Structure-function relationships in a glycosyltransferase, a phosphatase and an oxidoreductase

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biochemistry

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.

Atheroembolic Renal Disease As a Cause of Allograft Primary Non-Function

Atheroembolic renal disease, also referred to as cholesterol crystal embolization, is a rare cause of renal failure, secondary to occlusion of renal arteries, renal arterioles and glomerular capillaries with cholesterol crystals, originating from atheromatous plaques of the aorta and other major arteries. This disease can occur very rarely in kidney allografts in an early or a late clinical form. Renal biopsy seems to be a reliable diagnostic test and cholesterol clefts are the pathognomonic finding. However, the renal biopsy has some limitations as the typical lesion is focal and can be easily missed in a biopsy fragment. The clinical course of these patients varies from complete recovery of the renal function to permanent graft loss. Statins, acetylsalicyclic acid, and corticosteroids have been used to improve the prognosis. We report a case of primary allograft dysfunction caused by an early and massive atheroembolic renal disease. Distinctive histology is presented in several consecutive biopsies. We evaluated all the cases of our Unit and briefly reviewed the literature. Atheroembolic renal disease is a rare cause of allograft primary non -function but may become more prevalent as acceptance of aged donors and recipients for transplantation has become more frequent.

Gain-of-Function Mutations in IFIH1 Cause a Spectrum of Human Disease Phenotypes Associated with Upregulated Type I Interferon Signaling

The type I interferon system is integral to human antiviral immunity. However, inappropriate stimulation or defective negative regulation of this system can lead to inflammatory disease. We sought to determine the molecular basis of genetically uncharacterized cases of the type I interferonopathy Aicardi-Goutières syndrome, and of other patients with undefined neurological and immunological phenotypes also demonstrating an upregulated type I interferon response. We found that heterozygous mutations in the cytosolic double-stranded RNA receptor gene IFIH1 (MDA5) cause a spectrum of neuro-immunological features consistently associated with an enhanced interferon state. Cellular and biochemical assays indicate that these mutations confer a gain-of-function - so that mutant IFIH1 binds RNA more avidly, leading to increased baseline and ligand-induced interferon signaling. Our results demonstrate that aberrant sensing of nucleic acids can cause immune upregulation.

Liver function evaluation in leptospirosis with colloidal gold 1 9 8 Au

Eight patients with leptospirosis were studied with colloidal gold 1 9 8 Au. The radiocolloidal hepatic distribution was altered, presenting a non-homogeneous tiver concentration in seven cases, and a minute to moderate splenic visualization in five. Two patients presented doubtful splenic image, and one seemed to be normal. Liver scanning with colloidal gold 1 9 8 Au is demonstra ted to be a good liver function test.

The compliance function in banking: Perspective and future in the age of globalization

A Work Project, presented as part of the requirements for the Award of a Masters Degree in Management from the NOVA – School of Business and Economics

Establishment and characterization of a human model of the blood-brain barrier

Dissertação apresentada para a obtenção do Grau de Mestre em Genética Molecular e Biomedicina, pela Universidade N ova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Evaluation of platelet number and function and fibrinogen level in patients bitten by snakes of the Bothrops genus

Platelet function and plasma fibrinogen levels were evaluated in 14 patients, 10 males and 4females, aged 13-59years bitten by Bothrops genus snakes. There was a statistical difference (p < 0.05) among plasma fibrinogen levels evaluated 24 and 48 hours after envenomation. There was a tendency towards normalization after 48 hours of treatment. The low platelet number was clear in 24-48 hour evaluations with a tendency towards normalization after 48 hours of treatment (p<0.05). Fibrinogen levels and fibrin degradation product (FDP) levels appeared to be altered in 83.33% of patients evaluated. The authors suggest that platelet hypoaggregation is related to decreased fibrinogen and increased FDP levels.

Micropollutant bioremoval in wastewater treatment systems: from microbial population structure to function

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology

Hedging in a discontinuous market: the barrier option

A Work Project, presented as part of the requirements for the Award of a Masters Degree in Finance from the NOVA – School of Business and Economics

STRUCTURE-FUNCTION ANALYSIS OF MULTI-COPPER OXIDASES

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

Dissecting the function of the SpoIIIJ and YqjG membrane protein insertases during bacterial spore development

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology, Microbial Biology

Regulation and function of the cell wall polymer lipoteichoic acid in staphylococcus aureus

A thesis submitted for the Degree of Master in Medical microbiology

Cardiovascular function in elderly patients with chronic chagasic cardiopathy

The objective of this work was to verify the degree and type of heart damage of elderly chagasic patients seen at an outpatient referral center and to compare them with the changes found in young chagasic patients with a similar degree of heart damage. Elderly and young patients without advanced cardiopathy presented good functional behavior. Elderly patients with advanced cardiopathy had more ventricular premature beats (VPB) in 24 h and less functional capacity in the exercise test than young patients of the same subgroup. There was a higher occurrence of effort-induced VPB and a lower prevalence of severe forms in elderly men, suggesting that Chagas' disease may have a worse evolution in males. The association of cardiac damage characteristic of aging with the secondary damage due to Chagas' disease could explain the greater functional damage found in elderly chagasic patients. Thus, it appears that the physiopathological components of Chagas' disease do have an influence on the clinical course of cardiopathy in the elderly population.

Development of population-specific function assessment intrument in Lebanon

RESUMO: Contexto: O funcionamento tem sido reconhecido como um dos principais indicadores de resultados para avaliar se as pessoas beneficiam das intervenções destinadas a melhorar a sua saúde mental. O funcionamento refere-se à forma como um indivíduo consegue responder às suas tarefas e solicitações, dos seus familiares e da sua comunidade, de acordo com os requisitos do local e a cultura em que vive (eg, tarefa de cozinhar e limpar para as mulheres em algumas culturas ). O funcionamento é altamente dependente da cultura - por isso, tem sido recomendado o desenvolvimento de medidas de funcionamento específicas de cada cultura. Desenvolver localmente os instrumentos de medida evita problemas de adequação, associados com a adaptação de instrumentos ocidentais. Embora os instrumentos criados desta forma sejam específicos de um meio cultural, eles são simultaneamente "transculturais", no sentido em que cada um se refere às tarefas mais importantes para a população local . Esta abordagem mostrou-se útil para investigadores e agências de ajuda (eg, ONGs) que trabalham em países não-ocidentais . Este estudo descreve o trabalho da agência International Medical Corps (IMC) na criação e validação de um questionário de funcionamento específico nas dimensões cultura e gênero, no Líbano, destinado a avaliar eventuais melhorias em pessoas que receberam intervenções de para problemas de saúde mental, a nível dos cuidados primários de saúde. Método: O instrumento foi desenvolvido usando um método que é uma alternativa à abordagem existente de adaptação de instrumentos ocidentais a outras culturas e situações; esta abordagem é rápida e exequível, tendo já demonstrado ser útil no desenvolvimento de instrumentos válidos e fidedignos. Inicialmente, foi solicitado que as pessoas identificassem, de uma lista livre, as tarefas mais importantes para cuidar de si próprias, da sua família e da sua comunidade; as tarefas identificadas foram posteriormente usadas como base para um instrumento de avaliação de funcionamento culturalmente válido. A partir daqui, foram desenvolvidos questionários específicos da comunidade em questão, posteriormente testados no terreno nas vertentes da validade (de conteúdo, facial e de constructo) e da fiabilidade (teste-reste e inter-entrevistadores). Resultados. O estudo resultou na criação e validação de um questionário de funcionamento específico de cultura e gênero capaz de medir efectivamente a capacidade de execução de tarefas importantes do quotidiano,como parte da avaliação de resultados levada a cabo por profissionais da CSP previamente treinados na identificação, suporte e encaminhamento de pessoas com problemas de saúde mental no Líbano. Conclusão. Neste trabalho descreve-se o desenvolvimento de um questionário de funcionamento específico de cultura e gênero, orientado para a avaliação de resultados, num contexto mais lato de um sistema abrangente de avaliação e monitorização de um serviço comunitário. --------------ABSTRACT: Background. Functioning has been recognized as one of the most important key outcomes to assess whether people benefit from interventions aimed to improve their mental health. Functioning refers to how well na individual can complete the tasks and demands for themselves, their family, and their community which are required by them depending on the setting and the culture they live in (e.g. task of cooking and cleaning for women in some cultures). Functioning is highly dependent on culture. Therefore, it has been recommended to develop culture-specific measures of function. Developing instruments locally avoids the problems of limited local relevance and appropriateness associate with adapting western instruments. Although each instrument created in this way is culturally bound, they are “cross cultural” in the sense that each refers to the tasks most important to local people. This approach proves useful for both researchers and aid agencies working in non-western countries. This study describes International Medical Corps’ (IMC) work in Lebanon to create and validate a culture and gender specific functioning questionnaire to assess improvements in people who received treatment interventions for mental health problems at the primary health care (PHC) level. Method. The measure was developed using a method that is an alternative to the existing approach of adapting western function instruments to other cultures and situations; an approach which has been demonstrated as rapid, feasible and which can yield valid and reliable instruments. Function was assessed by first asking local people what tasks are important to care for themselves, their family and their community using free listing, then using these tasks as the basis for a culturally valid function assessment instrument. Community specific function questionnaires based on these tasks were then created, and field-tested for validity using content, face and construct validity methods, and also field tested for reliability using inter-rater and test retest reliability methods. Results. The study resulted in the creation and validation of a culture and gender specific functioning questionnaire that would effectively measure the ability to do tasks important to daily existence, as part of assessing client level outcomes where PHC providers were trained in the identification, management and referral of people with mental health problems in Lebanon. Conclusion. The paper describes a successful pilot for developing culture and gender specific functioning questionnaires that evaluate client level outcomes as part of a more comprehensive system for monitoring and evaluation of community based case management supports and services.