mainly in different CO2 conditions and how O2 concentrations alter/drives the manipulation of cAMP signaling in the CB. The experimental studies included in this thesis sought to investigate the role of cAMP in the rat CB chemotransduction mechanisms and to determine whether the enzymes that participate in cAMP signal transduction in the CB are regulated by O2/CO2. We characterized the enzymes involved in the cAMP-signaling pathway in the CB (sAC, tmAC, PDE) under different O2/CO2 conditions. Our results demonstrated that many of these enzymes are involved in CO2/O2 sensing and while they may be useful in treating conditions with alterations in CO2/O2 sensing,they will not be specific to chemoreception within the CB: 1) PDE4 is ubiquitously expressed in CB and non-chemoreceptor related tissues and their affinity to inhibitors change with O2 tensions in both CB and carotid arteries, and 2) sAC and tmAC are expressed in peripheral and central chemo- and non-chemoreceptor tissues and their effect on cAMP levels do not change between normocapnic and isohydric hypercapnic conditions. Our results provide evidence against a specific role of cAMP as a mediator for O2 and CO2 chemotransduction in the rat CB and emphasized the role of pH in CO2 sensitivity of the CB. Furthermore, our results demonstrate that cAMP levels are maintained higher under physiological conditions, supporting recent finding from our lab, which all together suggests that cAMP has a homeostatic function in this organ.

Adult B-Cell Acute Lymphoblastic Leukemia Cells Display Decreased PTEN Activity and Constitutive Hyperactivation of PI3K/Akt Pathway Despite High PTEN Protein Levels

Adult B-cell acute lymphoblastic leukemia remains a major therapeutic challenge, requiring a better characterization of the molecular determinants underlying disease progression and resistance to treatment. Here, using a phospho-flow cytometry approach we show that adult diagnostic B-cell acute lymphoblastic leukemia specimens display PI3K/Akt pathway hyperactivation, irrespective of their BCR-ABL status and despite paradoxically high basal expression of PTEN, the major negative regulator of the pathway. Protein kinase CK2 is known to phosphorylate PTEN thereby driving PTEN protein stabilization and concomitant PTEN functional inactivation. In agreement, we found that adult B-cell acute lymphoblastic leukemia samples show significantly higher CK2 kinase activity and lower PTEN lipid phosphatase activity than healthy controls. Moreover, the clinical-grade CK2 inhibitor CX-4945 (Silmitasertib) reversed PTEN levels in leukemia cells to those observed in healthy controls, and promoted leukemia cell death without significantly affecting normal bone marrow cells. Our studies indicate that CK2-mediated PTEN posttranslational inactivation, associated with PI3K/Akt pathway hyperactivation, are a common event in adult B-cell acute lymphoblastic leukemia and suggest that CK2 inhibition may constitute a valid, novel therapeutic tool in this malignancy.

The two-component system of a novel copper resistant operon of Marinobacter hydrocarbonoclasticus

Dissertation for the Master’s Degree in Structural and Functional Biochemistry

Characterization of novel heme-containing sensor proteins from Geobacter sulfurreducens

The focus of this Thesis was the study of the sensor domains of two heme-containing methyl-accepting chemotaxis proteins (MCP) from Geobacter sulfurreducens: GSU0582 and GSU0935. These domains contain one c-type heme, form swapped dimers with a PAS-like fold and are the first examples of a new class of heme sensors. NMR spectroscopy was used to assign the heme and polypeptide signals in both sensors, as a first step to probe conformational changes in the vicinity of the hemes. However, the presence of two conformations in solution impaired the confident assignment of the polypeptide signals. To understand how conformational changes and swapped dimerization mechanism can effectively modulate the function of the two sensor domains and their signal transduction process, the sensor domains folding and stability were studied by circular dichroism and UV-visible spectroscopy. The results showed differences in the thermodynamic stability of the sensors, with GSU0582 displaying higher structural stability. These studies also demonstrated that the heme moiety undergoes conformational changes matching those occurring at the global protein structure and that the content of intrinsically disordered segments within these proteins (25% for GSU0935; 13% for GSU0582) correlates with the stability differences observed. The thermodynamic and kinetic properties of the sensor domains were determined at different pH and ionic strength by visible spectroscopy and stopped-flow techniques. Despite the remarkably similar spectroscopic and structural features of the two sensor domains, the results showed that their properties are quite distinct. Sensor domain GSU0935 displayed more negative reduction potentials and smaller reduction rate constants, which were more affected by pH and ionic strength. The available structures were used to rationalize these differences. Overall, the results described in this Thesis indicate that the two G. sulfurreducens MCP sensor domains are designed to function in different working potential ranges, allowing this bacterium to trigger an adequate cellular response in distinct anoxic subsurface environments.

Primary cilia and the regulation of hedgehog signaling: link to cardiac development

RESUMO: As células eucarióticas evoluíram um sistema de sinalização complexo que lhes permite responder aos sinais extracelulares e intracelulares. Desta forma, as vias de sinalização são essenciais para a sobrevivência da célula e do organismo, uma vez que regulam processos fundamentais, tais como o desenvolvimento, o crescimento, a imunidade, e a homeostase dos tecidos. A via de transdução de sinal Hedgehog (Hh) envolve o receptor Patched1 (Ptch1), que tem um efeito inibidor sobre a proteína Smoothened (Smo) na ausência dos seus ligandos, as proteínas Sonic hedgehog (Shh). Estas proteínas são reguladores fundamentais do desenvolvimento embrionário, como ilustrado pelas malformações drásticas observadas em embriões humanos e de murganho com perturbações da transdução de sinal da via Hh e que incluem polidactilia, defeitos craniofaciais e malformações ósseas. Igualmente importantes são as consequências da ativação inapropriada da via de sinalização Hh na formação de tumores. Curiosamente, os componentes desta via localizam-se nos cílios primários. Além disso, demonstrou-se que esta localização é crucial para a sinalização através da via Hh. Na presença dos ligandos, Ptch1 é internalizado e destinado a degradação ou sequestrado num compartimento da célula de onde não pode desempenhar o seu papel inibitório. A proteína Arl13b é uma pequena GTPase pertencente à família Arf/Arl da superfamília Ras de pequenas GTPases e foi implicada no síndrome de Joubert, uma ciliopatia caracterizada por ataxia congénita cerebelar, hipotonia, atrso mental e cardiopatia congénita. Murganhos deficientes para Arl13b, chamado hennin (hnn) morrem morrem prematuramente ao dia 13,5 de gestação (E13,5) e exibem anomalias morfológicas nos cílios que levam à interrupção da sinalização Hh. Além disso, a Arl13b está diretamente envolvida na regulação da via Hh, controlando a localização de vários componentes desta via nos cílios primários. Neste trabalho, mostramos que a Arl13b se localiza em circular dorsal ruffles (CDRs), que são estruturas de actina envolvidas em macropinocitose e internalização de recetores, e que regula a sua formação. Além disso, aprofundámos o conhecimento do processo de ativação da via de sinalização Hh, mostrando que as CDRs sequestram seletivamente e internalizam o recetor Ptch1. As CDRs formam-se minutos após ativação da via por ligandos Shh ou pelo agonista de Smo SAG e continuam a ser formadas a partir daí, sugerindo uma indução contínua da reorganização do citoesqueleto de actina quando a via está ativada. Observámos ainda que a inibição da formação de CDRs através do silenciamento de WAVE1, uma proteína necessária para a formação destas estruturas, resulta na diminuição da ativação da via de sinalização Hh. Além disso, o bloqueio da macropinocitose, que se segue ao fecho das CDRs, através do silenciamento de uma proteína necessária para a cisão de macropinossomas, nomeadamente a proteína BARS, tem um efeito semelhante. Estes resultados sugerem que as CDRs e a macropinocitose são necessárias para a ativação da via de sinalização Hh e indicam que esta via de internalização controla os níveis de sinal Hh. Durante o desenvolvimento, as células proliferativas dependem do cílio primário para a transdução de várias vias de sinalização. A via Hh induz a diferenciação do músculo cardíaco. Por conseguinte, os murganhos deficientes na via de sinalização Hh exibem uma variedade de defeitos de lateralidade, incluindo alteração do looping do coração, como pode ser visto em murganhos deficientes para Arl13b. Por conseguinte, investigámos o papel da Arl13b no desenvolvimento do coração. Mostramos que a Arl13b é altamente expressa no coração de embriões de murganho e de murganhos adultos ao nível do mRNA e da proteína. Além disso, o perfil de distribuição da Arl13b no coração segue o dos cílios primários, que são essenciais para o desenvolvimento cardíaco. Corações de murganhos hnn no estadio E12,5 mostram um canal átrio-ventricular aberto, espessamento da camada compacta ventricular e aumento do índice mitótico no ventrículo esquerdo. Além disso, um atraso de 1 a 2 dias no desenvolvimento é observado em corações de murganhos hnn, quando comparados com controlos selvagens no estadio E13,5. Assim, estes resultados sugerem que a Arl13b é necessária para o desenvolvimento embrionário do coração e que defeitos cardíacos podem contribuir para a letalidade embrionária de murganhos hnn. Em suma, foi estabelecido um novo mecanismo para a regulação dos níveis de superfície do recetor Ptch1, que envolve a remodelação do citoesqueleto de actina e a formação de CDRs após a ativação da via de sinalização Hh. Este mecanismo permite um feedback negativo que evita a repressão excessiva da via através da remoção de Ptch1 da superfície da célula. Além disso, determinou-se que uma mutação de perda de função na Arl13b causa defeitos cardíacos durante o desenvolvimento, possivelmente relacionados com a associação dos defeitos em cílios primários e na sinalização Hh, existentes em murganhos deficientes para Arl13b. A via de sinalização Hh tem tido um papel central entre as vias de sinalização, uma vez que a sua regulação é crucial para o funcionamento apropriada da célula. Assim, a descoberta de um novo mecanismo de tráfego através de macropinocitose e CDRs que controla a ativação e repressão da via de sinalização Hh traz novas perspetivas de como esta via pode ser regulada e pode ainda conduzir à identificação de novos alvos e estratégias terapêuticas. --------------------ABSTRACT: Eukaryotic cells have evolved a complex signaling system that allows them to respond to extracellular and intracellular cues. Signaling pathways are essential for cell and organism survival, since they regulate fundamental processes such as development, growth, immunity, and tissue homeostasis. The Hedgehog (Hh) pathway of signal transduction involves the receptor Patched1 (Ptch1), which has an inhibitory effect on Smoothened (Smo) in the absence of its ligands, the Sonic hedgehog (Shh) proteins. These proteins are fundamental regulators of embryonic development, as illustrated by the dramatic malformations seen in human and mouse embryos with perturbed Hh signal transduction that include polydactyly, craniofacial defects and skeletal malformations. Equally important are the consequences of inappropriate activation of the Hh signaling response in tumor formation. Interestingly, the components of this pathway localize to primary cilia. Moreover, it has been shown that this localization is crucial for Hh signaling. However, in the presence of the ligands, Ptch1 is internalized and destined for degradation or sequestered in a cell compartment where it no longer can play its inhibitory role. ADP-ribosylation factor-like (Arl) 13b, a small GTPase belonging to Arf/Arl family of the Ras superfamily of small GTPases has been implicated in Joubert syndrome, a ciliopathy characterized by congenital cerebellar ataxia, hypotonia, intellectual disability and congenital heart disease. Arl13b-deficient mice, called hennin (hnn) die at embryonic day 13.5 (E13.5) and display morphological abnormalities in primary cilia that lead to the disruption of Hh signaling. Furthermore, Arl13b is directly involved in the regulation of Hh signaling by controlling the localization of several components of this pathway to primary cilia. Here, we show that Arl13b localizes to and regulates the formation of circular dorsal rufles (CDRs), which are actin-basedstructures known to be involved in macropinocytosis and receptor internalization. Additionally, we extended the knowledge of the Hh signaling activation process by showing that CDRs selectively sequester and internalize Ptch1 receptors. CDRs are formed minutes after Hh activation by Shh ligands or the Smo agonist SAG and keep being formed thereafter, suggesting a continuous induction of actin reorganization when the pathway is switched on. Importantly, we observed that disruption of CDRs by silencing WAVE1, a protein required for CDR formation, results in down-regulation of Hh signaling activation. Moreover, the blockade of macropinocytosis, which follows CDR closure, through silencing of a protein necessary for the fission of macropinosomes, namely BARS has a similar effect. These results suggest that CDRs and macropinocytosis are necessary for activation of Hh signaling and indicate that this pathway of internalization controls Hh signal levels. During development, proliferating cells rely on the primary cilium for the transduction of several signaling pathways. Hh induces the differentiation of cardiac muscle. Accordingly, Hh-deficient mice display a variety of laterality defects, including alteration of heart looping, as seen in Arl13b-deficient mice. Therefore, we investigated the role of Arl13b in heart development. We show that Arl13b is highly expressed in the heart of both embryonic and adult mice at mRNA and protein levels. Also, Arl13b localization profile mimics that of primary cilia, which have been shown to be essential to early heart development. E12.5 hnn hearts show an open atrioventricular channel, increased thickening of the ventricular compact layer and increased mitotic index in the left ventricle. Moreover, a delay of 1 to 2 days in development is observed in hnn hearts, when compared to wild-type controls at E13.5. Hence, these results suggest that Arl13b is necessary for embryonic heart development and that cardiac defects might contribute to the embryonic lethality of hnn mice. Altogether, we established a novel mechanism for the regulation of Ptch1 surface levels, involving cytoskeleton remodeling and CDR formation upon Hh signaling activation. This mechanism allows a negative feedback loop that prevents excessive repression of the pathway by removing Ptch1 from the cell surface. Additionally, we determined that the Arl13b loss-offunction mutation causes cardiac defects during development, possibly related to the associated ciliary and Hh signaling defects found in Arl13b-deficient mice. Hh signaling has taken a center stage among the signaling pathways since its regulation is crucial for the appropriate output and function of the cell. Hence, the finding of a novel trafficking mechanism through CDRs and macropinocytosis that controls Hh signaling activation and repression brings new insights to how this pathway can be regulated and can lead to the discovery of novel therapeutic targets and strategies.

The synthesis of new 6-hydrazinopurines as potential anticancer agents

[Excerpt] Purines, such as adenine, are one of the most important naturally occurring nitrogen heterocycles and they are frequently used as bioactive agents.[1,2] The increasing number of synthetic purines reveals the great potential of these compounds as enzyme inhibitors. Protein Kinases have an important regulatory role in cell proliferation, differentiation and signalling processes. Abnormal signal transduction is responsible for devastating diseases such as cancer. All of the protein kinases identified have in common the cofactor ATP indicating that the adenine nucleus is a very important scaffold for discovery of new anti-cancer agents.[3,4] Previous work identified a modest anticancer activity in a family of 6-arylaminopurines. In the view of these results, it seemed reasonable to assume that some interesting anticancer agents might result by replacement of the phenyl group by a secondary amino group linked to the N-6 atom of the adenine moiety. (...)

Mecanismo de interacción, calcio dependiente, entre Calcineurina y PERK, involucrado en el Estrés de Retículo Endoplásmico. Ca2+ -dependent mechanism of interaction between Calcineurin and PERK involved in Endoplasmic Reticulum Stress.

El Estrés de Retículo Endoplásmico (RE) es inducido por la acumulación de proteínas sin plegar en el lumen de la organela. Esto se puede observar en diversas situaciones fisio-patológicas como durante una infección viral o en proceso isquémico. Además, contribuye a la base molecular de numerosas enfermedades ya sea índole metabólico (Fibrosis quística o Diabetes Miellitus) o neurodegenerativas como mal de Alzheimer o Parkinson (Mutat Res, 2005, 569). Para restablecer la homeostasis en la organela se activa una señal de transducción (UPR), cuya respuesta inmediata es la atenuación de la síntesis de proteína debido a la fosforilación de subunidad alpha del factor eucariótico de iniciación de translación (eIF2α) vía PERK. Esta es una proteína de membrana de RE que detecta estrés. Bajo condiciones normales, PERK está inactiva debido a la asociación de su dominio luminar con la chaperona BIP (Nat Cell Biol, 2000, 2: 326). Frente a una situación de estrés, la chaperona se disocia causando desinhibición. Recientemente, (Plos One 5: e11925) se observó, bajo condiciones de estrés, un aumento de Ca2+ citosólico y un rápido incremento de la expresión de calcineurina (CN), una fosfatasa citosólica dependiente de calcio, heterodimérica formada por una subunidad catalítica (CN-A) y una regulatoria (CN-B). Además, CN interacciona, sin intermediarios, con el dominio citosólico de PERK favoreciendo su trans-autofosforilación. Resultados preliminares indican que, astrocitos CNAβ-/- exhibieron, en condiciones basales, un mayor número de células muertas y de niveles de eIF2α fosforilado que los astrocitos CNAα-/-. Hipótesis: CNAβ/B interacciona con PERK cuando el Ca2+ citosólico esta incrementado luego de haberse inducido Estrés de RE, lo cual promueve dimerización y auto-fosforilación de la quinasa, acentuándose así la fosforilación de eIF2α e inhibición de la síntesis de proteínas. Esta activación citosólica de PERK colaboraría con la ya descrita, desinhibición luminal llevada cabo por BIP. Cuando el Ca2+ citosólico retorna a los niveles basales, PERK fosforila a CN, reduciendo su afinidad de unión y disociándose el complejo CN/PERK. Objetivo general: Definir las condiciones por las cuales CN interacciona con PERK y regula la fosforilación de eIF2α e inhibición de la síntesis de proteína. Objetivos específicos: I-Estudiar la diferencia de afinidades y dependencia de Ca2+, de las dos isoformas de CN (α y β) en su asociación con PERK. Además verificar la posible participación de la subunidad B de CN en esta interacción. II-Determinar si la auto-fosforilación de PERK es diferencialmente regulada por las dos isoformas de CN. III-Discernir la relación del estado de fosforilación de CN con su unión a PERK. IV-Determinar efectos fisiológicos de la interacción de CN-PERK durante la respuesta de Estrés de RE. Para llevar a cabo este proyecto se realizarán experimentos de biología molecular, interacción proteína-proteína, ensayos de fosforilación in vitro y un perfil de polisoma con astrocitos CNAβ-/- , CNA-/- y astrocitos controles. Se espera encontrar una mayor afinidad de unión a PERK de la isoforma β de CN y en condiciones donde la concentración de Ca2+ sea del orden micromolar e imite niveles del ión durante un estrés. Con respecto al estado de fosforilación de CN, debido a los resultados preliminares, donde solo se la encontró fosforilada en condiciones basales, se piensa que CN podría interactuar con mayor afinidad con PERK cuando CN se encuentre desfosforilada. Por último, se espera encontrar un aumento de eIF2α fosforilado y una acentuación de la atenuación de la síntesis de proteína como consecuencia de la mayor activación de PERK por su asociación con la isoforma β de CN en astrocitos donde el Estrés de RE se indujo por privación de oxigeno y glucosa. Estos experimentos permitirán avanzar en el estudio de una nueva función citoprotectora de CN recientemente descrita por nuestro grupo de trabajo y sus implicancias en un modelo de isquemia. The accumulation of unfolded proteins into the Endoplasmic Reticulum (ER) activates a signal transduction cascade called Unfolding Protein Response (UPR), which attempts to restore homeostasis in the organelle. (PKR)-like-ER kinase (PERK) is an early stress response transmembrane protein that is generally inactive due to its association with the chaperone BIP. During ER stress, BIP is tritrated by the unfolded protein, leading PERK activation and phosphorylation of eukaryotic initiation factor-2 alpha (eIF2alpha), which attenuates protein síntesis. If ER damage is too great and homeostasis is not restored within a certain period of time, an apoptotic response is elicited. We recently demonstrated a cytosolic Ca2+ increase in Xenopus oocytes after induce ER stress. Moreover, calcineurin A/B, a an heterotrimeric Ca2+ dependent phosphatases (CN-A/B), associates with PERK increasing its auto-phosphorylation and significantly enhancing cell viability. Preliminary results suggest that, CN-Aβ-/- knockout astrocytes exhibit a significant higher eIF2α phosphorylated level compared to CN-Aα-/- astrocytes. Our working hypothesis establishes that: CN binds to PERK when cytosolic Ca2+ is initially increased by ER stress, promoting dimerization and autophosphorylation, which leads to phosphorylation of elF2α and subsequently attenuation of protein translation. When cytosolic Ca2+ returns to resting levels, PERK phosphorylates CN, reducing its binding affinity so that the CN/PERK complex dissociates. The goal of this project is to determine the conditions by which CN binding to PERK attenuates protein translation during the ER stress response and subsequently, to determine how the interaction of CN with PERK is terminated when stress is removed. To perform this project is planed to do molecular biology experiments, pull down assays, in vitro phosphorylations and assess overall mRNA translation efficiency doing a polisome profile.

Interacciones inmuno-endócrinas: participación de tlr-4 y citoquinas pro-inflamatorias en la regulación de la proliferación de células lactotropas. Immuno-endocrine interactions: Contribution of tlr-4 and pro-inflammatory cytokines in the regulation of lactotroph cell proliferation.

El presente proyecto tiene como objetivo estudiar, a nivel celular y molecular, los mecanismos inmuno-endócrinos que participan en la proliferación de células lactotropas normales y tumorales frente a procesos inflamatorios inducidos experimentalmente. Una particular atención se pondrá al evaluar la contribución de IL-6 como citoquina intrahipofisaria durante el desarrollo tumoral y su rol como señal paracrina/autocrina en la senescencia hipofisaria. Debido a que agentes inflamatorios y anti-inflamatorios pueden inducir alteraciones en el crecimiento y la función hipofisaria, no se descartaría que, en el curso de una inflamación, como la inducida por el lipopolisacárido bacteriano LPS, puedan ocurrir modificaciones en el índice proliferativo de las células lactotropas y/o en la secreción de su producto hormonal, la prolactina. Dado el auge en las investigaciones referidas al campo de la modulación inmuno-endócrina, es que planteamos investigar la participación de TLR4, componente crucial del complejo proteico que inicia la señal LPS, en hipófisis normales y tumorales inducidas por estrógeno así como también en la línea celular somatolactotrópica GH3B6. Dentro de las vías de transducción de señales involucradas se determinará la participación de MAPK-ERK1/2 y de PI3K asi como la contribución de NF-kB en la regulación del crecimiento celular inducido por IL-6/LPS mediante el uso de inhibidores específicos. La microscopía electrónica y confocal, resultarán de fundamental importancia para valorar los procesos de translocación nuclear de NF-kB como así también para definir la localización ultraestructural de los mediadores mencionados. Además, se valorará el mecanismo de senescencia celular hipofisaria mediante parámetros morfológicos, bioquímicos y ultraestructurales durante el desarrollo de prolactinomas inducidos experimentalmente. Finalmente dilucidar las posibles vías de transducción de señales que se desencadenan frente a estímulos inflamatorios/proliferativos podría explicar algunos aspectos moleculares sobre la función de control del ciclo celular y las limitaciones de crecimiento en adenomas hipofisarios que subyacen en la falta de progresión de estos tumores a la malignidad. The aim of the present project is to study the immuno-endocrine mechanisms involved in the proliferation of normal and tumoral lactotrophs experimentally induced by inflammatory factors. Also, the contribution of IL-6 as a paracrine / autocrine signal in the pituitary senescence will be assessed along tumor development induced by estrogen treatment. Considering that both, inflammatory and anti-inflammatory agents can modify the pituitary function, it is possible that in the course of inflammation, as induced by bacterial lipopolysaccharide LPS, some alteration may occur in the proliferative index of lactotrophs and / or in the PRL secretion. Our main objective is to investigate the cellular and molecular mechanisms involved by the activation of TLR4, a crucial component of the protein complex initiated by LPS, in normal and pathological pituitaries induced by estrogen as well as in the GH3B6 cell line. The participation of MAPK-ERK1 / 2 and PI3K signaling pathway and the contribution of NF-kB in the proliferative responses triggered by IL-6/LPS will be analyzed by using specific inhibitors. Confocal microscopy analysis is essential to assess the process of nuclear translocation of NF-kB as well as the use of electron microscopy to define the ultrastructural localization of the above mentioned mediators. In addition, the mechanisms of pituitary cell senescence will be evaluated through morphological, biochemical and ultrastructural approaches during the development of experimental prolactinomas. Finally, the elucidation of possible signal transduction pathways which are triggered by inflammatory / proliferative stimuli, would explain some molecular aspects of cell cycle control and limitations in pituitary tumor growth that underlie the lack of progress in these pituitary tumors to malignancy.