Alimenti Funzionali e Componenti Nutraceutici come Biomodulatori

Recent knowledge supports the hypothesis that, beyond meeting nutrition needs, diet may modulate various functions in the body and play beneficial roles in some diseases. Research on functional foods is addressing the physiologic effects and health benefits of foods and food components, with the aim of authorizing specific health claims. The recognition that oxidative stress plays a major role in the pathophysiology of cardiac disorders has led to extensive investigations of the protective effects of exogenous antioxidants, but results are controversial. A promising strategy for protecting cardiac cells against oxidative damage may be through the induction of endogenous phase 2 enzymes with the enhancement of cellular antioxidant capacity. Sulforaphane (SF), a naturally occurring isothiocyanate abundant in Cruciferous vegetables, has gained attention as a potential chemopreventive compound thanks to its ability to induce several classes of genes implicated in reactive oxygen species (ROS) and electrophiles detoxification. Antioxidant responsive element (ARE)-mediated gene induction is a pivotal mechanism of cellular defence against the toxicity of electrophiles and ROS. The transcription factor NF-E2-related factor-2 (Nrf2), is essential for the up-regulation of these genes. We investigated whether SF could exert cardioprotective effects against oxidative stress and elucidated the mechanisms underpinning these effects. Accordingly, using cultured rat neonatal cardiomyocytes as a model system, we evaluated the time-dependent induction of gene transcription, the corresponding protein expression and activity of various antioxidant and phase 2 enzymes (catalase, superoxide dismutase, glutathione and related enzymes glutathione reductase, glutathione peroxidase and glutathione S-transferase, NAD(P)H: quinone oxidoreductase 1 and thioredoxine reductase) elicited by SF. The results were correlated to intracellular ROS production and cell viability after oxidative stress generated by H2O2, and confirmed the ability of SF to exert cytoprotective effects acting as an indirect antioxidant. Furthermore, to get better insight into SF mechanism of action, we investigated the effect of SF treatment on Nrf2 and the upstream signalling pathways MAPK ERK1/2 and PI3K/Akt, known to mediate a pro survival signal in the heart. The use of specific inhibitors of ERK1/2 and Akt phosphorylation demonstrated their involvement in phase 2 enzymes induction. The concentration of SF tested in this study is comparable to peak plasma concentration achieved after dietary exposure giving clear relevance to our data to support dietary intake of Cruciferous vegetables in cytoprotection against oxidative stress, a common determinant of many cardiovascular diseases.

Study of molecular mechanisms in cardio- and neuroprotection and possibility of modulation by nutraceutical phytocomponents

Ischemic preconditioning is a complex cardioprotective phenomenon that involves adaptive changes in cells and molecules. This adaptation occurs in a biphasic pattern: an early phase which develops after 1-2 h, and a late phase that develops after 12-24 h. While it is widely accepted that reactive oxygen species (ROS) are strongly involved in triggering ischemic preconditiong, it is not clear if they play a major role in the early or late phase of preconditioning and which are the mechanisms involved. Methylglyoxal, a metabolic compound formed mainly from the glycolytic intermediate glyceraldehyde-3-phosphate., is a precursor of advanced glycation end product (AGEs) .It is more reactive than glucose and shows a stronger ability to cross-link with protein amino groups to form AGEs. Methylglyoxal induced cytotoxicity may be at least partially responsible for cardiovascular and Alzheimer diseases. Methylglyoxal omeostasis is controlled by the glyoxalase system that consists of two enzyme, glyoxalase 1 (GLO1) and glyoxalase 2. In a recent study it was demonstrated that the transcriptional levels of GLO1 are controlled by NF-E2-related factor 2 (Nrf2). The isothiocyanate sulforaphane, derived from the hydrolysis of glucoraphanin abundantly present in broccoli, represents one of the most potent inducers of phase II enzymes through the Keap1–Nrf2 pathway. The aim of this thesis was evaluated molecular mechanisms in cardio- and neuroprotection and the possibility of modulation by nutraceutical phytocomponents This thesis show to one side that the protection induced by H2O2 is mediated by detoxifying and antioxidant phase II enzymes induction, regulated, not only by transcriptional factor Nrf2, but also by Nrf1; on the other side our data represent an innovative result because for the first time it was demonstrated the possibility of inducing GLO1 by SF supplementation.

Untersuchungen zur Wirkung des Ginkgo-biloba-Extraktes EGb 761 auf die Proteinaggregation in der Huntington-Krankheit

Der Ginkgo biloba-Extrakt EGb 761 besteht aus einer Reihe pharmakologisch wirksamer Substanzen, welche gut beschriebene Wirkungen auf verschiedene potentiell zytoprotektive Signalwege ausüben und u.a. antioxidative Wirksamkeit haben. Folglich wurde EGb 761 bisher als eine natürliche Behandlung bei neurodegenerativen Erkrankungen mit zellulärem oxidativen Stress angewendet, einschließlich der Alzheimer-Krankheit (AD). Aufgrund von vielen gemeinsamen Merkmalen zwischen der AD und der Huntington-Krankheit (HD) wurde vermutet, dass EGb 761 eventuell auch positive Wirksamkeit bei der HD aufweisen könnte. rnDie Neuropathologie der HD wird durch pathologische Verlängerung an Glutamin-Wiederholungen im Huntingtin-Protein (polyQ-Protein) verursacht, wodurch es zu Fehlfaltungen im Protein kommt und hierdurch der proteasomale Abbau aberranter Proteine erschwert wird. Somit sollten in der vorliegenden Arbeit die EGb 761-Wirkungen auf die Proteasom-Aktivität und die Proteinaggregation in zellulären Modellen der HD untersucht werden. rnWie die ersten Untersuchungen in nativen HEK293-Zellen ergaben, bewirkte die Behandlung der Zellen mit EGb 761 eine Steigerung der basalen Proteasom-Aktivität sowie des proteasomalen Proteinabbaus und erhöhte die Transkription proteasomaler Gene. Hieraus ergaben sich Untersuchungen in Zellen mit Expressionen pathologischer Varianten von polyQ-Proteinen als zelluläre Modelle der HD. Hierbei konnte festgestellt werden, dass die Expression aberranter polyQ-Proteine eine verminderte zelluläre Proteasom-Aktivität bewirkte. Interessanterweise verursachte EGb 761 eine Abmilderung der pathologisch-induzierten verminderten Proteasom-Aktivität, in dem die EGb 761-Behandlung der Zellen zu einer erhöhten Proteasom-Aktivität, einem verbesserten proteasomalen Proteinabbau, sowie zu einer erhöhten Transkription proteasomaler Gene führte. Da diese EGb 761-Effekte unabhängig von der Expression aberranter polyQ-Proteine waren, demonstrierten diese Ergebnisse eine allgemeine EGb 761-Wirkungen auf die Proteasom-Aktivität. Anhand dieser Ergebnisse sollten anschließend weitere Untersuchungen mit zellulären Modellen der HD die genau Wirkung von EGb 761 auf die Degradation von abnormal verlängerten polyQ-Proteinen sowie auf die Bildung von polyQ-Aggregaten klären. rnHier konnte gezeigt werden, dass die Expression aberranter polyQ-Proteinen zu einer Akkumulation von SDS-resistenten bzw. SDS-unlöslichen, aggregierten polyQ-Proteinen führte, sowie die Bildung von sichtbaren polyQ-Aggregaten in Zellen bewirkte. Hierbei verursachte eine EGb 761-Behandlung der Zellen eine signifikante Verminderung im Gehalt an SDS-resistenten polyQ-Proteinen sowie eine Reduzierung von Aggregat-tragenden Zellen. Zudem konnte gezeigt werden, dass eine pharmakologische Inhibition des Proteasoms in EGb 761-behandelten Zellen, den Gehalt an SDS-unlöslichen polyQ-Proteinaggregate wieder erhöhte und somit den Effekt von EGb 761 aufhob. Folglich zeigten diese Ergebnisse, dass die EGb 761-induzierte Reduzierung der polyQ-Proteinaggregate durch einen effizienteren proteasomalen Abbau von fehlgefalteten, aberranten polyQ-Proteinen bewirkte wurde. rnAufbauend auf diesen Ergebnissen wurde eine experimentell-therapeutische Anwendung von EGb 761 in Modellen der HD in vitro und in vivo überprüft und hierzu primäre humane Fibroblasten sowie transgene C. elegans Würmer mit Expressionen aberranter polyQ-Proteine untersucht. Interessanterweise konnte in vitro und in vivo gezeigt werden, dass die EGb 761-Behandlung auch hier eine Reduzierung von SDS-unlöslichen polyQ-Proteinen bewirkte und zudem eine Reduzierung des pathologisch erhöhten Gehalts an Polyubiquitin-Proteinen bewirkte. Folglich wurde auch hier vermutet, dass EGb 761 einen verbesserten proteasomalen Abbau von polyQ-Proteinen induzierte und dies eine Verminderung der polyQ-Proteinaggregate verursachte. Darüber hinaus führte die EGb 761-Behandlung von seneszenten Fibroblasten zur Reduzierung von altersabhängig erhöhten Mengen von polyQ-Aggregaten, wodurch ein therapeutischer Effekt auf den proteasomalen Abbau der polyQ-Proteine verdeutlicht wurde. Zusätzlich konnte in polyQ-transgenen C. elegans demonstriert werden, dass eine EGb 761-Behandlung die Abmilderung eines typischen pathologischen Phänotyps bewirkte, indem eine polyQ-induzierte verminderte Motilität der Nematoden verbessert wurde und hierdurch eine positive EGb 761-Wirkung auf die Pathologie der HD in vivo dargestellt wurde. rnZusammenfassend konnten in dieser Arbeit neue Wirkungen von EGb 761 in der HD demonstriert werden. Hierbei wurde gezeigt, dass EGb 761 die Aggregation von pathogenen aberranten polyQ-Proteinen in vitro und in vivo reduziert, indem eine effizientere Degradation von polyQ-Proteinen erfolgt. Somit könnte diese Wirkungen von EGb 761 eine potentiell therapeutische Anwendung in der HD und ähnliche neurodegenerativen Erkrankungen darstellen.

Rheumatoide Arthritis und Arteriosklerose : Bedeutung der zu Grunde liegenden chronisch entzündlichen Prozesse für die endotheliale Dysfunktion ; Wirkung der antiinflammatorischen Substanz Galiellalacton in murinen Arteriosklerosemodellen

Erhöhte arteriosklerotische und thrombotische Vorfälle sind ein Hauptgrund für die gesteigerten Zahlen kardiovaskulärer Todesfälle von Patienten mit chronisch entzündlichen Erkrankungen wie der rheumatoiden Arthritis (RA). Diese erhöhte Mortalität ist nicht auf die traditionellen Risikofaktoren, wie Alter, Geschlecht, Bluthochdruck oder Diabetes zurückzuführen. Man nimmt an, dass die systemische Entzündung einen nicht-traditionellen Risikofaktor für die erhöhten kardiovaskulären Todesfälle von RA-Patienten darstellt. Da die derzeitige Behandlung der RA zum Teil schwere Nebenwirkungen zur Folge haben kann, war es das Ziel dieser Doktorarbeit, die Zusammenhänge zwischen RA und Arteriosklerose (AS) näher zu untersuchen, sowie die neue antiinflammatorische Substanz Galiellalacton (Gal) für die Behandlung der AS zu charakterisieren.rnIn dem chronisch inflammatorischen Tiermodell der TTP-defizienten Mäuse, dessenrnPhänotyp dem einer humanen RA-Erkrankung ähnelt, konnte eine verschlechterternEndothelfunktion, die als ein erstes Symptom einer erworbenen AS gilt, nachgewiesen werden. Dies konnte auf eine erhöhte Stabilität der Nox2-mRNA zurückgeführt werden, die unabhängig von der erhöhten Expression des Entzündungsmarkers TNFα war. Diese gesteigerte Nox2-Menge führte wiederum zu einer erhöhten Bildung von reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspezies und somit zu einer verringerten Menge an bioaktivem Stickstoffmonoxid, welches die endotheliale Dysfunktion (eDF) bedingte.rnAls ein traditioneller Risikofaktor für das Auftreten von kardiovaskulären Ereignissen gilt unter anderem eine Diabeteserkrankung. Durch die Ausbildung einer Nitrattoleranz bei der Therapie mit organischen Nitraten wie NTG, ISMN oder ISDN kommt es zu der Entwicklung einer eDF. PETN, ein weiteres organisches Nitrat zeigt diese Nebenwirkung nicht. PETN, vermittelt seinen antioxidativen Effekt über die Nrf2-abhängige Induktion der HO-1-Promotoraktivität.rnDie Behandlung von arteriosklerotischen Mäusen (ApoE-/-- und ApoE-/-TFPI+/--Mäuse) mit dem antiinflammatorischen Pilzsekundärmetaboliten Gal zeigte eine verringerte mRNA-Expression von arteriosklerotischen und inflammatorischen Mediatoren, sowie eine reduzierte Thrombenbildung durch eine verringerte Plättchenadhäsion.rnZusammenfassend konnte gezeigt werden, dass inflammationsabhängiger oxidativerrnStress ein Hauptgrund für die entzündungsgetriebene Artheriogenese ist und Galrneine neue Leitsubstanz für die Behandlung dieser Erkrankung ist.

Untersuchung zur endogenen Bildung von oxidativen DNA-Schäden in vivo und in vitro

In dieser Arbeit sollte der Einfluss einer Überproduktion von humaner Superoxiddismutase 1 (hSOD1) auf die Spiegel der DNA-Schäden in verschiedenen Geweben von transgenen Mäusen untersucht werden. Tiere die eine Defizienz des Ogg1- und Csb- Proteins aufweisen und deshalb oxidative Purinmodifikationen nicht oder nur schwer reparieren können, akkumulieren 8-oxoG im Laufe ihres Lebens (Osterod, et al. 2001). Aus diesem Grund sind diese ein gutes Modell, um protektive Eigenschaften von Antioxidantien wie z.B. Substanzen oder Enzymen zu untersuchen. Fusser, et al. 2011 konnten beispielsweise zeigen, dass das pflanzliche Polyphenol Resveratrol die endogenen Spiegel an 8-oxoG sowie die spontanen Mutatiosraten im Lac I - Gen senken kann. Um den Einfluss von hSOD1 in vivo zu untersuchen, wurden in zwei Zuchtschritten 4 Mausgenotypen generiert, nämlich (Csb -/- Ogg1 -/- und Csb +/- Ogg1 +/- Mäuse jeweils mit ohne hSOD1 Überexpression). Diese wurden in verschiedenen Altersstufen auf die Basalspiegel an oxidativen Schäden (Einzelstrangbrüche und Fpg-sensitive Läsionen) in der Leber, der Niere und der Milz untersucht. Die Genotypen wurden zunächst charakterisiert und die hSOD1-Überexpression mittels qRT-PCR, Western Blot und Enzymaktivitätsbestimmung verifiziert. Es konnte an diesen Tieren erstmalig gezeigt werden, dass SOD die Generierung von DNA-Schäden in vivo mit zunehmendem Alter der Tiere senkt und dass deshalb Superoxid eine der reaktiven Sauerstoffspezies ist, die unter physiologischen Bedingungen für die DNA-Schäden verantwortlich ist. Außerdem kann ein möglicher toxischer Effekt der Überproduktion von SOD ausgeschlossen werden. Erhöhte Spiegel an oxidativen DNA-Schäden durch womöglich erhöhte Spiegel an H2O2 konnten in dieser Studie nicht beobachtet werden. Eine Messung der Genexpression anderer antioxidativer Enzyme wie Katalase, SOD2 und SOD3, GPX oder HO1 sind an diesem Effekt nicht beteiligt. Auch konnte kein Einfluss des redoxsensitiven Transkriptionsfaktors Nrf2 gezeigt werden. rnUm mögliche Quellen der für die oxidativ gebildeten DNA-Schäden verantwortlichen ROS zu identifizieren, wurde der Einfluss des Dopaminstoffwechsels untersucht. Während des Dopaminmetabolismus werden intrazellulär Reaktive Sauerstoffspezies (H2O2 und O2.-) gebildet und tragen sehr wahrscheinlich zur Entstehung von neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson bei. In dem gängigen Parkinson-Zellkulturmodell SH-SY5Y konnte keine Erhöhung von oxidativen Schäden in nukleärer DNA nach Dopaminbehandlung nachgewiesen werden. Eine Überexpression der Dopaminmetabolisierenden Enzyme MAO-A und MAO-B zeigen bei niedrigen Dosen Dopamin eine leichte jedoch nicht signifikante Erhöhung der Fpg-sensitiven Modifikationen. Die Überproduktion des Dopamintransporters zeigte keinen Effekt nach Dopaminzugabe. Es kann geschlussfolgert werden, dass durch erhöhte MAO-A und MAO-B endogen ROS gebildet werden, die die Bildung Fpg-sensitiver Läsionen hervorrufen. Bei hohen Dosen und langer Inkubationszeit steht die Dopaminautoxidation, anschließende Neuromelaninbildung und als Konsequenz Apoptose im Vordergrund.rn

Sulforaphane improves cognitive function administered following traumatic brain injury.

Recent studies have shown that sulforaphane, a naturally occurring compound that is found in cruciferous vegetables, offers cellular protection in several models of brain injury. When administered following traumatic brain injury (TBI), sulforaphane has been demonstrated to attenuate blood-brain barrier permeability and reduce cerebral edema. These beneficial effects of sulforaphane have been shown to involve induction of a group of cytoprotective, Nrf2-driven genes, whose protein products include free radical scavenging and detoxifying enzymes. However, the influence of sulforaphane on post-injury cognitive deficits has not been examined. In this study, we examined if sulforaphane, when administered following cortical impact injury, can improve the performance of rats tested in hippocampal- and prefrontal cortex-dependent tasks. Our results indicate that sulforaphane treatment improves performance in the Morris water maze task (as indicated by decreased latencies during learning and platform localization during a probe trial) and reduces working memory dysfunction (tested using the delayed match-to-place task). These behavioral improvements were only observed when the treatment was initiated 1h, but not 6h, post-injury. These studies support the use of sulforaphane in the treatment of TBI, and extend the previously observed protective effects to include enhanced cognition.

Estudio del papel inmunomodulador de los antipsicóticos atípicos Risperidona/Paliperidona

Las alteraciones en el sistema inmune innato y en la respuesta inflamatoria, ya sean causadas por factores endógenos o exógenos, han sido implicadas como un componente fundamental en la fisiopatología de las enfermedades psiquiátricas. Esto es de gran relevancia en la esquizofrenia, una enfermedad incurable de gran impacto socioeconómico que afecta al 1% de la población mundial, caracterizada por alteraciones en la neurotransmisión, cuyos tratamientos antipsicóticos sólo engloban parte de la sintomatología de la enfermedad, tienen importantes efectos adversos, y una gran proporción de los pacientes muestran resistencia al tratamiento y baja adherencia. Uno de los principales factores de riesgo ambiental de esta enfermedad es la exposición al estrés. El estrés es capaz de activar indirectamente, mediante el daño celular o la permisividad ante patógenos, uno de las principales agentes de la inmunidad innata, los receptores tipo Toll (TLR). TLR3 actúa principalmente como centinela frente a infecciones virales al reconocer las dobles hebras de RNA viral, en cambio, TLR4 detecta principalmente el LPS, un componente estructural de las paredes de bacterias Gram negativas. Además, ambos TLRs son capaces de detectar patrones moleculares asociados a daño (DAMPs). Los principales coordinadores de la respuesta celular inmune son las citoquinas, las cuales inducen una respuesta Th1, Th2 o Th reguladora, también son las encargadas de activar la microglía en reposo, y una vez más son las que orquestan la polarización M1 o M2 según las citoquinas presentes en el ambiente. Por otro lado, el daño celular y la acumulación de mediadores proinflamatorios oxidativo/nitrosativos activan vías antioxidantes como la del factor NRF2, que a su vez también incide en la regulación de la activación microglial. Otro factor que interviene en el proceso, y que se relaciona directamente con la enfermedad es el sistema endocannabinoide...

Calcineurin expression and activity is regulated by the intracellular redox status and under hypertension in human neutrophils

Calcineurin (protein phosphatase 2B) (CN) comprises a family of serine/threonine phosphatases that play a pivotal role in signal transduction cascades in a variety of cells, including neutrophils. Angiotensin II (Ang II) increases both activity and de novo synthesis of CN in human neutrophils. This study focuses on the role that intracellular redox status plays in the induction of CN activity by Ang II. Both de novo synthesis of CN and activity increase promoted by Ang II were downregulated when cells were treated with l-buthionine-(S,R)-sulfoximine, an inhibitor of synthesis of the antioxidant glutathione. We have also investigated the effect of pyrrolidine dithiocarbamate and phenazine methosulfate, which are antioxidant and oxidant compounds, respectively, and concluded that the intracellular redox status of neutrophils is highly critical for Ang II-induced increase of CN expression and activity. Results obtained in neutrophils from hypertensive patients were very similar to those obtained in these cells on treatment with Ang II. We have also addressed the possible functional implication of CN activation in the development of hypertension. Present findings indicate that downregulation of hemoxygenase-1 expression in neutrophils from hypertensive subjects is likely mediated by CN, which acts by hindering translocation to the nucleus of the transcription factor NRF2. These data support and extend our previous results and those from other authors on modulation of CN expression and activity levels by the intracellular redox status.

Transcriptional network dynamics in macrophage activation

Transcriptional regulatory networks govern cell differentiation and the cellular response to external stimuli. However, mammalian model systems have not yet been accessible for network analysis. Here, we present a genome-wide network analysis of the transcriptional regulation underlying the mouse macrophage response to bacterial lipopolysaccharide (LPS). Key to uncovering the network structure is our combination of time-series cap analysis of gene expression with in silico prediction of transcription factor binding sites. By integrating microarray and qPCR time-series expression data with a promoter analysis, we find dynamic subnetworks that describe how signaling pathways change dynamically during the progress of the macrophage LPS response, thus defining regulatory modules characteristic of the inflammatory response. In particular, our integrative analysis enabled us to suggest novel roles for the transcription factors ATF-3 and NRF-2 during the inflammatory response. We believe that our system approach presented here is applicable to understanding cellular differentiation in higher eukaryotes. (c) 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.

Mechanisms of Mycoplasma-induced inflammation and cellular transformation

There is a growing interest in “medical gasses” for their antibacterial and anti-inflammatory properties. Hydrogen sulfide (H2S), a member of the family of gasotransmitters, is in fact increasingly being recognized as an important signaling molecule, but its precise role in the regulation of the inflammatory response is still not clear. For this reason, the aim of the first part of this thesis was to investigate the effects of H2S on the expression of pro-inflammatory cytokines, such as MCP-1, by using an in vitro model composed by both primary monocytes-derived macrophages cultures and the human monocytic cell line U937 infected with Mycoplasma fermentans, a well-known pro-inflammatory agent. In our experiments, we observed a marked increase in the production of pro-inflammatory cytokines in infected cells. In particular, MCP-1 was induced both at the RNA and at the protein level. To test the effects of H2S on infected cells, we treated the cells with two different H2S donors (NaHS and GYY4137), showing that both H2S treatments had anti-inflammatory effects in Mycoplasma-infected cells: the levels of MCP-1, both mRNA expression and protein production, were reduced. Our subsequent studies aimed at understanding the molecular mechanisms responsible for these effects, focused on two specific molecular pathways, both involved in inflammation: the NF-κB and the Nrf2 pathway. After treatment with pharmacological inhibitors, we demonstrated that Mycoplasma fermentans induces MCP-1 expression through the TLR-NF-κB pathway with the nuclear translocation of its subunits, while treatment with H2S completely blocked the nuclear translocation of NF-κB heterodimer p65/p50. Then, once infected cells were treated with H2S donors, we observed an increased protective effect of Nrf2 and also a decrease in ROS production. These results highlight the importance of H2S in reducing the inflammatory process caused by Mycoplasma fermentans. To this regard, it should be noted that several projects are currently ongoing to develop H2S-releasing compounds as candidate drugs capable of alleviating cell deterioration and to reduce the rate of decline in organ function. In the second part of this study, we investigated the role of Mycoplasma infection in cellular transformation. Infectious agents are involved in the etiology of many different cancers and a number of studies are still investigating the role of microbiota in tumor development. Mycoplasma has been associated with some human cancers, such as prostate cancer and non-Hodgkin’s lymphoma in HIV-seropositive people, and its potential causative role and molecular mechanisms involved are being actively investigated. To this regard, in vitro studies demonstrated that, upon infection, Mycoplasma suppresses the transcriptional activity of p53, key protein in the cancer suppression. As a consequence, infected cells were less susceptible to apoptosis and proliferated more than the uninfected cells. The mechanism(s) responsible for the Mycoplasma-induced inhibitory effect on p53 were not determined. Aim of the second part of this thesis was to better understand the tumorigenic role of the microorganism, by investigating more in details the effect(s) of Mycoplasma on p53 activity in an adenocarcinoma HCT116 cell line. Treatment of Mycoplasma-infected cells with 5FU or with Nutlin, two molecules that induce p53 activity, resulted in cellular proliferation comparable to untreated controls. These results suggested that Mycoplasma infection inhibited p53 activity. Immunoprecipitation of p53 with specific antibodies, and subsequent Gas Chromatography and Mass Spectroscopy (GC-MS) assays, allowed us to identify several Mycoplasma-specific proteins interacting with p53, such as DnaK, a prokaryotic heat shock protein and stress inducible chaperones. In cells transfected with DnaK we observed i) reduced p53 protein levels; ii) reduced activity and expression of p21, Bax and PUMA, iii) a marked increase in cells leaving G1 phase. Taken together, these data show an interaction between the human p53 and the Mycoplasma protein DnaK, with the consequent decreased p53 activity and decreased capability to respond to DNA damage and prevent cell proliferation. Our data indicate that Mycoplasma could be involved in cancer formation and the mechanism(s) has the potential to be a target for cancer diagnosis and treatment(s).

Protein oxidation:role in signalling and detection by mass spectrometry

Proteins can undergo a wide variety of oxidative post-translational modifications (oxPTM); while reversible modifications are thought to be relevant in physiological processes, non-reversible oxPTM may contribute to pathological situations and disease. The oxidant is also important in determining the type of oxPTM, such as oxidation, chlorination or nitration. The best characterized oxPTMs involved in signalling modulation are partial oxidations of cysteine to disulfide, glutathionylated or sulfenic acid forms that can be reversed by thiol reductants. Proline hydroxylation in HIF signalling is also quite well characterized, and there is increasing evidence that specific oxidations of methionine and tyrosine may have some biological roles. For some proteins regulated by cysteine oxidation, the residues and molecular mechanism involved have been extensively studied and are well understood, such as the protein tyrosine phosphatase PTP1B and MAP3 kinase ASK1, as well as transcription factor complex Keap1-Nrf2. The advances in understanding of the role oxPTMs in signalling have been facilitated by advances in analytical technology, in particular tandem mass spectrometry techniques. Combinations of peptide sequencing by collisionally induced dissociation and precursor ion scanning or neutral loss to select for specific oxPTMs have proved very useful for identifying oxidatively modified proteins and mapping the sites of oxidation. The development of specific labelling and enrichment procedures for S-nitrosylation or disulfide formation has proved invaluable, and there is ongoing work to establish analogous methods for detection of nitrotyrosine and other modifications.

Reactive oxygen and nitrogen species production in cardiomyoblasts during hypoxia and reoxygenation

Hypoxia is a stress condition in which tissues are deprived of an adequate O2 supply; this may trigger cell death with pathological consequences in cardiovascular or neurodegenerative disease. Reperfusion is the restoration of an oxygenated blood supply to hypoxic tissue and can cause more cell injury. The kinetics and consequences of reactive oxygen and nitrogen species (ROS/RNS) production in cardiomyoblasts are poorly understood. The present study describes the systematic characterization of the kinetics of ROS/RNS production and their roles in cell survival and associated protection during hypoxia and hypoxia/reperfusion. H9C2 cells showed a significant loss of viability under 2% O2 for 30min hypoxia and cell death; associated with an increase in protein oxidation. After 4h, apoptosis induction under 2% O2 and 10% O2 was dependent on the production of mitochondrial superoxide (O2-•) and nitric oxide (•NO), partly from nitric oxide synthase (NOS). Both apoptotic and necrotic cell death during 2% O2 for 4h could be rescued by the mitochondrial complex I inhibitor; rotenone and NOS inhibitor; L-NAME. Both L-NAME and the NOX (NADPH oxidase) inhibitor; apocynin reduced apoptosis under 10% O2 for 4h hypoxia. The mitochondrial uncoupler; FCCP significantly reduced cell death via a O2-• dependent mechanism during 2% O2, 30min hypoxia. During hypoxia (2% O2, 4h)/ reperfusion (21% O2, 2h), metabolic activity was significantly reduced with increased production of O2-• and •NO, during hypoxia but, partially restored during reperfusion. O2-• generation during hypoxia/reperfusion was mitochondrial and NOX- dependent, whereas •NO generation depended on both NOS and non-enzymatic sources. Inhibition of NOS worsened metabolic activity during reperfusion, but did not effect this during sustained hypoxia. Nrf2 activation during 2% O2, a sustained hypoxia and reperfusion was O2-•/•NO dependent. Inhibition of NF-?B activation aggravated metabolic activity during 2% O2, 4h hypoxia. In conclusion, mitochondrial O2-•, but, not ATP depletion is the major cause of apoptotic and necrotic cell death in cardiomyoblasts under 2% O2, 4h hypoxia, whereas apoptotic cell death under 10% O2, 4h, is due to NOS-dependent •NO. The management of ROS/RNS rather than ATP is required for improved survival during hypoxia. O2-• production from mitochondria and NOS is cardiotoxic during hypoxia/reperfusion. NF-?B activation during hypoxia and NOS activation during reperfusion is cardiomyoblast protective.

Sulforaphane restores cellular glutathione levels and reduces chronic periodontitis neutrophil hyperactivity in vitro

The production of high levels of reactive oxygen species by neutrophils is associated with the local and systemic destructive phenotype found in the chronic inflammatory disease periodontitis. In the present study, we investigated the ability of sulforaphane (SFN) to restore cellular glutathione levels and reduce the hyperactivity of circulating neutrophils associated with chronic periodontitis. Using differentiated HL60 cells as a neutrophil model, here we show that generation of extracellular O2 . - by the nicotinamide adenine dinucleotide (NADPH) oxidase complex is increased by intracellular glutathione depletion. This may be attributed to the upregulation of thiol regulated acid sphingomyelinase driven lipid raft formation. Intracellular glutathione was also lower in primary neutrophils from periodontitis patients and, consistent with our previous findings, patients neutrophils were hyper-reactive to stimuli. The activity of nuclear factor erythroid-2-related factor 2 (Nrf2), a master regulator of the antioxidant response, is impaired in circulating neutrophils from chronic periodontitis patients. Although patients' neutrophils exhibit a low reduced glutathione (GSH)/oxidised glutathione (GSSG) ratio and a higher total Nrf2 level, the DNA-binding activity of nuclear Nrf2 remained unchanged relative to healthy controls and had reduced expression of glutamate cysteine ligase catalytic (GCLC), and modifier (GCLM) subunit mRNAs, compared to periodontally healthy subjects neutrophils. Pre-treatment with SFN increased expression of GCLC and GCM, improved intracellular GSH/GSSG ratios and reduced agonist-activated extracellular O2 . - production in both dHL60 and primary neutrophils from patients with periodontitis and controls. These findings suggest that a deficiency in Nrf2-dependent pathways may underpin susceptibility to hyper-reactivity in circulating primary neutrophils during chronic periodontitis. © 2013 Dias et al.

Effets préventifs et thérapeutiques des polyphénols dans un modèle in vitro et in vivo de maladie inflammatoire de l’intestin : caractérisation des polyphénols de la pelure de pomme et de la canneberge par spectrométrie de masse

La muqueuse intestinale est exposée à des agents oxydants provenant de l’ingestion d’aliments modifiés, de cellules immuno-inflammatoires et de la flore intestinale. Une diète élevée en fruits et légumes peut diminuer le stress oxydant (SOx) ainsi que l’inflammation via plusieurs mécanismes. Ces effets bénéfiques peuvent être attribuables à leur contenu élevé en polyphénols. La première étude de mon doctorat consistait à tester l’hypothèse que les polyphénols extraits de pelures de pomme (DAPP) pouvaient diminuer le stress oxydant et l'inflammation impliqués dans les maladies inflammatoires de l'intestin (MII). Nous avons caractérisé les polyphénols des DAPP par spectrométrie de masse (LC-MS) et examiné leur potentiel antioxydant et anti-inflammatoire au niveau des cellules intestinales. L’identification des structures chimiques des polyphénols a été effectuée par LC-MS. Le SOx a été induit par l’ajout du complexe fer/ascorbate (Fe/Asc, 200 µM/2 mM) et l’inflammation par la lipopolysaccharide (LPS, 200µg/mL) à des cellules intestinales Caco-2/15 pré-incubées avec les DAPP (250 µg/mL). L’effet du SOx est déterminé par le dosage du malondialdéhyde (MDA), de la composition des acides gras polyinsaturés et de l’activité des enzymes antioxydantes endogènes (SOD et GPx). L’impact des DAPP sur l’inflammation a été testé par l’analyse de l’expression des marqueurs inflammatoires: cyclooxygénase-2 (COX-2), le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-a et l’interleukine-6 (IL-6) et les facteurs de transcription NF-KB, Nrf-2 et PGC1α par immunobuvardage. Nos données ont montré que les flavonols et les flavan-3-ols constituent les composés polyphénoliques majoritaires des DAPP. L’ajout de Fer2+/Asc a provoqué une augmentation de la peroxidation lipidique comparativement aux cellules contrôles, un appauvrissement des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, et une modulation des enzymes antioxydantes, se traduisant par une augmentation de l’activité de la SOD et une diminution de la GPx. En contrepartie, les DAPP ont exhibé leur potentiel à corriger la plupart des perturbations, y compris l’expression protéique anormalement élevée du COX-2 et la production de la prostaglandine E2 (PGE2), ainsi que l’inflammation telle que réflétée par les facteurs NF-κB, TNF-α et IL-6. Par ailleurs, les mécanismes sous-jacents à ces changements bénéfiques des DAPP ont fait intervenir les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Vraisemblablement, cette première étude a permis de démontrer la capacité des DAPP à amoindrir le SOx et à réduire l’inflammation, deux processus étroitement impliqués dans les MII. Dans la deuxième étape de mon doctorat, nous avons voulu comparer les résultats de DAPP à ceux des polyphénols dérivant de la canneberge qui est considérée par la communauté scientifique comme le fruit ayant le plus fort potentiel antioxydant. À cette fin, nous avons caractérisé l’effet des composés polyphénoliques de la canneberge (CPC) sur le SOx, la défense antioxydante et l’inflammation au niveau intestinal tout en définissant leur métabolisme intraluminal. Les différents CPC ont été séparés selon leur poids moléculaire par chromatographie et leurs structures chimiques ont été identifiées par LC-MS. Suite à une pré-incubation des cellules Caco-2/15 avec les extraits CPC (250 µg/mL), le Fe/Asc et la LPS ont été administrés comme inducteurs du SOx et de l’inflammation, respectivement. La caractérisation globale des CPC a révélé que les acides phénoliques composaient majoritairement l’extrait de canneberge de petit poids moléculaire (LC) alors que les flavonoïdes et les procyanidines dimériques/trimériques représentaient l’extrait de poids moléculaire moyen (MC) tout en laissant les procyanidines oligo et polymériques à l’extrait de haut poids moléculaire (HC). Les CPC ont permis de restaurer la plupart des perturbations engendrées dans les Caco-2/15 par le Fe/Asc et le LPS. Les CPC exhibaient le potentiel d’abaisser les niveaux de MDA, de corriger la composition des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, d’augmenter l’activité des enzymes antioxydantes (SOD, GPx et CAT) et d’élever l’expression de Nrf2 et PGC1α. En outre, les CPC pouvaient aussi réduire les niveaux élevés des protéines inflammatoires COX-2, TNF-α et IL-6 ainsi que la production des PGE2 par un mécanisme impliquant le NF-κB. Au niveau mitochondrial, les procyanidines oligomériques ont réussi à corriger les dysfonctions reliées à la production d’énergie (ATP), l’apoptose (Bcl-2, Cyt C et AIF) et le statut des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). Dans le but de bien comprendre les mécanismes d’action des CPC, nous avons défini par LC-MS les composés polyphénoliques qui ont été transportés ou absorbés par l’entérocyte. Nos analyses soulignent le transport (i) des acides cinnamiques et benzoïques (LC); (ii) la quercétine glycosylée et conjuguée et les procyanidines dimériques de type A (MC); et (iii) l’épicatéchine et les procyanidines oligomériques (HC). Les processus de métabolisation (méthylation, glucuronidation et sulfatation) au niveau de l’entérocyte ont probablement permis le transport de ces CPC surtout sous leur forme conjuguée. Les procyanidines oligomériques ayant un degré de polymérisation supérieur à 2 (HC) ont semblé adhérer aux cellules Caco-2/15. L’épicatéchine suivi par les procyanidines dimériques de type A ont été trouvés majoritaires au niveau des mitochondries. Même si nous ignorons encore l’action biologique de chaque composé polyphénolique, nous pouvons suggérer que leurs effets combinatoires exercent des fonctions antioxydantes, anti-inflammatoires et mitochondriales dans le modèle intestinal Caco-2/15. Dans une troisième étape, nous avons procédé à l’évaluation des aspects préventifs et thérapeutique des DAPP tout en sondant les mécanismes sous-jacents dans une étude préclinique. À cette fin, nous avons exploité le modèle de souris avec colite expérimentale provoquée par le Dextran Sulfate de Sodium (DSS). L’induction de l’inflammation intestinale chez la souris C57BL6 a été effectuée par l’administration orale de DSS à 2.5% pendant 10 jours. Des doses physiologiques et supra-physiologiques de DAPP (200 et 400 mg/kg/j, respectivement) ont été administrées par gavage pendant 10 jours pré- et post-DSS. L’inflammation par le DSS a provoqué une perte de poids, un raccourcissement du côlon, le décollement dystrophique de l’épithélium, l’exulcération et les infiltrations de cellules mono et polynucléaires au niveau du côlon. De plus, le DSS a induit une augmentation de la peroxidation lipidique, une régulation à la baisse des enzymes antioxydantes, une expression protéique à la hausse de la myéloperoxidase (MPO), du COX-2 et de la production des PGE2. Par ailleurs, les DAPP ont permis de corriger ou du moins d’alléger la plupart de ces anomalies en situation préventive ou thérapeutique, en plus d’abaisser l’expression protéique de NF-κB et des cytokines inflammatoires (TNF-a et l’IL-6) tout en stimulant les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Conséquemment, les polyphénols des DAPP ont exhibé leur puissant pouvoir antioxydant et anti-inflammatoire au niveau intestinal dans un modèle in vivo. Leurs actions sont associées à la régulation des voies de signalisation cellulaire et des changements dans la composition du microbiote. Ces trois projets de recherche permettent d’envisager l’évaluation des effets préventifs et thérapeutiques des DAPP cliniquement chez les patients avec des désordres inflammatoires de l’intestin.

Investigating the role of glutathione and glutathione biosynthetic genes in the adaptation of Anopheles gambiae to insecticides

Malaria remains a serious public health challenge in the tropical world, with 584,000 deaths globally in 2013, of which 90% occurred in Africa, and mostly in pregnant women and children under the age of five. Anopheles gambiae (An. gambiae) is the principal malaria vector in Africa, where vector control measures involve the use of insecticides in the forms of long-lasting insecticide-treated nets (LLINs) and indoor residual spraying (IRS). The development of insecticides resistance mitigates these approaches. Glutathione (GSH) is widely distributed among all living organisms, and is associated with detoxification pathways, especially the Glutathione S-transferases (GSTs). Its direct involvement and relevance in insecticide resistance in An. gambiae has not been determined. Thus, this work examines the contribution of GSH, its biosynthetic genes (GCLM, GCLC) and their possible transcriptional regulator Nrf2 in insecticide resistance in An. gambiae sampled from agricultural setting (areas of intensive agriculture) and residential setting (domestic area). Bioinformatics analysis, W.H.O. adult susceptibility bioassays and molecular techniques were employed to investigate. Total RNA was first isolated from the adults An. gambiae mosquitoes raised from agricultural and residential field-caught larvae which had been either challenged or unchallenged with insecticides. Semi-quantitative RT-PCR using gel image densitometry was used to determine the expression levels of GCLM, GCLC genes and Nrf2. Bioinformatics’ results established the presence of putative AGAP010259 (AhR) and AGAP005300 (Nf2e1) transcription factor binding sites in An. gambiae GCLC and GCLM promoters in silico. An. gambiae s.l. studied here were highly resistant to DDT and permethrin but less resistant to bendiocarb. Both knockdown resistance (kdr) mutation variants L1014S and L1014F that confers resistance to pyrethroid insecticides were identified in both An. coluzzii and An. arabiensis sampled from northern Nigeria. The L1014F was much associated with An. coluzzii. A significant positive correlation (P=0.04) between the frequency of the L1014F point mutation and resistance to DDT and permethrin was observed. However, a weak or non-significant correlation (P=0.772) between the frequency of the L1014S point mutation and resistance was also found. L1014S and L1014F mutations co-occurred in both agricultural and residential settings with high frequencies. However, the frequencies of the two mutations were greater in the agricultural settings than in the residential settings. The levels of total, reduced and oxidized GSH were significantly higher in mosquitoes from agricultural sites than those from residential sites. Increased oxidized GSH levels appears to correlate with higher DDT resistance. The expression levels of GCLM, GCLC and Nrf2 were also significantly up-regulated in adults An. gambiae raised from agricultural and residential field-caught larvae when challenged with insecticide. However, there was higher constitutive expression of GCLM, GCLC and Nrf2 in mosquitoes from agricultural setting. The increased expression levels of these genes and also GSH levels in this population suggest their roles in the response and adaptation of An. gambiae to insecticide challenges. There exists the feasibility of using GSH status in An. gambiae to monitor adaptation and resistance to insecticides.