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.

Serumfreie Collagen-Monolayer- und Sandwich-Kulturen primärer Hepatozyten als ein wertvolles Modell zur Detektion von Toxizität und Arzneimittelwechselwirkungen in vitro

In dieser Arbeit wurden Zellkulturen primärer Hepatozyten von Ratte und Mensch hinsichtlich ihrer Eignung untersucht Speziesunterschiede der toxischen Wirkung und des Metabolismus von Substanzen darzustellen und inwieweit die in vitro-Ergebnisse in vivo vergleichbar bzw. übertragbar sind. Des Weiteren wurde ein Zellkulturmodell entwickelt, das eine Kultivierung von primären Hepatozyten aus Ratte, Mensch und Maus über einen Zeitraum von mindestens einer bis zwei Wochen erlaubt.rnrnDie Zellkulturen primärer Hepatozyten von Ratte und Mensch zeigten deutliche Unterschiede in der substanzinduzierten Veränderung der Genexpression nach Behandlung mit den, vor allem für den Menschen, lebertoxischen Substanzen Diclofenac und Troglitazon. Diese Unterschiede traten hauptsächlich in der Induktion fremdstoffmetabolisierender Enzyme sowie deren transkriptionsregulierenden Kernrezeptoren in den humanen Hepatozyten auf. Ebenso war eine verstärkte Stressantwort zu beobachten.rnDeutliche Speziesunterschiede konnten ebenso in der Wirkung der Arzneimittelentwicklungssubstanz EMD 392949 auf die Aktivität bzw. Genexpression von Cytochrom P450 Enzymen sowie deren Regulatoren nachgewiesen werden. Des Weiteren konnte hier eine sehr gute Übereinstimmung der Ergebnisse aus den Zellkulturen primärer Ratten- bzw. Humanhepatozyten mit jenen aus in vivo-Experimenten mit Ratten bzw. Affen (Macaca fascicularis) beobachtet werden, was die Aussagekraft der Primärkulturen verdeutlichte.rnDie große Übereinstimmung zwischen Enzymaktivität und Genexpression in der Induktion fremdstoffmetabolisierender Enzyme konnte durch die Behandlung mit einer Reihe speziesspezifischer Induktoren in Zellkulturen primärer Ratten- bzw. Humanhepatozyten bestätigt werden; vor allem nach dem von der amerikanischen Arzneimittelzulassungsbehörde (FDA, Food and Drug Administartion) vorgeschlagenen Bewertungsschema zur Untersuchung der CYP-Induktion.rnrnDie Lebensdauer sowie der Differenzierungsgrad von primären Hepatozyten in Kultur sind stark abhängig von den Zellkulturbedingungen. Durch diese Arbeit konnte gezeigt werden, dass spezifische Eigenschaften von Rattenleberzellen durch Kultivierung in einem Sandwich aus zwei hydratisierten Collagengelschichten und unter serumfreien Bedingungen für einen Zeitraum von mindestens zwei Wochen aufrechterhalten werden können. Dieses Kulturmodel konnte auf Primärhepatozyten von Mensch und Maus übertragen werden und erweitert die möglichen Anwendungen hin zu einer Behandlung über einen längeren Zeitraum und der Untersuchung von subchronischen Effekten.rn

Land use change to perennial energy crops in Northern Italy: Effects on soil organic carbon sequestration and distribution, soil enzyme activities and microbial communities.

Studies on soil organic carbon (SOC) sequestration in perennial energy crops are available for North-Central Europe, while there is insufficient information for Southern Europe. This research was conducted in the Po Valley, a Mediterranean-temperate zone characterised by low SOC levels, due to intensive management. The aim was to assess the factors influencing SOC sequestration and its distribution through depth and within soil fractions, after a 9-year old conversion from two annual systems to Miscanthus (Miscanthus × giganteus) and giant reed (Arundo donax). The 13C natural abundance was used to evaluate the amount of SOC in annual and perennial species, and determine the percentage of carbon derived from perennial crops. SOC was significantly higher under perennial species, especially in the topsoil (0-0.15 m). After 9 years, the amount of C derived from Miscanthus was 18.7 Mg ha-1, mostly stored at 0-0.15 m, whereas the amount of C derived from giant reed was 34.7 Mg ha-1, evenly distributed through layers. Physical soil fractionation was combined with 13C abundance analysis. C derived from perennial crops was mainly found in macroaggregates. Under giant reed, more newly derived-carbon was stored in microaggregates and mineral fraction than under Miscanthus. A molecular approach based on denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) allowed to evaluate changes on microbial community, after the introduction of perennial crops. Functional aspects were investigated by determining relevant soil enzymes (β-glucosidase, urease, alkaline phosphatase). Perennial crops positively stimulated these enzymes, especially in the topsoil. DGGE profiles revealed that community richness was higher in perennial crops; Shannon index of diversity was influenced only by depth. In conclusion, Miscanthus and giant reed represent a sustainable choice for the recovery of soils exhausted by intensive management, also in Mediterranean conditions and this is relevant mainly because this geographical area is notoriously characterised by a rapid turnover of SOC.

The relevance of the silica metabolizing enzyme silicatein-alpha to biomineralization and the formation of biogenic silica in siliceous sponges

Die technische Silikatproduktion erfordert in der Regel hohe Temperaturen und extreme pH-Werte. In der Natur hingegen haben insbesondere Kieselschwämme die außergewöhnliche Fähigkeit, ihr Silikatskelett, das aus einzelnen sogenannten Spiculae besteht, enzymatisch mittels des Proteins Silicatein zu synthetisieren. rnIm Inneren der Spiculae, im zentralen Kanal, befindet sich das Axialfilament, welches hauptsächlich aus Silicatein-α aufgebaut ist. Mittels Antikörperfärbungen und Elektronenmikroskopischen Analysen konnte festgestellt werden, dass Silicatein in mit Kieselsäure-gefüllten Zellorganellen (silicasomes) nachzuweisen ist. Mittels dieser Vakuolen kann das Enzym und die Kieselsäure aus der Zelle zu den Spiculae im extrazellulären Raum befördert werden, wo diese ihre endgültige Länge und Dicke erreichen. Zum ersten Mal konnte nachgewiesen werden, dass rekombinant hergestelltes Silicatein-α sowohl als Siliciumdioxid-Polymerase als auch Siliciumdioxid-Esterase wirkt. Mittels Massenspektroskopie konnte die enzymatische Polymerisation von Kieselsäure nachverfolgt werden. Durch Spaltung der Esterbindung des künstlichen Substrates Bis(p-aminophenoxy)-dimethylsilan war es möglich kinetische Parameter der Siliciumdioxid-Esterase-Aktivität des rekombinanten Silicateins zu ermitteln.rnZu den größten biogenen Silikatstukuren auf der Erde gehören die Kieselnadeln der Schwammklasse Hexactinellida. Nadelextrakte aus den Schwammklassen Demospongien (S. domuncula) und Hexactinellida (M. chuni) wurden miteinander verglichen um die potentielle Existenz von Silicatein oder Silicatein-ähnliche Molekülen und die dazu gehörige proteolytischen Aktivität nachzuweisen. Biochemische Analysen zeigten, dass das 27 kDA große isolierte Polypeptid in Monoraphis mehrere gemeinsame Merkmale mit den Silicateinen der Demospongien teilt. Dazu gehören die Größe und die Proteinase-Aktivität. rnUm die Frage zu klären, ob das axiale Filament selbst zur Formbildung der Skelettelemente beiträgt, wurde ein neues mildes Extraktionsverfahren eingeführt. Dieses Verfahren ermöglichte die Solubilisierung des nativen Silicateins aus den Spiculae. Die isolierten Silicateine lagen als Monomere (24 kDa) vor, die Dimere durch nicht-kovalente Bindungen ausbildeten. Darüber hinaus konnten durch PAGE-Gelelektrophorese Tetramere (95 kDa) und Hexamere (135 kDa) nachgewiesen werden. Die Monomere zeigten eine beträchtliche proteolytische Aktivität, die sich während der Polymerisationsphase des Proteins weiter erhöhte. Mit Hilfe der Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie (TEM) konnte die Assemblierung der Proteine zu filamentartigen Strukturen gezeigt werden. Die Selbstorganisation der Silicatein-α-Monomeren scheint eine Basis für Form- und Musterbildung der wachsenden Nadeln zu bilden.rn Um die Rolle des kürzlich entdeckten Proteins Silintaphin-1, ein starker Interaktionspartner des Silicatein-α, während der Biosilifizierung zu klären, wurden Assemblierungs-Experimente mit den rekombinanten Proteinen in vitro durchgeführt. Zusätzlich wurde deren Effekt auf die Biosilikatsynthese untersucht. Elektronenmikroskopische Analysen ergaben, dass rekombinantes Silicatein-α zufällig verteilte Aggregate bildet, während die Koinkubation beider Proteine (molekulares Verhältnis 4:1) über fraktal artige Strukturen zu Filamenten führt. Auch die enzymatische Aktivität der Silicatein-α-vermittelte Biosilikatsynthese erhöhte sich in Gegenwart von Silintaphin-1 um das 5,3-fache. rn

Die Rolle der humanen Enzyme Paraoxonase-2 und -3 bei Krebserkrankungen und Pseudomonas-Infektionen

Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Charakterisierung molekularer Funktionen humaner Paraoxonase (PON) Enzyme, insbesondere die der Proteine PON2 und PON3 im Hinblick auf medizinisch-relevante Fragestellungen. Zum einen wurde die Rolle von PON3 in der Tumorgenese und zum anderen eine mögliche Schutzfunktion von PON2 und PON3 gegenüber P. aeruginosa Infektionen untersucht. Bereits seit dem Jahr 2000 ist die anti-oxidative Eigenschaft von PON3 bekannt, jedoch war der zugrundeliegende Mechanismus bisher ungeklärt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass PON3 die Superoxid-Entstehung in den Mitochondrien abschwächt, wobei sie ihre anti-oxidative Eigenschaft vermutlich durch eine direkte Coenzym Q10-Interaktion in der inneren mitochondrialen Membran vermittelt. Dies führt zu weniger oxidativen Stress, zur Abschwächung mitochondrial-induzierter apoptotischer Signalwege und zur erhöhten Resistenz gegenüber Chemotherapeutika. Gleichzeitig wurde demonstriert, dass sich Tumorzellen diese anti-oxidative Eigenschaft zu Nutze machen. PON3 war in zahlreichen Tumorgeweben überexprimiert. Es konnte eine mögliche Funktion von PON3 als Tumormarker und Angriffspunkt in der Krebstherapie aufgezeigt werden. Die hier erlangten Daten liefern wertvolle Hinweise auf die Rolle von PON3 in Krebserkrankungen, welche eine Basis für zukünftige Analysen darstellen, die der Entwicklung neuer Krebstherapien dienen könnten. Ein weiterer Teil der Arbeit befasste sich mit der gegenseitigen Beeinflussung der Enzyme PON2 / PON3 und der für P.aeruginosa essentiellen Virulenzfaktoren Pyocyanin (PCN) und dem Lacton 3OC12. Erstmalig wurde gezeigt, dass PON3 zellschädigende PCN-Effekte abschwächen kann, nämlich die PCN-induzierte Superoxid-Produktion, NF-kB-Aktivierung und IL-8-Sekretion. PON2 schützt in gleicher Weise gegen PCN und hydrolysiert zugleich noch das Lacton 3OC12. Folglich sind PON2 und PON3 wichtige Bestandteile der angeborenen Immunität, werden jedoch durch eine 3OC12-induzierte Ca2+-Mobilisation inaktiviert. Weitere Analysen ergaben, dass die PON2-Inaktivierung wahrscheinlich über einen Ca2+ / Calcineurin / Calmodulin-abhängigen Signalweg erfolgt, welcher eine offenbar regulative Serin311-Dephosphorylierung in PON2 vermittelt. Ähnliches könnte für PON3 gelten und wird derzeit erforscht, da eine Stabilisierung der enzymatischen Aktivitäten von PON2 und PON3 der bakteriellen Virulenz entscheidend entgegen wirken könnte.

Natural compounds Camptothecin and Triptolide: highly specific enzyme inhibitors and tools to dissect transcriptional functions

With this work I elucidated new and unexpected mechanisms of two strong and highly specific transcription inhibitors: Triptolide and Campthotecin. Triptolide (TPL) is a diterpene epoxide derived from the Chinese plant Trypterigium Wilfoordii Hook F. TPL inhibits the ATPase activity of XPB, a subunit of the general transcription factor TFIIH. In this thesis I found that degradation of Rbp1 (the largest subunit of RNA Polymerase II) caused by TPL treatments, is preceded by an hyperphosphorylation event at serine 5 of the carboxy-terminal domain (CTD) of Rbp1. This event is concomitant with a block of RNA Polymerase II at promoters of active genes. The enzyme responsible for Ser5 hyperphosphorylation event is CDK7. Notably, CDK7 downregulation rescued both Ser5 hyperphosphorylation and Rbp1 degradation triggered by TPL. Camptothecin (CPT), derived from the plant Camptotheca acuminata, specifically inhibits topoisomerase 1 (Top1). We first found that CPT induced antisense transcription at divergent CpG islands promoter. Interestingly, by immunofluorescence experiments, CPT was found to induce a burst of R loop structures (DNA/RNA hybrids) at nucleoli and mitochondria. We then decided to investigate the role of Top1 in R loop homeostasis through a short interfering RNA approach (RNAi). Using DNA/RNA immunoprecipitation techniques coupled to NGS I found that Top1 depletion induces an increase of R loops at a genome-wide level. We found that such increase occurs on the entire gene body. At a subset of loci R loops resulted particularly stressed after Top1 depletion: some of these genes showed the formation of new R loops structures, whereas other loci showed a reduction of R loops. Interestingly we found that new peaks usually appear at tandem or divergent genes in the entire gene body, while losses of R loop peaks seems to be a feature specific of 3’ end regions of convergent genes.

Enzyme tRNA interaction and (t)RNA conformation probed via environmentally sensitive cyanine dyes

Nukleosidmodifikationen beeinflussen Dynamik und Konformation von RNArnund sind epigenetisch wirksam. Wenig verstanden sind konformationelle Dynamik und enzymatische Erkennung von tRNA, sowie der Einfluss des mutmaßlichen kovalenten Inhibitors 5-Fluorouridine (5FU) auf Y Synthasen, die Pseudouridin (Y) erzeugen. Frühere Arbeiten nutzten mit den Fluorophoren Cy3 und Cy5rnmarkierte tRNA, um diese Fragen zu adressieren.rnDie vorliegende Arbeit weitet Cy3-Cy5-Markierung auf Hefe tRNArnPhernaus undrnnutzt Thermophorese und fortschrittliche Fluoreszenzspektroskopie. In der Thermophorese zeigte sich eine hohe Toleranz gegenüber Fluoreszenzmarkierung beirngleichzeitiger Erhöhung der Cy5 Fluoreszenz durch Enzymbindung. Zudem konnte die Konformation verschiedener Mutanten human mitochondrialer tRNArnLysrnund die Bindung von SAM durch SAM-I Riboswitch RNA untersucht werden.rnUm etwaige Unterschiede in der Interaktion von Y55 Synthase TruB mit Cy5-gelabelter U55- bzw. 5FU55-tRNA aufzudecken, wurde eine Kombination ausrnThermophorese, zeit- und polarisationsaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie undrn’gel shift’ Experimenten genutzt. Alle Ergebnisse zeigten übereinstimmend einernreversible Bindung ähnlicher Affinität für beide tRNAs und widersprechen somit einer kovalenten Inhibition durch 5FU. Folgerichtig wurde der SDS-stabilernKomplex von TruB mit 5FU-tRNA neu evaluiert, da er bisher als kovalent interpretiert wurde. Es erfolgte eine schnelle Komplexbildung in hoher Ausbeute auchrnfür schlechte Substrate, außerdem ließ sich die Komplexausbeute nicht durch andere Reaktionsbedingungen beeinflussen. Somit kann der SDS stabile Komplexrnnur den ersten, nicht-kovalenten Kontakt von Enzym und 5FU55-tRNA darstellen und repräsentiert kein kovalentes Addukt späterer Katalyse.

Association Between Posttraumatic Stress Disorder Following Myocardial Infarction and Liver Enzyme Levels: A Prospective Study

Research in rodents demonstrated that psychological stress increases circulating levels of alanine transaminase, aspartate transaminase, and alkaline phosphatase reflecting liver injury. Moreover, chronic posttraumatic stress disorder and transaminases predicted coronary heart disease.

Impact of differential P450c17 phosphorylation by cAMP stimulation and by starvation conditions on enzyme activities and androgen production in NCI-H295R cells

CYP17A1 plays a pivotal role in the biosynthesis of androgens in the adrenals and the gonads. Although this enzyme catalyzes two different reactions on one single active site, its specific activities are regulated independently. Although the 17alpha-hydroxylase activity is rather constant and regulated by gene expression, the 17,20-lyase activity varies significantly with the amount of cofactors or by protein phosphorylation. cAMP increases CYP17A1 expression, P450c17 phosphorylation, and androgen production. However, the exact mechanism(s) and the specific regulators of CYP17A1 remain unknown. Therefore, we studied the regulation of adrenal androgen biosynthesis in human adrenal H295R cells focusing on CYP17A1. We analyzed androgen production and P450c17 activities in H295R cells grown under normal and serum-free conditions and/or after stimulation with 8-bromoadenosine-cAMP. H295R cells grown in starvation medium produced more androgens and had decreased HSD3B2 expression and activity but increased P450c17-17,20-lyase activity and serine phosphorylation. Although starvation increased serine phosphorylation of P450c17 specifically, cAMP stimulation enhanced threonine phosphorylation exclusively. Time-course experiments revealed that a short cAMP stimulation augmented threonine phosphorylation of P450c17 but did not increase 17,20-lyase activity. By contrast, long cAMP stimulation increased androgen production through increased P450c17 activities by enhancing CYP17A1 gene expression. We conclude that serum withdrawal shifts steroidogenesis of H295R cells towards androgen production, providing a suitable model for detailed studies of androgen regulation. In addition, our study shows that starvation and cAMP stimulation regulate P450c17 phosphorylation differentially and that an increase in P450c17 phosphorylation does not necessarily lead to enhanced enzyme activity and androgen production.

Clinical and biochemical consequences of p450 oxidoreductase deficiency

Patients with P450 oxidoreductase (POR) deficiency typically present with adrenal insufficiency, genital anomalies and bony malformations resembling the Antley-Bixler craniosynostosis syndrome. Since our first report in 2004, more than 40 POR mutations have been identified in over 65 patients. POR is the obligate electron donor to all microsomal P450 enzymes, including the steroidogenic enzymes CYP17A1, CYP21A2 and CYP19A1. POR deficiency may cause disordered sexual development manifested as genital undervirilization in 46, XY newborns as well as overvirilization in those who are 46, XX. This may be explained by impaired aromatization of fetal androgens that may cause maternal virilization and low urinary estriol levels during pregnancy. In addition, the alternate 'backdoor' pathway of androgen biosynthesis, which leads to dihydrotestosterone production bypassing androstenedione and testosterone, may also play a role. Functional assays studying the effects of POR mutations on steroidogenesis showed that several POR variants impaired CYP17A1, CYP21A2 and CYP19A1 activities to different degrees, indicating that each POR variant must be studied separately for each potential target P450 enzyme. POR variants may also affect skeletal development and drug metabolism. As most drugs are metabolized by hepatic microsomal P450 enzymes, studies of the impact of POR mutations on drug-metabolizing P450s are particularly important.

Epigenetic regulation of somatic angiotensin-converting enzyme by DNA methylation and histone acetylation

Somatic angiotensin-converting enzyme (sACE) is crucial in cardiovascular homeostasis and displays a tissue-specific profile. Epigenetic patterns modulate genes expression and their alterations were implied in pathologies including hypertension. However, the influence of DNA methylation and chromatin condensation state on the expression of sACE is unknown. We examined whether such epigenetic mechanisms could participate in the control of sACE expression in vitro and in vivo. We identified two CpG islands in the human ace-1 gene 3 kb proximal promoter region. Their methylation abolished the luciferase activity of ace-1 promoter/reporter constructs transfected into human liver (HepG2), colon (HT29), microvascular endothelial (HMEC-1) and lung (SUT) cell lines (p < 0.001). Bisulphite sequencing revealed a cell-type specific basal methylation pattern of the ace-1 gene -1,466/+25 region. As assessed by RT-qPCR, inhibition of DNA methylation by 5-aza-2'-deoxycytidine and/or of histone deacetylation by trichostatin A highly stimulated sACE mRNA expression cell-type specifically (p < 0.001 vs. vehicle treated cells). In the rat, in vivo 5-aza-cytidine injections demethylated the ace-1 promoter and increased sACE mRNA expression in the lungs and liver (p = 0.05), but not in the kidney. In conclusion, the expression level of somatic ACE is modulated by CpG-methylation and histone deacetylases inhibition. The basal methylation pattern of the promoter of the ace-1 gene is cell-type specific and correlates to sACE transcription. DNMT inhibition is associated with altered methylation of the ace-1 promoter and a cell-type and tissue-specific increase of sACE mRNA levels. This study indicates a strong influence of epigenetic mechanisms on sACE expression.

Deubiquitylating enzyme USP2 counteracts Nedd4-2-mediated downregulation of KCNQ1 potassium channels

KCNQ1 (Kv7.1), together with its KCNE β subunits, plays a pivotal role both in the repolarization of cardiac tissue and in water and salt transport across epithelial membranes. Nedd4/Nedd4-like (neuronal precursor cell-expressed developmentally downregulated 4) ubiquitin-protein ligases interact with the KCNQ1 potassium channel through a PY motif located in the C terminus of KCNQ1. This interaction induces ubiquitylation of KCNQ1, resulting in a reduced surface density of the channel. It was reported recently that the epithelial sodium channel is regulated by the reverse process-deubiquitylation-mediated by USP2 (ubiquitin-specific protease 2).

Bacterial expression of mutant argininosuccinate lyase reveals imperfect correlation of in-vitro enzyme activity with clinical phenotype in argininosuccinic aciduria

The urea cycle defect argininosuccinate lyase (ASL) deficiency has a large spectrum of presentations from highly severe to asymptomatic. Enzyme activity assays in red blood cells or fibroblasts, although diagnostic of the deficiency, fail to discriminate between severe, mild or asymptomatic cases. Mutation/phenotype correlation studies are needed to characterize the effects of individual mutations on the activity of the enzyme.