Study of novel energy metabolism pathways in anaerobic bacteria

Energy conservation in chemotrophic anaerobic bacteria is achieved by two possible processes, substrate level phosphorylation (SLP) and electron transfer phosphorylation (ETP). This second mechanism, also known as respiration, involves chemiosmotic coupling. However, a third mechanism for energy coupling was recently proposed: the flavin-based electron bifurcation (FBEB). (...)

Exposição profissional ao chumbo : análise da indução de efeitos genotóxicos

RESUMO - A exposição contínua a substâncias químicas tem consequências para a saúde humana, algumas das quais não estão ainda totalmente estabelecidas. A toxicologia ocupacional é uma área interdisciplinar que envolve conhecimentos de higiene e de medicina ocupacional, de epidemiologia e de toxicologia e que tem por principal objectivo prevenir a ocorrência de efeitos adversos decorrentes do ambiente ocupacional sendo um dos seus principais papéis fornecer o máximo de dados que possam contribuir para o conhecimento dos potenciais efeitos na saúde. O chumbo é um tóxico de características cumulativas que provoca na saúde efeitos principalmente sistémicos, ou seja, o efeito tóxico manifesta-se em locais afastados do contacto inicial que resultam essencialmente de exposições crónicas, resultantes de períodos de exposição mais ou menos longos ao metal (entre meses e anos). Pode interagir com diferentes órgãos e tecidos, ligando-se a moléculas e constituintes celulares. Uma vez que não possui qualquer função fisiológica, a presença do chumbo no organismo humano resulta numa série de efeitos prejudiciais que afectam diversos órgãos e sistemas. A toxicidade do chumbo manifesta-se em diversos órgãos e tecidos, nomeadamente no sistema hematopoiético, no sistema nervoso, no rim, no aparelho reprodutor, no sistema cardiovascular, no sistema endócrino e no sistema imunitário. Da interferência do chumbo com o funcionamento de alguns sistemas biológicos resultam um conjunto de alterações fundamentais ao nível dos processos de transporte através das membranas, da integridade estrutural e funcional das enzimas e de várias vias metabólicas, em especial da fosforilação oxidativa e da síntese do heme sendo os primeiros efeitos bioquímicos do chumbo detectados a partir de valores de plumbémia inferiores a 10 μg/dL. As medidas de higiene e segurança actualmente em vigor nos países desenvolvidos asseguram que os casos de intoxicação grave são cada vez menos frequentes. No entanto, o risco de exposição a nível ocupacional existe em todas as actividades que envolvem materiais que o contenham como as explorações mineiras, as fundições primária e secundária, a produção de baterias de chumbo ácido, a produção de vidro com pigmentos de chumbo, as soldaduras de reparação automóvel e a instrução de tiro. Desde 2006 o chumbo é considerado pela International Agency for Research on Cancer (IARC) uma substância carcinogénica do grupo 2A (provável carcinogénio para o ser humano). Considera-se, assim, que o chumbo tem, inequivocamente, capacidade de induzir cancro em animais experimentais mas que, embora haja fortes indícios de que os mecanismos que medeiam a carcinogénese desses compostos ocorrem no ser humano, os dados disponíveis ainda não podem assegurar essa relação. Com este estudo pretendeu-se contribuir para o conhecimento da toxicidade do chumbo através do estudo da exposição ao chumbo e da influência da susceptibilidade individual (em industrias sem co-exposição significativa a outros agentes conhecidos ou suspeitos de serem carcinogénicos). Pretendeu-se estudar o caso através de uma abordagem múltipla que permitisse relacionar diferentes tipos de marcadores biológicos uma vez que a monitorização biológica integra todas as possíveis vias de entrada no organismo (para além da via respiratória), eventuais exposições fora do contexto estritamente profissional assim como uma série de factores intrínsecos individuais (relacionados com modos de via, de natureza fisiológica e comportamentais). Sendo a co-exposição a outros compostos com propriedades genotóxicas e carcinogénicas uma questão difícil de tornear quando se quer avaliar o potencial genotóxico do chumbo em populações expostas, ocupacional ou ambientalmente este estudo tem a vantagem de ter sido efectuado em populações sem co-exposição conhecida a outras substâncias deste tipo, permitindo concluir sobre os efeitos resultantes apenas da exposição a chumbo na população humana, contribuindo para explicar algumas das aparentes inconsistências e contradições entre diferentes estudos sobre este tema. Os indicadores de exposição usados foram: indicadores de dose interna (doseamento de chumbo e de PPZ no sangue), indicadores de efeitos adversos no heme e genotóxicos (actividade da ALAD, teste do cometa e mutação em TCR) e indicadores de susceptibilidade (polimorfismos genéticos de ALAD e VDR) através de uma abordagem estatística de comparação directa de sub-grupos previamente definidos na população e da aplicação de um modelo de regressão múltipla. Este estudo revelou que os níveis de plumbémia na população portuguesa baixaram significativamente nos últimos 10 anos, tanto na população ocupacionalmente exposta como na população em geral e que a presença do genótipo B-B (do gene VDR) é preditiva das variações de plumbémia, quando comparada com o genótipo mais frequente na população, B-b; ao contrário, o genótipo b-b não aparenta ter influência em nenhum dos marcadores estudados. No que diz respeito a efeitos genotóxicos concluiu-se que estes não se manifestaram na população estudada, levando a concluir que nos níveis de exposição estudados, o chumbo não tem capacidade de induzir este tipo de efeitos per si levando ao reforço da hipótese, já levantada por outros autores, de que o mecanismo de genotoxicidade do chumbo seja essencialmente de promoção de processos de genotoxicidade desencadeados por outros agentes. A realização de estudos de efeitos genotóxicos e de stress oxidativo desenhados de forma a comparar grupos de trabalhadores expostos apenas a chumbo com grupos de trabalhadores com o mesmo nível de exposição a chumbo, mas com co-exposição a outros agentes reconhecidamente carcinogénicos poderá ajudar a aumentar o conhecimento deste efeito do chumbo na saúde humana.

Analysis of metabolic flux distributions in relation to the extracellular environment in Avian cells

Continuous cell lines that proliferate in chemically defined and simple media have been highly regarded as suitable alternatives for vaccine production. One such cell line is the AG1.CR.pIX avian cell line developed by PROBIOGEN. This cell line can be cultivated in a fully scalable suspension culture and adapted to grow in chemically defined, calf serum free, medium [1]–[5]. The medium composition and cultivation strategy are important factors for reaching high virus titers. In this project, a series of computational methods was used to simulate the cell’s response to different environments. The study is based on the metabolic model of the central metabolism proposed in [1]. In a first step, Metabolic Flux Analysis (MFA) was used along with measured uptake and secretion fluxes to estimate intracellular flux values. The network and data were found to be consistent. In a second step, Flux Balance Analysis (FBA) was performed to access the cell’s biological objective. The objective that resulted in the best predicted results fit to the experimental data was the minimization of oxidative phosphorylation. Employing this objective, in the next step Flux Variability Analysis (FVA) was used to characterize the flux solution space. Furthermore, various scenarios, where a reaction deletion (elimination of the compound from the media) was simulated, were performed and the flux solution space for each scenario was calculated. Growth restrictions caused by essential and non-essential amino acids were accurately predicted. Fluxes related to the essential amino acids uptake and catabolism, the lipid synthesis and ATP production via TCA were found to be essential to exponential growth. Finally, the data gathered during the previous steps were analyzed using principal component analysis (PCA), in order to assess potential changes in the physiological state of the cell. Three metabolic states were found, which correspond to zero, partial and maximum biomass growth rate. Elimination of non-essential amino acids or pyruvate from the media showed no impact on the cell’s assumed normal metabolic state.

The role of s-nitrosothiols and rho-kinase 1 in glucose and lipid metabolism

RESUMO: Na sociedade contemporânea a diabetes tipo 2 e a obesidade estão a aumentar exponencialmente, representando um grave problema de saúde pública. De acordo com a IDF “A diabetes e a obesidade são o principal problema de saúde pública do século XXI’. Para além destas duas patologias, a prevalência de esteatose hepática não-alcoólica (NAFLD), entre a população obesa e diabética, é de cerca de 90%. O aumento da obesidade, diabetes e NAFLD tem uma forte correlação com o aumento do consumo de gorduras e açúcares, acompanhado de um decréscimo acentuado da actividade física. A obesidade, diabetes e NAFLD tem sido escrupolosamente investigada mas as terapêuticas disponíveis continuam a ser muito limitadas. Tendo em conta o número crescente e alarmante de obesos e diabéticos o conhecimento detalhado da patofisiologia da obesidade, diabetes e NAFLD, tendo em vista a necessidade extrema de desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas, é da mais elevada urgência. O fígado é reconhecido como um orgão primordial no controlo da homeostase. No estado pós-prandial, o fígado converte a glucose em glicogénio e lípidos. Em contraste, no estado de jejum, o fígado promove a produção de glucose. Sistemas neuronais e hormonais, bem como o estado metabólico do fígado, controlam de forma muito precisa a alternância entre os diferentes substratos metabólicos, dependente do estado prandial. A insulina tem um papel central no controlo do metabolismo energético no fígado; se, por um lado, inibe a produção hepática de glucose e corpos cetónicos, por outro, promove a glicólise e a lipogénese. O metabolismo energético no fígado é também regulado por vários factores de transcrição e co-reguladores que, por sua vez, são regulados pela insulina, glucagina e outras hormonas metabólicas. Em conjunto, todos estes factores e reguladores vão controlar de forma muito estreita a gluconeogénese, a β-oxidação e a lipogénese, no fígado. Para além dos já conhecidos reguladores do metabolismo hepático, novas moléculas têm sido estudadas como tendo um papel fundamental na regulação do metabolismo energético no fígado. Qualquer desequilíbrio no metabolismo hepático vai contribuir para a insulino-resistência, NAFLD e diabetes tipo 2. O principal objectivo do trabalho de investigação aqui apresentado é o contributo para o estudo detalhado da patogénese da diabetes e obesidade, num contexto de dietas ricas em açúcares e gorduras, e com a perspectiva de explorar novas estratégias terapêuticas. Os objectivos específicos deste trabalho eram: primeiro, determinar se o tratamento com glutationo (GSH) e óxido nítrico (NO) era suficiente para melhorar a insulino-resistência associada ao elevado consumo de sacarose; segundo, determinar o papel da Rho-kinase 1 (ROCK1) na regulação do metabolismo hepático da glucose e dos lípidos; e terceiro, estudar o efeito do metilsulfonilmetano (MSM) em doenças metabólicas associadas à obesidade. Na primeira parte deste trabalho de investigação foram utilizados ratos Wistar machos sujeitos a uma dieta rica em sacarose (HS). Tal como esperado, estes animais apresentavam insulino-resistência e hiperinsulinémia. A dieta HS levou ao aumento dos níveis hepáticos de NO e ao decréscimo dos níveis de GSH no fígado. Em jejum, a administração intraportal de GSH e NO, a animais saudáveis promoveu um aumento significativo da sensibilidade à insulina. Também nestes animais, a administração intravenosa de S-nitrosotióis, compostos orgânicos que contém um grupo nitroso acoplado a um átomo de enxofre de um tiol, promoveu o aumento significativo da sensibilidade à insulina. Pelo contrário, em animais sujeitos à dieta HS, as doses padrão de GSH + NO e de S-nitrosotióis não conseguiram promover o aumento da sensibilidade à insulina. No entanto, ao aumentar a dose de S-nitrosotióis administrados por via intravenosa, foi possível observar o aumento da sensibilidade à insulina dependente da dose, indicando um possível papel dos S-nitrosotióis como sensibilizadores de insulina. O estudo detalhado do papel dos S-nitrosotióis na via de sinalização da insulina revelou que há um aumento da fosforilação do receptor da insulina (IR) e da proteína cinase B (Akt), sugerindo um efeito dos S-nitrosotióis nesta via de sinalização. Os resultados apresentados nesta primeira parte sugerem que os S-nitrosotióis promovem a correcta acção da insulina, podendo vir a ser importantes alvos terapêuticos. Na segunda parte deste trabalho de investigação utilizámos murganhos, com uma delecção específica da ROCK1 no fígado, e sujeitos a uma dieta rica em lípidos (HFD). Foi possível concluir que a ausência da ROCK1 no fígado previne a obesidade, melhora a sensibilidade à insulina e protege contra a esteatose hepática. A ausência de ROCK1 no fígado levou a um decréscimo significativo da expressão génica de genes associados à lipogénese, com uma diminuição acentuada do fluxo metabólico associado a esta via. Pelo contrário, a sobreexpressão de ROCK1, exclusivamente no fígado, promove a insulino-resistência e a esteatose hepática no contexto de obesidade induzida pela dieta. Para além disto, a delecção da ROCK1 no fígado de animais obesos e diabéticos, os murganhos deficientes em leptina, corroborou os dados obtidos no primeiro modelo animal, com a franca melhoria da hiperglicémia, hiperinsulinémia e esteatose hepática. Os dados que compõem esta parte do trabalho de investigação sugerem que a ROCK1 tem um papel crucial na regulação do metabolismo lipídico. Na terceira e última parte deste trabalho de investigação foi investigado o efeito do composto metilsulfunilmetano (MSM), um composto organosulfúrico naturalmente presente em plantas e utilizado também como suplemento dietético, em murganhos obesos e insulino-resistentes, por exposição a uma dieta rica em lípidos (DIO). O tratamento com MSM melhorou a insulino-resistência e protegeu contra a esteatose hepática. O conteúdo hepático em triglicéridos e colesterol também diminuíu de forma significativa nos animais DIO sujeitos ao tratamento com MSM, bem como a expressão génica associada à lipogénese. Para além disto, o tratamento com MSM levou a uma diminuição da expressão génica associada à inflamação. De realçar que o tratamento com MSM levou a uma melhoria do perfil hematopoiético destes animais, tanto na medula óssea como no sangue. Para comprovar o efeito benéfico do MSM na obesidade e insulino-resistência utilizámos murganhos deficientes no receptor da leptina, e por isso obesos e diabéticos, tendo observado um perfil semelhante ao obtido para murganhos sujeitos a uma dieta rica em lípidos e tratados com MSM. Concluímos, através dos dados recolhidos, que o MSM como suplemento pode ter efeitos benéficos na hiperinsulinémia, insulino-resistência e inflamação que caracterizam a diabetes tipo 2. Em resumo, os dados obtidos neste trabalho de investigação mostram que os S-nitrosotióis podem ter um papel importante como sensibilizadores da insulina, promovendo um aumento da sensibilidade à insulina num contexto de dietas ricas em sacarose. Para além disto, estudos in vitro, sugerem que os S-nitrosotióis regulam, especificamente, a via de sinalização da insulina. Este trabalho teve também como objectivo o estudo da ROCK1 como regulador do metabolismo da glucose e dos lípidos no fígado. Através do estudo de animais com uma delecção ou uma sobreexpressão da ROCK1 no fígado mostrou-se que esta tem um papel crucial na patogénese da obesidade e diabetes tipo 2, especificamente através do controlo da lipogénese de novo. Finalmente, foi também objectivo deste trabalho, explorar o efeito do MSM em animais DIO e deficientes em leptina. O tratamento com MSM protege de forma evidente contra a obesidade e insulino-resistência, com especial enfâse para a capacidade que esta molécula demonstrou ter na protecção contra a inflamação. Em conjunto os vários estudos aqui apresentados mostram que tanto os S-nitrosotióis como a ROCK1 têm um papel na patogénese da obesidade e diabetes tipo 2 e que a utilização de MSM como suplemento às terapêuticas convencionais pode ter um papel no tratamentos de doenças metabólicas.-------------------------------ABSTRACT: In modern western societies type 2 diabetes and obesity are increasing exponentially, representing a somber public concern. According to the International Diabetes Federation (IDF) ‘Diabetes and Obesity are the biggest public health challenges of the 21st century’. Aside from these the prevalence of nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD), among the diabetic and obese population, is as high as 90%. It is now well established that the increase in obesity, diabetes and NAFLD strongly correlates with an increase in fat and sugar intake in our diet, alongside physical inactivity. The pathogenesis of obesity, diabetes and NAFLD has been thoroughly studied but the treatment options available are still narrow. Considering the alarming number in the obese and diabetic population the complete understanding of the pathogenesis, keeping in mind that new therapeutic strategies need to be attained, is of the highest urgency. The liver has been well established as a fundamental organ in regulating whole-body homeostasis. In the fed state the liver converts the glucose into glycogen and lipids. Conversely, in the fasted state, glucose will be produced in the liver. Neuronal and hormonal systems, as well as the hepatic metabolic states, tightly control the fast to fed switch in metabolic fuels. Insulin has a central role in controlling hepatic energy metabolism, by suppressing glucose production and ketogenesis, while stimulating glycolysis and lipogenesis. Liver energy metabolism is also regulated by various transcription factors and coregulators that are, in turn, regulated by insulin, glucagon and other metabolic hormones. Together, these regulators will act to control gluconeogenesis, β-oxidation and lipogenesis in the liver. Aside from the well-established regulators of liver energy metabolism new molecules are being studied has having a role in regulating hepatic metabolism. Any imbalance in the liver energy metabolism is a major contributor to insulin resistance, NAFLD and type 2 diabetes. The overall goal of this research work was to contribute to the understanding of the pathogenesis of diabetes and obesity, on a setting of high-sucrose and high-fat diets, and to explore potential therapeutic options. The specific aims were: first, to determine if treatment with glutathione (GSH) and nitric oxide (NO) was sufficient to ameliorate insulin resistance induced by high-sucrose feeding; second, to determine the physiological role of rho-kinase 1 (ROCK1) in regulating hepatic and lipid metabolism; and third, to study the effect of methylsulfonylmethane (MSM) on obesity-linked metabolic disorders. In the first part of this research work we used male Wistar rats fed a high-sucrose (HS) diet. As expected, rats fed a HS diet were insulin resistant and hyperinsulinemic. HS feeding increased hepatic levels of NO, while decreasing GSH. In fasted healthy animals administration of both GSH and NO, to the liver, was able to increase insulin sensitivity. Intravenous administration of S-nitrosothiols, organic compounds containing a nitroso group attached to the sulfur atom of a thiol, in fasted control animals also increased insulin sensitivity. Under HS feeding the standard doses of GSH + NO and S-nitrosothiols were unable to promote an increase in insulin sensitivity. However, the intravenous administration of increasing concentrations of S-nitrosothiols was able to restore insulin sensitivity, suggesting that S-nitrosothiols have an insulin sensitizing effect. Investigation of the effect of S-nitrosothiols on the insulin signaling pathway showed increased phosphorylation of the insulin receptor (IR) and protein kinase B (Akt), suggesting that S-nitrosothiols may have an effect on the insulin signaling pathway. Together, these data showed that S-nitrosothiols promote normal insulin action, suggesting that they may act as potential pharmacological tools. In the second part of this research work we used liver-specific ROCK1 knockout mice fed a high-fat (HF) diet. Liver-specific deletion of ROCK1 prevented obesity, improved insulin sensitivity and protected against hepatic steatosis. Deficiency of ROCK1 in the liver caused a significant decrease in the gene expression of lipogenesis associated gene, ultimately leading to decreased lipogenesis. Contrariwise, ROCK1 overexpression in the liver promoted insulin resistance and hepatic steatosis in diet-induced obesity. Furthermore, liver-specific deletion of ROCK1 in obese and diabetic mice, the leptin-deficient mice, improved the typical hyperglycemia, hyperinsulinemia and liver steatosis. Together, these data identify ROCK1 as a crucial regulator of lipid metabolism. In the third and final part of this research work we investigated the effect of MSM, an organosulfur compound naturally found in plants and used as a dietary supplement, on diet-induced obese (DIO) and insulin resistant mice. MSM treatment ameliorated insulin resistance and protected against hepatosteatosis. Hepatic content in triglycerides and cholesterol was significantly decreased by MSM treatment, as well as lipogenesis associated gene expression. Furthermore, MSM treated mice had decreased inflammation associated gene expression in the liver. Importantly, FACS analysis showed that MSM treatment rescued the inflammatory hematopoietic phenotype of DIO mice in the bone marrow and the peripheral blood. Moreover, MSM treatment of the obese and diabetic mice, the leptin-deficient mice, resulted in similar effects as the ones observed for DIO mice. Collectively, these data suggest that MSM supplementation has a beneficial effect on hyperinsulinemia, insulin resistance and inflammation, which are often found in type 2 diabetes. In conclusion, this research work showed that S-nitrosothiols may play a role as insulin sensitizers, restoring insulin sensitivity in a setting of high-sucrose induced insulin resistance. Furthermore, in vitro studies suggest that S-nitrosothiols specifically regulate the insulin signaling pathway. This research work also investigated the role of hepatic ROCK1 in regulation of glucose and lipid metabolism. Using liver-specific ROCK 1 knockout and ROCK1 overexpressing mice it was shown that ROCK1 plays a role in the pathogenesis of obesity and type 2 diabetes, specifically through regulation of the de novo lipogenesis pathway. Finally, this research work aimed to explore the effect of MSM in DIO and leptin receptor-deficient mice. MSM strongly protects against obesity and insulin resistance, moreover showed a robust ability to decrease inflammation. Together, the individual studies that compose this dissertation showed that S-nitrosothiols and ROCK1 play a role in the pathogenesis of obesity and type 2 diabetes and that MSM supplementation may have a role in the treatment of metabolic disorders.

Contribution to drug discovery and development for tauopathies using yeast as a model

This work aimed to contribute to drug discovery and development (DDD) for tauopathies, while expanding our knowledge on this group of neurodegenerative disorders, including Alzheimer’s disease (AD). Using yeast, a recognized model for neurodegeneration studies, useful models were produced for the study of tau interaction with beta-amyloid (Aβ), both AD hallmark proteins. The characterization of these models suggests that these proteins co-localize and that Aβ1-42, which is toxic to yeast, is involved in tau40 phosphorylation (Ser396/404) via the GSK-3β yeast orthologue, whereas tau seems to facilitate Aβ1-42 oligomerization. The mapping of tau’s interactome in yeast, achieved with a tau toxicity enhancer screen using the yeast deletion collection, provided a novel framework, composed of 31 genes, to identify new mechanisms associated with tau pathology, as well as to identify new drug targets or biomarkers. This genomic screen also allowed to select the yeast strain mir1Δ-tau40 for development of a new GPSD2TM drug discovery screening system. A library of unique 138 marine bacteria extracts, obtained from the Mid-Atlantic Ridge hydrothermal vents, was screened with mir1Δ-tau40. Three extracts were identified as suppressors of tau toxicity and constitute good starting points for DDD programs. mir1Δ strain was sensitive to tau toxicity, relating tau pathology with mitochondrial function. SLC25A3, the human homologue of MIR1, codes for the mitochondrial phosphate carrier protein (PiC). Resorting to iRNA, SLC25A3 expression was silenced in human neuroglioma cells, as a first step towards the engineering of a neural model for replicating the results obtained in yeast. This model is essential to understand the mechanisms of tau toxicity at the mitochondrial level and to validate PiC as a relevant drug target. The set of DDD tools here presented will foster the development of innovative and efficacious therapies, urgently needed to cope with tau-related disorders of high human and social-economic impact.

Synthesis, antiangiogenesis evaluation and molecular docking studies of 1-Aryl-3-[(thieno[3,2-b]pyridin-7-ylthio)phenyl]ureas: Discovery of a new substitution pattern for type II VEGFR-2 Tyr kinase inhibitors

The synthesis and biological evaluation of novel 1-aryl-3-[2-, 3- or 4-(thieno[3,2-b]pyridin-7-ylthio)phenyl]ureas 3, 4 and 5 as VEGFR-2 tyrosine kinase inhibitors, are reported. The 1-aryl-3-[3-(thieno[3,2-b]pyridin-7-ylthio)phenyl]ureas 4a-4h, with the arylurea in the meta position to the thioether, showed the lowest IC50 values in enzymatic assays (10-206 nM), the most potent compounds 4d-4h (IC50 10-28 nM) bearing hydrophobic groups (Me, F, CF3 and Cl) in the terminal phenyl ring. A convincing rationalization was achieved for the highest potent compounds 4 as type II VEGFR-2 inhibitors, based on the simultaneous presence of: (1) the thioether linker and (2) the arylurea moiety in the meta position. For compounds 4, significant inhibition of Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVECs) proliferation (BrdU assay), migration (wound-healing assay) and tube formation were observed at low concentrations. These compounds have also shown to increase apoptosis using the TUNEL assay. Immunostaining for total and phosphorylated (active) VEGFR-2 was performed by Western blotting. The phosphorylation of the receptor was significantly inhibited at 1.0 and 2.5 microM for the most promising compounds. Altogether, these findings point to an antiangiogenic effect in HUVECs.

Impact of mutated KRAS signalling on autophagy regulation in colorectal carcinoma

Programa Doutoral em Biologia Molecular e Ambiental

The role of monocarboxylate transporters in 3-bromopyruvate effect in cancer cells

Tese de Doutoramento em Biologia Molecular e Ambiental (área de especialização em Biologia Molecular e Saúde).

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.

Caracterización funcional de zeb1 en células en diferenciación y metastásicas. Functional characterization of zeb1 in differentiating and metastatic cells

IDENTIFICACIÓN ZEB1 (Zinc Finger E-box Binding Homeobox) es un factor de transcripción funcionalmente asociado con la diferenciación de células como miocitos, neuronas, células de sostén y linfocitos T, además de estar involucrado en la Transición Epitelial-Mesenquimatosa (EMT) de los tumores sólidos epiteliales. Aún no se ha revelado en profundidad la participación de ZEB1 en los procesos de proliferación y diferenciación en los que participa. Estamos interesados en los mecanismos de regulación de ZEB1 y los factores que intervienen en los procesos de diferenciación y transformación celular. HIPÓTESIS 1. Las vías de señalamiento regulan el estado de fosforilación y la función de ZEB1 en la célula normal, el cual se desregularía en la célula neoplásica llevando a cambios en la función normal de ZEB1 y consecuentemente a metástasis. 2. IGF-1 es la señal que, en asociación con el supresor de tumores CCN6, juega un rol causal en la regulación de ZEB1 y esto a su vez en la metástasis del cáncer de mama. OBJETIVO GENERAL: establecer el rol funcional de ZEB1, su interrelación con otros factores y su regulación en los procesos de diferenciación y transformación celular. OBJETIVOS ESPECIFICOS (incluye Materiales y Métodos) 1. Estudiar la participación de vías de señalización sobre la función biológica de ZEB1 en células normales y neoplásicas. Analizaremos la participación de señales intracelulares en la fosforilación de ZEB1 por experimentos de ganancia/pérdida de función de la vía (por uso de inhibidores farmacologicos, mutantes silenciadoras y siRNAs), lo cual sera evaluado en EMSAs, ChIP, transfecciones, inmunofluoresc, etc. 2. Estudiar el rol de IGF-1 y CCN6 sobre la expresión y el estado de fosforilación de ZEB1 en tumores mamarios benignos, no invasivos e invasivos y metastatizantes. A) Se estudiará la expresión y localización subcelular de ZEB1 en líneas celulares de cáncer mamario y en xenotransplantes de ratón con variada expresión de CCN6. B) Investigar la relevancia de la fosforilación de ZEB1 mediada por IGF-1 en el EMT por experimentos con ganancia/pérdida de función. RESULTADOS ESPERADOS Esperamos poder delinear la/s vía/s de señalización intracelular que fosforilan ZEB1 y así conocer sobre la regulación del mismo. Podremos establecer algunas bases para entender la biología básica del cáncer de mama e identificar blancos terapéuticos. IMPORTANCIA Un amplio conocimiento de los factores de transcripción y sus vías de señalamiento es necesario para el desarrollo tanto de pruebas diagnósticas como para la identificación de nuevos blancos terapéuticos para neoplasias. De modo que resulta de gran importancia clínica determinar el rol de ZEB1, sus proteínas y vías reguladoras en el proceso de oncogénesis. El desarrollo del proyecto prevé la formación de dos tesistas. Se continuaran colaboraciones con dos grupos extranjeros y se iniciara una tercera. ZEB1 (Zinc Finger E-box Binding Homeobox) is a transcription factor involved in cell differentiation and Epithelial Mesenchymal Transition (EMT) of epithelial tumors. We are interested in the study of mechanisms of regulation (pre and post transcriptional). S.A.1. To investigate post translational mechanisms of ZEB1 regulation in normal and cancer cells. We will analyze the involvement of intracellular signals in phosphorylation of ZEB1 by gain- and lost-of-function experiments. S.A.2. A) To determine the role of IGF-1 signaling and CCN6 in regulating the expression of hypo- and hyperphosphorylated forms of ZEB1 in benign and malignant breast cell lines and in xenograft mouse models by overexpressing and inhibiting CCN6 in breast cancer cells. B) To investigate the relevance of CCN6-mediated ZEB1 phosphorylation to EMT, breast cancer invasion and metastasis. The role of CCN6 on ZEB1 phosphorylation and regulation of E-cadherin, induction of EMT, invasion and metastasis of breast cells will be investigated using gain- and loss-of-function experiments.

Estudos sôbre a alimentação mineral da mandioca (Manihot utilissima Pohl.)

1. The present work was carried out to study the effects of mineral nutrients in the yield as well as in the composition of cassava roots. The variety "Branca de Sta. Catarina" was grown by the sand culture method, the following treatments being used: N0 P0 K0, N0 P1 Kl, N1 P0 K1, N2 P1 K0, N2 P1 K1, N1 P2 K1, and N1 P1 K2, where the figures 0, 1, and 2 denote the relative proportion of a given element. The nutrients were given as follows: N = 35 grams of ammonium nitrate per pot loaded with 120 pounds of washed sand; P1 = 35 grams of monocalcium phosphate; Kl = 28 grams of sulfate of potash. Besides those fertilizers, each pot received 26 grams of magnesium sulfate and weekly doses of micronutrients as indicated by HOAGLAND and ARNON (1939). To apply the macronutrients the total doses were divided in three parts evenly distributed during the life cycle of cassava. 2. As far yield of roots and foliage are concerned, there are a few points to be considered: 2.1. the most striking effect on yield was verified when P was omitted from the fertilization; this treatment gave the poorest yields of the whole experiment; the need of that element for the phosphorylation of the starchy reserves explains such result; 2.2. phosphorus and nitrogen, under the experimental conditions, showed to be the most important nutrients for cassava; the effect of potassium in the weight of the roots produced was much less marked; it is noteworthy to mention, that in absence of potassium, the roots yield decreased whereas the foliage increased; as potassium is essential for the translocation of carbohydrates it is reasonable to admit that sugars produced in the leaves instead of going down and accumulate as starch in the roots were consumed in the production of more green matter. 3. Chemical analyses of roots revealed the following interesting points: 3.1. the lack of phosphorus brought about the most drastic reduction in the starch content of the roots; while the treatment N1 P1 K1 gave 32 per cent of starch, with NI PO Kl the amount found was 25 per cent; this result can be explained by the requirement of P for the enzymatic synthesis of starch; it has to be mentioned that the decrease in the starch content was associated with the remarkable drop in yield observed when P was omitted from the nutrient medium; 3.2. the double dosis of nitrogen in the treatment N2 P1 K1, gave the highest yields; however the increase in yield did not produce any industrial gain: whereas the treatment N1 P1 K1 gave 32 per cent of starch, by raising the N level to N2, the starch content fell to 24 per cent; now, considering the total amount of starch present in the roots, one can see, that the increase in roots yield did not compensate for the marked decrease in the starch content; that is, the amount of starch obtained with N1 P1 K1 does not differ statistically from the quantity obtained with N2 P1 K1; as far we know facts similar to this had been observed in sugar beets and sugar cane, as a result of the interaction between nitrogen and sugar produced; the biochemical aspect of the problem is very interesting: by raising the amount of assimilable nitrogen, instead of the carbohydrates polymerize to starch, they do combine to the amino groups to give proteinaceous materials; actually, it did happen that the protein content increased from 2.91 to 5.14 per cent.

Proteomic and Metabolomic Analyses of Mitochondrial Complex I-deficient Mouse Model Generated by Spontaneous B2 Short Interspersed Nuclear Element (SINE) Insertion into NADH Dehydrogenase (Ubiquinone) Fe-S Protein 4 (Ndufs4) Gene.

Eukaryotic cells generate energy in the form of ATP, through a network of mitochondrial complexes and electron carriers known as the oxidative phosphorylation system. In mammals, mitochondrial complex I (CI) is the largest component of this system, comprising 45 different subunits encoded by mitochondrial and nuclear DNA. Humans diagnosed with mutations in the gene NDUFS4, encoding a nuclear DNA-encoded subunit of CI (NADH dehydrogenase ubiquinone Fe-S protein 4), typically suffer from Leigh syndrome, a neurodegenerative disease with onset in infancy or early childhood. Mitochondria from NDUFS4 patients usually lack detectable NDUFS4 protein and show a CI stability/assembly defect. Here, we describe a recessive mouse phenotype caused by the insertion of a transposable element into Ndufs4, identified by a novel combined linkage and expression analysis. Designated Ndufs4(fky), the mutation leads to aberrant transcript splicing and absence of NDUFS4 protein in all tissues tested of homozygous mice. Physical and behavioral symptoms displayed by Ndufs4(fky/fky) mice include temporary fur loss, growth retardation, unsteady gait, and abnormal body posture when suspended by the tail. Analysis of CI in Ndufs4(fky/fky) mice using blue native PAGE revealed the presence of a faster migrating crippled complex. This crippled CI was shown to lack subunits of the "N assembly module", which contains the NADH binding site, but contained two assembly factors not present in intact CI. Metabolomic analysis of the blood by tandem mass spectrometry showed increased hydroxyacylcarnitine species, implying that the CI defect leads to an imbalanced NADH/NAD(+) ratio that inhibits mitochondrial fatty acid β-oxidation.

Mutational analysis of the highly conserved arginine within the Glu/Asp-Arg-Tyr motif of the alpha(1b)-adrenergic receptor: effects on receptor isomerization and activation.

We have suggested previously that both the negatively and positively charged residues of the highly conserved Glu/Asp-Arg-Tyr (E/DRY) motif play an important role in the activation process of the alpha(1b)-adreneric receptor (AR). In this study, R143 of the E/DRY sequence in the alpha(1b)-AR was mutated into several amino acids (Lys, His, Glu, Asp, Ala, Asn, and Ile). The charge-conserving mutation of R143 into lysine not only preserved the maximal agonist-induced response of the alpha(1b)-AR, but it also conferred high degree of constitutive activity to the receptor. Both basal and agonist-induced phosphorylation levels were significantly increased for the R143K mutant compared with those of the wild-type receptor. Other substitutions of R143 resulted in receptor mutants with either a small increase in constitutive activity (R143H and R143D), impairment (R143H, R143D), or complete loss of receptor-mediated response (R143E, R143A, R143N, R143I). The R413E mutant displayed a small, but significant increase in basal phosphorylation despite being severely impaired in receptor-mediated response. Interestingly, all the arginine mutants displayed increased affinity for agonist binding compared with the wild-type alpha(1b)-AR. A correlation was found between the extent of the affinity shift and the intrinsic activity of the agonists. The analysis of the receptor mutants using the allosteric ternary complex model in conjunction with the results of molecular dynamics simulations on the receptor models support the hypothesis that mutations of R143 can drive the isomerization of the alpha(1b)-AR into different states, highlighting the crucial role of this residue in the activation process of the receptor.

Exercice physique et athérosclérose : quels sont les mécanismes physiologiques et moléculaires de l'exercice qui préviennent et protègent de l'athérosclérose? : approche chez un modèle expérimental d'athérosclérose : la souris génétiquement dépourvue en apolipoprotéine E (apoE-/-)

RESUME : L'athérosclérose, pathologie inflammatoire artérielle chronique, est à l'origine de la plupart des maladies cardiovasculaires qui constituent l'une des premières causes de morbidité et mortalité en France. Les études observationnelles et expérimentales montrent que l'exercice physique prévient la mortalité cardiovasculaire. Cependant, les mécanismes précisant les bénéfices cliniques de l'exercice sur l'athérosclérose sont encore largement inconnus. Le but général de ce travail a donc été d'explorer, en utilisant un modèle expérimental d'athérosclérose, la souris hypercholestérolémique génétiquement dépourvue en apolipoprotéine E (apoE-/-), les mécanismes athéroprotecteurs de l'exercice. La dysfonction endothéliale, généralement associée aux facteurs de risque cardiovasculaire, serait l'une des étapes précoces majeures de l'athérogenèse. Elle est caractérisée par une diminution de la biodisponibilité en monoxyde d'azote (NO) avec la perte de ses propriétés vasculo-protectrices, ce qui favorise un climat pro-athérogène (stress oxydatif, adhésion et infiltration des cellules inflammatoires dans la paroi artérielle...) conduisant à la formation de la plaque athéromateuse. L'objectif de notre premier travail a donc été d'explorer les effets de l'exercice d'une part, sur le développement des plaques athéromateuses et d'autre part, sur la fonction endothéliale de la souris apoE-/-. Nos résultats montrent que l'exercice réduit significativement l'extension de l'athérosclérose et prévient la dysfonction endothéliale. L'explication pharmacologique montre que l'exercice stimule la fonction endothéliale via, notamment, une plus grande sensibilité des récepteurs endothéliaux muscariniques, ce qui active les événements signalétiques cellulaires récepteurs-dépendants à l'origine d'une bioactivité accrue de NO. Les complications cliniques graves de l'athérosclérose sont induites par la rupture de la plaque instable provoquant la formation d'un thrombus occlusif et l'ischémie du territoire tissulaire en aval. L'objectif de notre deuxième travail a été d'examiner l'effet de l'exercice sur la qualité/stabilité de la plaque. Nos résultats indiquent que l'exercice de longue durée stabilise la plaque en augmentant le nombre de cellules musculaires lisses et en diminuant le nombre de macrophages intra-plaques. Nos résultats montrent aussi que la phosphorylation de la eNOS (NO Synthase endothéliale) Akt-dépendante n'est pas le mécanisme moléculaire majeur à l'origine de ce bénéfice. Enfin, dans notre troisième travail, nous avons investigué l'effet de l'exercice sur le développement de la plaque vulnérable. Nos résultats montrent, chez un modèle murin de plaque instable (modèle d'hypertension rénovasculaire à rénine et angiotensine II élevés) que l'exercice prévient l'apparition de la plaque vulnérable indépendamment d'un effet hémodynamique. Ce bénéfice serait associé à une diminution de l'expression vasculaire des récepteurs AT1 de l'Angiotensine II. Nos résultats justifient l'importance de l'exercice comme outil préventif des maladies cardiovasculaires. ABSTRACT : Atherosclerosis, a chronic inflammatory disease, is one of the main causes of morbidity and mortality in France. Observational and experimental data indicate that regular physical exercise has a positive impact on cardiovascular mortality. However, the mechanisms by which exercise exerts clinical benefits on atherosclerosis are still unknown. The general aim of this work was to elucidate the anti-atherosclerotic effects of exercise, using a mouse model of atherosclerosis: the apolipoprotein E-deficient mice (apoE-/- mice). Endothelial dysfunction, generally associated with cardiovascular risk factors, has been recognized to be a major and early step in atherogenesis. Endothelial dysfunction is characterized by Nitric Oxide (NO) biodisponibility reduction with loss of NO-mediated vasculoprotective actions. This leads to vascular effects such as increased oxidative stress and increased adhesion of inflammatory cells into arterial wall thus playing a role in atherosclerotic plaque development. Therefore, one of the objective of our study was to explore the effects of exercise on atherosclerotic plaque extension and on endothelial function in apoE-/- mice. Results show that exercise significantly reduces plaque progression and prevents endothelial dysfunction. Pharmacological explanation indicates that exercise stimulates endothelial function by increasing muscarinic receptors sensitivity which in turn activates intracellular signalling receptor-dependent events leading to increased NO bioactivity. The clinical manifestations of atherosclerosis are the consequences of unstable plaque rupture with thrombus formation leading to tissue ischemia. The second aim of our work was to determine the effect of exercise on plaque stability. We demonstrate that long-term exercise stabilizes atherosclerotic plaques as shown by decreased macrophage and increased Smooth Muscle Cells plaque content. Our results also suggest that the Akt-dependent eNOS phosphorylation pathway is not the primary molecular mechanism mediating these beneficial effects. Finally, we assessed a putative beneficial effect of exercise on vulnerable plaque development. In a mouse model of Angiotensine II (Ang II)-mediated vulnerable atherosclerotic plaques, we provide fist evidence that exercise prevents atherosclerosis progression and plaque vulnerability. The beneficial effect of swimming was associated with decreased aortic Ang II AT1 receptor expression independently from any hemodynamic change. These findings suggest clinical benefit of exercise in terms of cardiovascular event protection.

Regulació del factor de transcripció NFAT5 per les quinases WNK1, SPAK i OSR1 i cerca de quinases activadores de la pròpia WNK1 en resposta a estrés osmòtic

Estudi elaborat a partir d’una estada a la School of Life Sciences de la University of Dundee, Gran Bretanya, entre gener i març del 2007.L'estrès osmòtic causa rà pidament l'activació de la quinasa WNK1, que fosforila i activa a continuació les quinases SPAK i OSR1, que alhora regulen canals i transportadors d’ions preexistents a la membrana cel•lular. El factor de transcripció NFAT5 és el principal regulador de la resposta cel•lular transcripcional secundà ria a hipertonicitat i s’ha descrit que les quinases p38, Fyn, PKA, ERK/MEK i ATM estan involucrades en la seva regulació post-traduccional. No obstant, com que la funció d’aquestes quinases no explica totalment els mecanismes d'activació de NFAT5, s’ha estudiat si l’activitat transcripcional de NFAT5 pot estar regulada per WNK1, SPAK o OSR1. Així doncs, es va observar que l’activitat d’un reporter dependent de NFAT5 no es veu afectada per la presència de cap de les quinases anteriors, en la seva forma wild-type o dominant negatiu. D’altra banda, es va estudiar quin domini de WNK1 és necessari per a que pugui respondre a hipertonicitat i quines quinases poden estar involucrades en la fosforilació de la serina 382 de WNK1. En conclusió, les dades obtingudes apunten que l’activació de WNK1 en resposta a estrès osmòtic requereix la seva fosforilació en la serina 382 per quinases upstream com PAK2 o RSK i que també és necessari un dels seus dominis coiled-coil, almenys els aminoà cids 558 i 561. Aquests processos, però, semblen ser independents de l’activació de NFAT5 en resposta a hipertonicitat.