Mejora del valor proteico para rumiantes de la harina de girasol mediante tratamientos combinados con ácidos (málico y fosfórico) y calor = Improvement of the protein value for ruminants of sunflower meal by combined treatments with acids (malic and orthophosphoric) and heat

El objetivo principal de esta tesis fue incrementar el valor proteico para rumiantes de la harina de girasol mediante tratamientos combinados con ácidos y calor para proteger sus proteínas frente a la degradación ruminal. Estos estudios comprenden dos experimentos realizados sobre ovinos mediante tecnologías in vitro (experimento 1) o in situ e in vivo (experimento 2), empleando siempre dos ácidos: málico u ortofosfórico. Aprovechando este último experimento, también se consideraron otros objetivos de carácter metodológico con el fin de mejorar la precisión de las estimas de i) la degradabilidad ruminal y la digestibilidad intestinal de la proteína y los aminoácidos (AAs) de los alimentos y ii) la síntesis microbiana ruminal y su contribución al flujo post-ruminal de nutrientes al animal. En el experimento 1 (capítulo 2) se efectuaron cuatro ensayos in vitro para estudiar la influencia de distintos factores que puedan afectar la eficacia de estos tratamientos. En cada ensayo se utilizó una réplica por tratamiento (dos para el tratamiento control) y dos bolsas vacías (empleadas para corregir la contaminación microbiana) en cada una de las cuatro botellas del incubador (ANKOM Daisy II). Cada botella contenía 2 l de medio de incubación, saturado con CO2 para asegurar la anaerobiosis. Este medio consistió en una mezcla de solución McDougall y liquido ruminal filtrado en relación 4:1. El liquido ruminal fue obtenido de 2 corderos canulados en rumen, utilizándose bien solo o mezclado con el del otro cordero en una relación 3:1. Así, cada botella de incubación contenía un inoculo ruminal diferente. Las incubaciones se realizaron a 39 ºC durante 20 h, siendo las bolsas lavadas con agua corriente y almacenadas a -20 ºC. Tras ser descongeladas, se lavaron 3 veces durante 5 min en una mini-lavadora de turbina, se desecaron a 80 ºC durante 48 h y se destinaron íntegras al análisis de N-Kjeldahl. En el ensayo 1 se estudió el efecto del volumen de disolución de dos dosis de ácido ortofosfórico (0,4 y 1,2 equivalentes gramo (eq)/kg de harina de girasol), testando cinco volúmenes de disolución (80, 160, 240, 320 and 400 ml/kg de harina) para cada dosis, desecándose las harinas a 60 ºC hasta sequedad al tacto. La proteína bruta (PB) indegradada se incremento con la dosis de ácido empleada y también (como tendencia, P < 0,1) con el volumen de dilución. En base a ello en los siguientes ensayos se utilizo el volumen de dilución mayor (400 ml/kg). En el ensayo 2 se estudió el efecto de la dosis y del tipo de ácido a cuatro dosis (1,2; 2,4; 3,6 y 4,8 eq/kg), secándose igualmente las muestras tratadas a 60 ºC. La PB indegradada aumentó con la dosis de ácido, siendo también mayor para el ácido málico, tanto en este ensayo como en los posteriores. En el ensayo 3 se estudiaron los efectos de los dos ácidos, cuatro concentraciones (0,6; 1,2; 1,8 y 2,4 eq/kg) y tres tratamientos térmicos para el secado de las muestras (100, 150 and 200 ºC durante 60, 30 y 20 minutos, respectivamente). Con los tratamientos térmicos a 100 y 150 ºC no hubo un incremento de protección para concentraciones superiores a 0,8 eq/kg para ambos ácidos. Para incrementar la protección fue necesario aumentar la temperatura a 200 ºC y la dosis a 1,2 eq/kg, no observándose un aumento de protección a dosis mayores. En el ensayo 4 se estudiaron los efectos sobre la lisina disponible, la solubilidad de la PB en saliva artificial de McDougall y la PB indegradada in vitro de tratar la harina solo con agua o con disoluciones de ambos ácidos a dosis de 0,8 eq/kg y temperaturas de secado de 100 ó 150 ºC en las mismas condiciones que en el ensayo 3. No se apreciaron efectos sobre la lisina disponible para ninguno de los tratamientos. El efecto específico de los ácidos quedo demostrado tanto por la fuerte reducción de la solubilidad de la PB como por el aumento de la PB indegradada frente al tratamiento con agua. En conjunto, los resultados de este experimento mostraron que la eficacia de estos tratamientos depende del tipo y dosis de ácido y de su dilución, así como de las condiciones de secado. Como tratamiento de mayor interés a aplicar posteriormente en el experimento 2 se consideró una dosis de 0,8 eq/kg de harina, aplicada en un volumen de 400 ml/kg (correspondiente a soluciones 1 M y 0,67 M para los ácidos málico y ortofosfórico, respectivamente) y desecación a 150 ºC. El experimento 2 (capítulos 3 a 7) se realizó con un diseño en cuadrado latino 3x3, empleando tres corderos canulados en rumen y duodeno y tres dietas isoproteicas: U, M y P, que incluían harinas de girasol sin tratar (control) y tratadas con acido málico u ortofosfórico, respectivamente. La harina de girasol se trató en las condiciones ya indicadas siendo necesarias 6 horas para su secado en estufa. Las dietas incluían 40% de heno de raigrás italiano y 60% de concentrado a base de harina de girasol (tratada y/o sin tratar), trigo y corrector vitamínico-mineral, siendo suministradas a 75 g/kg P0.75 (equivalente a 2,3 × mantenimiento). La relación harina de girasol sin tratar y tratada fue de 100:0 en la dieta U y entorno a 40:60 en las dietas M y P. Tras 10 días de adaptación a la dieta, se estudiaron sucesivamente: i) el tránsito hasta el duodeno de las partículas del heno (solo en la dieta control) y de la harina de girasol marcadas previamente con europio e iterbio, respectivamente; ii) la fermentación ruminal durante el periodo postprandial, iii) la degradación ruminal in situ de la harina de girasol específica de cada dieta (y del trigo y el heno en la dieta control) y iv) la magnitud y composición del contenido ruminal mediante el vaciado manual del rumen-retículo. Durante todo el periodo experimental se infundio de forma continua una solución de sulfato amónico enriquecido en 15N (98 átomos %) para corregir la contaminación microbiana ruminal en los estudios in situ y para establecer las diferencias de composición química entre las bacterias libres (BAL) y adherentes (BAS) del rumen. Esta solución incluyó en los dos últimos días Li-Cr- EDTA para determinar la tasa de dilución ruminal. Posteriormente, y tras un periodo de al menos 10 días para eliminar el enriquecimiento en 15N de la digesta, se estudió la digestibilidad intestinal de los distintos alimentos mediante la técnica de bolsas móviles. La determinación del bypass (BP) o de la degradabilidad efectiva (DE) de la materia seca (MS) y de la PB se realizó por el método tradicional de integración matemática; estos valores se obtuvieron también para la PB y los AAs generando una muestra representativa del flujo post-ruminal del alimento en estudio en cada animal. Ello se realizó mediante la mezcla de los distintos residuos de incubación en base a la función que describe el flujo de alimento indegradado que abandona el rumen. Todos estos trabajos se realizaron considerando la tasa de salida de partículas del rumen (kp) y, según casos, considerando también la tasa de conminución y mezcla de las partículas en este compartimento (kc). Para este último caso se ha desarrollado también el modelo matemático que describe este flujo y permite este cálculo. Los valores no corregidos por la contaminación microbiana del BP (o de DE) de la PB resultantes de ambos métodos se han comparado tanto en las harinas de girasol como en los restantes alimentos de la dieta, obteniéndose valores similares, sin apreciarse desviaciones sistemáticas. Sobre las muestras compuestas representativas de la composición química del BP se determino la digestibilidad intestinal efectiva (DIE) de la MS, PB y AAs. Todos los valores resultantes de esta técnica fueron corregidos para la contaminación microbiana de las partículas que tiene lugar en el rumen. Los estudios de transito digestivo se realizaron tras suministrar en el comedero a los corderos una dosis simple de los alimentos marcados, seguida de la toma de muestras de la digesta duodenal durante 82 h. En la dieta testigo se suministraron simultáneamente el heno de raigrás y la harina de girasol, mientras que en las otras dietas solo se suministró esta última. La harina de girasol mostro un mayor valor para kc frente al heno (0,5766 v. 0,0892, /h), mientras que no hubo diferencias entre los dos alimentos para kp (0,0623 v. 0,0609, /h). Para la harina de girasol no se apreciaron diferencias entre dietas para kc, pero si se redujo de manera moderada la tasa kp con los tratamientos, siendo ésta también menor al utilizar ácido ortofosfórico frente al uso de ácido malico (0,0577 v. 0,0600, /h). El empleo de las harinas tratadas no modifico los parámetros de fermentación ruminal, la composición de los contenidos ruminales o la tasa de dilución del rumen. Los valores efectivos del BP y de DIE de la MS, PB y AAs de las harinas de girasol se obtuvieron considerando kc y kp, conjuntamente. Los tratamientos de protección incrementaron el BP de MS y PB en 48,5 y 268% de media, respectivamente. Estos incrementos se debieron principalmente al descenso de la fracción soluble y de la velocidad de degradación, pero también al aumento de la fracción indegradable, especialmente usando ácido ortofosfórico. Con los tratamientos se incrementó también la DIE de la MS (108% de media) y de la PB con gran diferencia entre los ácidos málico y ortofosfórico (20,7 v. 11,8%). Como consecuencia de estos cambios la protección aumentó la fracción realmente digerida en el intestino en 211% (MS) y 325% (PB), sin efectos entre ambos ácidos. Considerando la reducción del suministro de energía fermentable para los microorganismos ruminales asociada a la protección y los parámetros indicados por el sistema PDI francés para la síntesis de proteína microbiana digestible, la eficacia de conversión de PB en proteína metabolizable aumentó de 0,244 a 0,559 y 0,515 con el tratamiento con acido málico y ortofosfórico, respectivamente. El contenido en aminoácidos (AAs) fue similar en todas las harinas salvo por una disminución de lisina en las harinas tratadas. De forma análoga a la PB, los tratamientos de protección incrementaron el BP y la DIE de la mayoría de AAs. El aporte de AAs metabolizabes de la harina se multiplico en 3,87 para los AAs azufrados y en menor medida (2,5 veces) para la lisina, como consecuencia de las pérdidas sufridas a consecuencia del tratamiento térmico. Estos tratamientos se muestran, por tanto, útiles para incrementar el valor proteico de la harina de girasol, si bien su empleo junto con concentrados proteicos ricos en lisina bypass digestible mejoraría el perfil de la proteína metabolizable. La corrección de la contaminación microbiana de las partículas que tiene lugar en el rumen se asoció en todos los alimentos testados y, de forma general, con reducciones del BP y de su DIE en todas las fracciones estudiadas. Estas reducciones fueron pequeñas en todos los concentrados, de forma acorde con los muy pequeños niveles de contaminación registrados tanto en las harinas de girasol como en el grano de trigo. Por el contrario, esta contaminación, al igual que los efectos de su corrección, fueron muy importantes en el heno de raigrás. Esta contaminación aumentó al tener en cuenta kc. Así, para la proporción de PB de origen microbiano existente en las muestras compuestas representativas del BP, este aumento fue significativo para el heno de raigrás (0,463 v. 0,706) y solo numérico para la harina de girasol (0,0170 v. 0,0208). La reducción de las estimas de DIE al corregir esta contaminación fue consecuencia de la eliminación de forma casi completa de los microorganismos adherentes en todos los residuos testados. Así, esta biomasa se redujo en 96,1% como media de 7x3 observaciones. Como resultado de las diferencias acumulativas a nivel del rumen e intestino, la no corrección de la contaminación microbiana junto con la no consideración de kc condujo a fuertes sobrestimaciones de la PB digerida en el intestino. Ésta fue de 39% en la harina de girasol (0,146 v. 0,105) y de 761% en el heno de raigrás (0,373 v. 0,0433). Estos resultados muestran que es necesario considerar tanto kc como corregir la contaminación microbiana para obtener estimas in situ precisas en forrajes, mientras que en concentrados, siempre que la contaminación microbiana sea pequeña, es más importante considerar kc. La elevada contaminación microbiana observada en el heno de raigrás se asoció también con importantes errores a nivel del N asociado a la fibra neutro (FND) y ácido (FAD) detergente (NDIN y ADIN, respectivamente) e incluso de estas fracciones de fibra, evidenciándose que estos métodos no eliminan completamente la contaminación microbiana que sufren los alimentos en su paso por el retículorumen. Así, en la muestra compuesta representativa de la composición química del flujo postruminal antes descrita, la sobrevaloración por no corregir la contaminación microbiana fue de 99,8; 24,2; 3,34 y 0,48% para NDIN, ADIN, FND y FAD, respectivamente. Las subvaloraciones asociadas para su DE fueron 34,1; 8,79; 4,41 y 0,51%, respectivamente. La DE corregida del NDIN y ADIN (0,743 y 0,728, respectivamente) mostró un aprovechamiento ruminal elevado de estos compuestos, si bien menor al de la PB total (0,85). El estudio de este aprovechamiento sobre los residuos de incubación ruminal a 6 y 72 h demostró, además, una más rápida degradación del ADIN frente al NDIN, así como un mayor potencial de degradación de este último en este alimento. Para comprobar si la digestión en el abomaso eliminaba la contaminación microbiana en la FND y FAD se estudio esta contaminación y sus posibles errores en muestras liofilizadas de contenidos ruminales y duodenales correspondientes a una dieta mixta de similar composición a la utilizada en el experimento 2, comparándose, además, las diferencias entre la extracción secuencial o directa de la FAD. Utilizando como referencia las BAS se apreciaron elevadas contaminaciones en la FND y FAD y su N asociado tanto en las muestras ruminales como en las duodenales. Sin embargo, los resultados de enriquecimiento en 15N de las partículas fueron intermedios entre los correspondientes a BAS y BAL lo que evidencia una elevada contaminación con BAL en estas muestras probablemente durante el proceso de liofilización. Ello conlleva una sobrevaloración de esta estimación. El método de extracción directa de FAD se mostró, por otra parte, marcadamente menos eficaz en la eliminación de la contaminación microbiana. Los resultados muestran la necesidad de corregir la contaminación microbiana para obtener estimaciones precisas de la degradabilidad de las proteínas de las paredes celulares vegetales. Estos errores deberían ser también considerados para FND y FAD en estudios in situ e in vivo. La elevada tasa fraccional de degradación del grano de trigo (60,9 y 42,0%/h para MS y PB, respectivamente) implico que su flujo de material indegradado (calculado solo en base a la kp obtenida para la harina de girasol) se redujera muy rápidamente, de forma que es casi nulo a 8 h tras la ingestión. Los valores corregidos de PB digerida en el intestino (0,15) representan solo el 18,7% de la proteína metabolizable, lo que muestra que el valor proteico del grano de trigo está estrechamente ligado a la síntesis de proteína microbiana derivada de su fermentación. En el experimento 2 se observaron menores concentraciones para materia orgánica, lípidos y PB, así como en la proporción N-AAs/N total en BAL que en BAS, siendo, por el contrario, mayor su enriquecimiento en 15N. Estos últimos resultados se utilizaron (junto con los de otros trabajos previos de este equipo) para validar una predicción preexistente del enriquecimiento en 15N de las BAS a partir de este valor en las BAL. Esta ecuación, de muy alta precisión (R2 = 0.995), permite calcular la subvaloración que se comete en los aportes de nutrientes correspondientes a las BAS al usar las BAL como muestra de referencia. Esta subvaloración representa aproximadamente 21, 32,5 y 60% para PB, proteína verdadera y lípidos.

Analysis of signal impairment and crosstalk penalty induced by different types of optical filters in 100 Gbps PM-DQPSK based systems

Optical filters are crucial elements in optical communication networks. Their influence toward the optical signal will affect the communication quality seriously. In this paper we will study and simulate the optical signal impairment and crosstalk penalty caused by different kinds of filters, which include Butterworth, Bessel, Fiber Bragg Grating (FBG) and Fabry-Perot (F-P). Signal impairment from filter concatenation effect and crosstalk penalty from out-band and in-band are analyzed from Q-penalty, eye opening penalty (EOP) and optical spectrum. The simulation results show that signal impairment and crosstalk penalty induced by the Butterworth filter is the minimum among these four types of filters. Signal impairment caused by filter concatenation effect shows that when center frequency of all filters is aligned perfectly with the laser's frequency, 12 50-GHz Butterworth filters can be cascaded, with 1-dB EOP. This value is reduced to 9 when the center frequency is misaligned with 5 GHz. In the 50-GHz channel spacing DWDM networks, total Q-penalty induced by a pair of Butterworth filters based demultiplexer and multiplexer is lower than 0.5 dB when the filter bandwidth is in the range of 42-46 GHz.

Productive performance of brown-egg laying pullets from hatching to 5 weeks of age as affected by fiber inclusion, feed form, and energy concentration of the diet

The effects of fiber inclusion, feed form, and energy concentration of the diet on the growth performance of pullets from hatching to 5 wk age were studied in 2 experiments. In Experiment 1, there was a control diet based on cereals and soybean meal, and 6 extra diets that included 2 or 4% of cereal straw, sugar beet pulp (SBP), or sunflower hulls (SFHs) at the expense (wt/wt) of the whole control diet. From hatching to 5 wk age fiber inclusion increased (P < 0.05) ADG and ADFI, and improved (P < 0.05) energy efficiency (EnE; kcal AMEn/g ADG), but body weight (BW) uniformity was not affected. Pullets fed SFH tended to have higher ADG than pullets fed SBP (P = 0.072) with pullets fed straw being intermediate. The feed conversion ratio (FCR) was better (P < 0.05) with 2% than with 4% fiber inclusion. In Experiment 2, 10 diets were arranged as a 2×5 factorial with 2 feed forms (mash vs. crumbles) and 5 levels of AMEn (2,850, 2,900, 2,950, 3,000, and 3,050 kcal/kg). Pullets fed crumbles were heavier and had better FCR than pullets fed mash (P < 0.001). An increase in the energy content of the crumble diets reduced ADFI and improved FCR linearly, but no effects were detected with the mash diets (P < 0.01 and P < 0.05 for the interactions). Feeding crumbles tended to improve BW uniformity at 5 wk age (P = 0.077) but no effects were detected with increases in energy concentration of the diet. In summary, the inclusion of moderate amounts of fiber in the diet improves pullet performance from hatching to 5 wk age. The response of pullets to increases in energy content of the diet depends on feed form with a decrease in feed intake when fed crumbles but no changes when fed mash. Feeding crumbles might be preferred to feeding mash in pullets from hatching to 5 wk age.

Productive performance of brown-egg laying pullets from hatching to 5 weeks of age as affected by fiber inclusion, feed form, and energy concentration of the diet1

The effects of fiber inclusion, feed form, and energy concentration of the diet on the growth performance of pullets from hatching to 5 wk age were studied in 2 experiments. In Experiment 1, there was a control diet based on cereals and soybean meal, and 6 extra diets that included 2 or 4% of cereal straw, sugar beet pulp (SBP), or sunflower hulls (SFHs) at the expense (wt/wt) of the whole control diet. From hatching to 5 wk age fiber inclusion increased (P < 0.05) ADG and ADFI, and improved (P < 0.05) energy efficiency (EnE; kcal AMEn/g ADG), but body weight (BW) uniformity was not affected. Pullets fed SFH tended to have higher ADG than pullets fed SBP (P = 0.072) with pullets fed straw being intermediate. The feed conversion ratio (FCR) was better (P < 0.05) with 2% than with 4% fiber inclusion. In Experiment 2, 10 diets were arranged as a 2×5 factorial with 2 feed forms (mash vs. crumbles) and 5 levels of AMEn (2,850, 2,900, 2,950, 3,000, and 3,050 kcal/kg). Pullets fed crumbles were heavier and had better FCR than pullets fed mash (P < 0.001). An increase in the energy content of the crumble diets reduced ADFI and improved FCR linearly, but no effects were detected with the mash diets (P < 0.01 and P < 0.05 for the interactions). Feeding crumbles tended to improve BW uniformity at 5 wk age (P = 0.077) but no effects were detected with increases in energy concentration of the diet. In summary, the inclusion of moderate amounts of fiber in the diet improves pullet performance from hatching to 5 wk age. The response of pullets to increases in energy content of the diet depends on feed form with a decrease in feed intake when fed crumbles but no changes when fed mash. Feeding crumbles might be preferred to feeding mash in pullets from hatching to 5 wk age.

Multiresidue Analysis of Insecticides and Other Selected Environmental Contaminants in Poultry Manure by Gas Chromatography/Mass Spectrometry

An analytical method was developed for the simultaneous determination in poultry manure of 41 organic contaminants belonging to different chemical classes: pesticides, polycyclic aromatic hydrocarbons, polychlorinated biphenyls, and polybrominated diphenyl ethers. Poultry manure was extracted with a modified QuEChERS method, and the extracts were analyzed by isotope dilution GC/MS. Recovery of these contaminants from samples spiked at levels ranging from 25 to 100 ng/g was satisfactory for all the compounds. The developed procedure provided LODs from 0.8 to 9.6 ng/g. The analysis of poultry manure samples collected on different farms confirmed the presence of some of the studied contaminants. Pyrethroids and polycyclic aromatic hydrocarbons were the main contaminants detected.

Regulation of product chain length by isoprenyl diphosphate synthases

An analysis of the x-ray structure of homodimeric avian farnesyl diphosphate synthase (geranyltransferase, EC 2.5.1.10) coupled with information about conserved amino acids obtained from a sequence alignment of 35 isoprenyl diphosphate synthases that synthesize farnesyl (C15), geranylgeranyl (C20), and higher chain length isoprenoid diphosphates suggested that the side chains of residues corresponding to F112 and F113 in the avian enzyme were important for determining the ultimate length of the hydrocarbon chains. This hypothesis was supported by site-directed mutagenesis to transform wild-type avian farnesyl diphosphate synthase (FPS) into synthases capable of producing geranylgeranyl diphosphate (F112A), geranylfarnesyl (C25) diphosphate (F113S), and longer chain prenyl diphosphates (F112A/F113S). An x-ray analysis of the structure of the F112A/F113S mutant in the apo state and with allylic substrates bound produced the strongest evidence that these mutations caused the observed change in product specificity by directly altering the size of the binding pocket for the growing isoprenoid chain in the active site of the enzyme. The proposed binding pocket in the apo mutant structure was increased in depth by 5.8 Å as compared with that for the wild-type enzyme. Allylic diphosphates were observed in the holo structures, bound through magnesium ions to the aspartates of the first of two conserved aspartate-rich sequences (D117–D121), with the hydrocarbon tails of all the ligands growing down the hydrophobic pocket toward the mutation site. A model was constructed to show how the growth of a long chain prenyl product may proceed by creation of a hydrophobic passageway from the FPS active site to the outside surface of the enzyme.

Proteolytic cleavage product of 30-kDa adipocyte complement-related protein increases fatty acid oxidation in muscle and causes weight loss in mice

Adipocyte complement-related protein (30 kDa) (Acrp30), a secreted protein of unknown function, is exclusively expressed in differentiated adipocytes; its mRNA is decreased in obese humans and mice. Here we describe novel pharmacological properties of the protease-generated globular head domain of Acrp30 (gAcrp30). Acute treatment of mice with gAcrp30 significantly decreased the elevated levels of plasma free fatty acids caused either by administration of a high fat test meal or by i.v. injection of Intralipid. This effect of gAcrp30 was caused, at least in part, by an acute increase in fatty acid oxidation by muscle. As a result, daily administration of a very low dose of gAcrp30 to mice consuming a high-fat/sucrose diet caused profound and sustainable weight reduction without affecting food intake. Thus, gAcrp30 is a novel pharmacological compound that controls energy homeostasis and exerts its effect primarily at the peripheral level.

Chromatin-bound PCNA complex formation triggered by DNA damage occurs independent of the ATM gene product in human cells

Proliferating cell nuclear antigen (PCNA), a processivity factor for DNA polymerases δ and ɛ, is involved in DNA replication as well as in diverse DNA repair pathways. In quiescent cells, UV light-induced bulky DNA damage triggers the transition of PCNA from a soluble to an insoluble chromatin-bound form, which is intimately associated with the repair synthesis by polymerases δ and ɛ. In this study, we investigated the efficiency of PCNA complex formation in response to ionizing radiation-induced DNA strand breaks in normal and radiation-sensitive Ataxia telangiectasia (AT) cells by immunofluorescence and western blot techniques. Exposure of normal cells to γ-rays rapidly triggered the formation of PCNA foci in a dose-dependent manner in the nuclei and the PCNA foci (40–45%) co-localized with sites of repair synthesis detected by bromodeoxyuridine labeling. The chromatin-bound PCNA gradually declined with increasing post-irradiation times and almost reached the level of unirradiated cells by 6 h. The PCNA foci formed after γ-irradiation was resistant to high salt extraction and the chromatin association of PCNA was lost after DNase I digestion. Interestingly, two radiosensitive primary fibroblast cell lines, derived from AT patients harboring homozygous mutations in the ATM gene, displayed an efficient PCNA redistribution after γ-irradiation. We also analyzed the PCNA complex induced by a radiomimetic agent, Bleomycin (BLM), which produces predominantly single- and double-strand DNA breaks. The efficiency and the time course of PCNA complex induced by BLM were identical in both normal and AT cells. Our study demonstrates for the first time that the ATM gene product is not required for PCNA complex assembly in response to DNA strand breaks. Additionally, we observed an increased interaction of PCNA with the Ku70 and Ku80 heterodimer after DNA damage, suggestive of a role for PCNA in the non-homologous end-joining repair pathway of DNA strand breaks.

Repair of hydantoins, one electron oxidation product of 8-oxoguanine, by DNA glycosylases of Escherichia coli

8-Oxoguanine (8-oxoG), induced by reactive oxygen species and arguably one of the most important mutagenic DNA lesions, is prone to further oxidation. Its one-electron oxidation products include potentially mutagenic guanidinohydantoin (Gh) and spiroiminodihydantoin (Sp) because of their mispairing with A or G. All three oxidized base-specific DNA glycosylases of Escherichia coli, namely endonuclease III (Nth), 8-oxoG-DNA glycosylase (MutM) and endonuclease VIII (Nei), excise Gh and Sp, when paired with C or G in DNA, although Nth is less active than the other two. MutM prefers Sp and Gh paired with C (kcat/Km of 0.24–0.26 min–1 nM–1), while Nei prefers G over C as the complementary base (kcat/Km – 0.15–0.17 min–1 nM–1). However, only Nei efficiently excises these paired with A. MutY, a 8-oxoG·A(G)-specific A(G)-DNA glycosylase, is inactive with Gh(Sp)·A/G-containing duplex oligonucleotide, in spite of specific affinity. It inhibits excision of lesions by MutM from the Gh·G or Sp·G pair, but not from Gh·C and Sp·C pairs. In contrast, MutY does not significantly inhibit Nei for any Gh(Sp) base pair. These results suggest a protective function for MutY in preventing mutation as a result of A (G) incorporation opposite Gh(Sp) during DNA replication.

Post-transcriptional regulation of vascular endothelial growth factor mRNA by the product of the VHL tumor suppressor gene.

The VHL tumor suppressor gene is inactivated in patients with von Hippel-Lindau disease and in most sporadic clear cell renal carcinomas. Although VHL protein function remains unclear, VHL does interact with the elongin BC subunits in vivo and regulates RNA polymerase II elongation activity in vitro by inhibiting formation of the elongin ABC complex. Expression of wild-type VHL in renal carcinoma cells with inactivated endogenous VHL resulted in unaltered in vitro cell growth and decreased vascular endothelial growth factor (VEGF) mRNA expression and responsiveness to serum deprivation. VEGF is highly expressed in many tumors, including VHL-associated and sporadic renal carcinomas, and it stimulates neoangiogenesis in growing solid tumors. Despite 5-fold differences in VEGF mRNA levels, VHL overexpression did not affect VEGF transcription initiation or elongation as would have been suggested by VHL-elongin association. These results suggest that VHL regulates VEGF expression at a post-transcriptional level and that VHL inactivation in target cells causes a loss of VEGF suppression, leading to formation of a vascular stroma.

ATP-dependent uptake of natural product cytotoxic drugs by membrane vesicles establishes MRP as a broad specificity transporter.

MRP is a recently isolated ATP-binding cassette family transporter. We previously reported transfection studies that established that MRP confers multidrug resistance [Kruh, G. D., Chan, A., Myers, K., Gaughan, K., Miki, T. & Aaronson, S. A. (1994) Cancer Res. 54, 1649-1652] and that expression of MRP is associated with enhanced cellular efflux of lipophilic cytotoxic agents [Breuninger, L. M., Paul, S., Gaughan, K., Miki, T., Chan, A., Aaronson, S. A. & Kruh, G. D. (1995) Cancer Res. 55, 5342-5347]. To examine the biochemical mechanism by which MRP confers multidrug resistance, drug uptake experiments were performed using inside-out membrane vesicles prepared from NIH 3T3 cells transfected with an MRP expression vector. ATP-dependent transport was observed for several lipophilic cytotoxic agents including daunorubicin, etoposide, and vincristine, as well as for the glutathione conjugate leukotriene C4 (LTC4). However, only marginally increased uptake was observed for vinblastine and Taxol. Drug uptake was osmotically sensitive and saturable with regard to substrate concentration, with Km values of 6.3 microM, 4.4 microM, 4.2 microM, 35 nM, and 38 microM, for daunorubicin, etoposide, vincristine, LTC4, and ATP, respectively. The broad substrate specificity of MRP was confirmed by the observation that daunorubicin transport was competitively inhibited by reduced and oxidized glutathione, the glutathione conjugates S-(p-azidophenacyl)-glutathione (APA-SG) and S-(2,4-dinitrophenyl)glutathione (DNP-SG), arsenate, and the LTD4 antagonist MK571. This study establishes that MRP pumps unaltered lipophilic cytotoxic drugs, and suggests that this activity is an important mechanism by which the transporter confers multidrug resistance. The present study also indicates that the substrate specificity of MRP is overlapping but distinct from that of P-glycoprotein, and includes both the neutral or mildly cationic natural product cytotoxic drugs and the anionic products of glutathione conjugation. The widespread expression of MRP in tissues, combined with its ability to transport both lipophilic xenobiotics and the products of phase II detoxification, indicates that the transporter represents a widespread and remarkably versatile cellular defense mechanism.

Characterization of the gene cluster of high-molecular-mass nitrile hydratase (H-NHase) induced by its reaction product in Rhodococcus rhodochrous J1.

The 4.6-kb region 5'-upstream from the gene encoding a cobalt-containing and amide-induced high molecular mass-nitrile hydratase (H-NHase) from Rhodococcus rhodochrous J1 was found to be required for the expression of the H-NHase gene with a host-vector system in a Rhodococcus strain. Sequence analysis has revealed that there are at least five open reading frames (H-ORF1 approximately 5) in addition to H-NHase alpha- and beta-subunit genes. Deletion of H-ORF1 and H-ORF2 resulted in decrease of NHase activity, suggesting a positive regulatory role of both ORFs in the expression of the H-NHase gene. H-ORF1 showed significant similarity to a regulatory protein, AmiC, which is involved in regulation of amidase expression by binding an inducer amide in Pseudomonas aeruginosa. H-ORF4, which has been found to be uninvolved in regulation of H-NHase expression by enzyme assay for its deletion transformant and Northern blot analysis for R. rhodochrous J1, showed high similarity to transposases from insertion sequences of several bacteria. Determination of H-NHase activity and H-NHase mRNA levels in R. rhodochrous J1 has indicated that the expression of the H-NHase gene is regulated by an amide at the transcriptional level. These findings suggest the participation of H-ORF4 (IS1164) in the organization of the H-NHase gene cluster and the involvement of H-ORF1 in unusual induction mechanism, in which H-NHase is formed by amides (the products in the NHase reaction), but not by nitriles (the substrates).

Nuclear/cytoplasmic localization of the von Hippel-Lindau tumor suppressor gene product is determined by cell density.

The product of the von Hippel-Lindau (VHL) tumor suppressor gene, the gene inactivated in VHL disease and in sporadic clear-cell renal carcinomas, has recently been shown to have as a functional target the transcription elongation complex, elongin (also called SIII). Here it is shown that there is a tightly regulated, cell-density-dependent transport of VHL into and/or out of the nucleus. In densely grown cells, the VHL protein is predominantly in the cytoplasm, whereas in sparse cultures, most of the protein can be detected in the nucleus. We have identified a putative nuclear localization signal in the first 60 and first 28 amino acids of the human and rat VHL protein, respectively. Sequences in the C-terminal region of the VHL protein may also be required for localization to the cytosol. These findings provide the initial indication of a novel cell density-dependent pathway that is responsible for the regulation of VHL cellular localization.

Proteolysis of major histocompatibility complex class II-associated invariant chain is regulated by the alternatively spliced gene product, p41.

Invariant chain (Ii) is an intracellular type II transmembrane glycoprotein that is associated with major histocompatibility complex class II molecules during biosynthesis. Ii exists in two alternatively spliced forms, p31 and p41. Both p31 and p41 facilitate folding of class II molecules, promote egress from the endoplasmic reticulum, prevent premature peptide binding, and enhance localization to proteolytic endosomal compartments that are thought to be the sites for Ii degradation, antigen processing, and class II-peptide association. In spite of the dramatic and apparently equivalent effects that p31 and p41 have on class II biosynthesis, the ability of invariant chain to enhance antigen presentation to T cells is mostly restricted to p41. Here we show that degradation of Ii leads to the generation of a 12-kDa amino-terminal fragment that in p41-positive, but not in p31-positive, cells remains associated with class II molecules for an extended time. Interestingly, we find that coexpression of the two isoforms results in a change in the pattern of p31 degradation such that endosomal processing of p31 also leads to extended association of a similar 12-kDa fragment with class II molecules. These data raise the possibility that p41 may have the ability to impart its pattern of proteolytic processing on p31 molecules expressed in the same cells. This would enable a small number of p41 molecules to modify the post-translational transport and/or processing of an entire cohort of class II-Ii complexes in a manner that could account for the unique ability of p41 to enhance antigen presentation.

Inactivation of ethanol-inducible cytochrome P450 and other microsomal P450 isozymes by trans-4-hydroxy-2-nonenal, a major product of membrane lipid peroxidation.

Of the microsomal P450 cytochromes, the ethanol-inducible isoform, P450 2E1, is believed to be predominant in leading to oxidative damage, including the generation of radical species that contribute to lipid peroxidation, and in the reductive beta-scission of lipid hydroperoxides to give hydrocarbons and aldehydes. In the present study, the sensitivity of a series of P450s to trans-4-hydroxy-2-nonenal (HNE), a known toxic product of membrane lipid peroxidation, was determined. After incubation of a purified cytochrome with HNE, the other components of the reconstituted system (NADPH-cytochrome P450 reductase, phosphatidylcholine, and NADPH) were added, and the rate of oxygenation of 1-phenylethanol to yield acetophenone was assayed. Inactivation occurs in a time-dependent and HNE concentration-dependent manner, with P450s 2E1 and 1A1 being the most sensitive, followed by isoforms 1A2, 3A6, and 2B4. At an HNE concentration of 0.24 microM, which was close to the micromolar concentration of the enzyme, four of the isoforms were significantly inhibited, but not P450 2B4. In other experiments, the reductase was shown to be only relatively weakly inactivated by HNE. P450s 2E1 and 2B4 in microsomal membranes from animals induced with acetone or phenobarbital, respectively, are as readily inhibited as the purified forms. Evidence was obtained that the P450 heme is apparently not altered and the sulfur ligand is not displaced, that substrate protects against HNE, and that the inactivation is reversed upon dialysis. Higher levels of reductase or substrate do not restore the activity of inhibited P450 in the catalytic assay. Our results suggest that the observed inhibition of the various P450s is of sufficient magnitude to cause significant changes in the metabolism of foreign compounds such as drugs and chemical carcinogens by the P450 oxygenase system at HNE concentrations that occur in biological membranes. In view of the known activities of P450 2E1 in generating lipid hydroperoxides and in their beta-scission, its inhibition by this product of membrane peroxidation may provide a negative regulatory function.