Male fertility defects in mice lacking the serine protease inhibitor protease nexin-1

Understanding infertility and sterility requires knowledge of the molecular mechanisms underlying sexual reproduction. We have found that male mice deficient for the gene encoding the protease inhibitor protease nexin-1 (PN-1) show a marked impairment in fertility from the onset of sexual maturity. Absence of PN-1 results in altered semen protein composition, which leads to inadequate semen coagulation and deficient vaginal plug formation upon copulation. Progressive morphological changes of the seminal vesicles also are observed. Consistent with these findings, abnormal PN-1 expression was found in the semen of men displaying seminal dysfunction. The data demonstrate that the level of extracellular proteolytic activity is a critical element in controlling male fertility.

Brownian flocculation of polymer colloids in the presence of a secondary minimum

Most analyses of Brownian flocculation apply to conditions where London–van der Waals attractive forces cause particles to be strongly bound in a deep interparticle potential well. In this paper, results are reported that show the interaction between primary- and secondary-minimum flocculation when the interparticle potential curve reflects both attractive and electrostatic repulsive forces. The process is highly time-dependent because of transfer of particles from secondary- to primary-minimum flocculation. Essential features of the analysis are corroborated by experiments with 0.80-μm polystyrene spheres suspended in aqueous solutions of NaCl over a range of ionic strengths. In all cases, experiments were restricted to the initial stage of coagulation, where singlets and doublets predominate.

Local gene transfer of tissue factor pathway inhibitor regulates intimal hyperplasia in atherosclerotic arteries

Tissue factor (TF), the initiator of blood coagulation and thrombosis, is up-regulated after vascular injury and in atherosclerotic states. Systemic administration of recombinant TF pathway inhibitor (TFPI) has been reported to decrease intimal hyperplasia after vascular injury and also to suppress systemic mechanisms of blood coagulation and thrombosis. Here we report that, in heritable hyperlipidemic Watanabe rabbits, adenoviral gene transfer of TFPI to balloon-injured atherosclerotic arteries reduced the extent of intimal hyperplasia by 43% (P < 0.05) compared with a control vector used at identical titer (1 × 1010 plaque-forming units/ml). Platelet aggregation and coagulation studies performed 7 days after local gene transfer of TFPI failed to show any impairment in systemic hemostasis. At time of sacrifice, 4 weeks after vascular injury, the 10 Ad-TFPI treated carotid arteries were free of thrombi, whereas two control-treated arteries were occluded (P, not significant). These findings suggest that TFPI overexpressed in atherosclerotic arteries can regulate hyperplastic response to injury in the absence of changes in the hemostatic system, establishing a role for local TF regulation as target for gene transfer-based antirestenosis therapies.

How the protease thrombin talks to cells

How does a protease act like a hormone to regulate cellular functions? The coagulation protease thrombin (EC 3.4.21.5) activates platelets and regulates the behavior of other cells by means of G protein-coupled protease-activated receptors (PARs). PAR1 is activated when thrombin binds to and cleaves its amino-terminal exodomain to unmask a new receptor amino terminus. This new amino terminus then serves as a tethered peptide ligand, binding intramolecularly to the body of the receptor to effect transmembrane signaling. The irreversibility of PAR1’s proteolytic activation mechanism stands in contrast to the reversible ligand binding that activates classical G protein-coupled receptors and compels special mechanisms for desensitization and resensitization. In endothelial cells and fibroblasts, activated PAR1 rapidly internalizes and then sorts to lysosomes rather than recycling to the plasma membrane as do classical G protein-coupled receptors. This trafficking behavior is critical for termination of thrombin signaling. An intracellular pool of thrombin receptors refreshes the cell surface with naïve receptors, thereby maintaining thrombin responsiveness. Thus cells have evolved a trafficking solution to the signaling problem presented by PARs. Four PARs have now been identified. PAR1, PAR3, and PAR4 can all be activated by thrombin. PAR2 is activated by trypsin and by trypsin-like proteases but not by thrombin. Recent studies with knockout mice, receptor-activating peptides, and blocking antibodies are beginning to define the role of these receptors in vivo.

Crystal structure of an anticoagulant protein in complex with the Gla domain of factor X

The γ-carboxyglutamic acid (Gla) domain of blood coagulation factors is responsible for Ca2+-dependent phospholipid membrane binding. Factor X-binding protein (X-bp), an anticoagulant protein from snake venom, specifically binds to the Gla domain of factor X. The crystal structure of X-bp in complex with the Gla domain peptide of factor X at 2.3-Å resolution showed that the anticoagulation is based on the fact that two patches of the Gla domain essential for membrane binding are buried in the complex formation. The Gla domain thus is expected to be a new target of anticoagulant drugs, and X-bp provides a basis for designing them. This structure also provides a membrane-bound model of factor X.

Residue 225 determines the Na(+)-induced allosteric regulation of catalytic activity in serine proteases.

Residue 225 in serine proteases is typically Pro or Tyr and specifies an important and unanticipated functional aspect of this class of enzymes. Proteases with Y225, like thrombin, are involved in highly specialized functions like blood coagulation and complement that are exclusively found in vertebrates. In these proteases, the catalytic activity is enhanced allosterically by Na+ binding. Proteases with P225, like trypsin, are typically involved in digestive functions and are also found in organisms as primitive as eubacteria. These proteases have no requirement for Na+ or other monovalent cations. The molecular origin of this physiologically important difference is remarkably simple and is revealed by a comparison of the Na+ binding loop of thrombin with the homologous region of trypsin. The carbonyl O atom of residue 224 makes a key contribution to the coordination shell of the bound Na+ in thrombin, but is oriented in a manner incompatible with Na+ binding in trypsin because of constraints imposed by P225 on the protein backbone. Pro at position 225 is therefore incompatible with Na+ binding and is a direct predictor of the lack of allosteric regulation in serine proteases. To directly test this hypothesis, we have engineered the thrombin mutant Y225P. This mutant has lost the ability to bind Na+ and behaves like the allosteric slow (Na(+)-free) form. The Na(+)-induced allosteric regulation also bears on the molecular evolution of serine proteases. A strong correlation exists between residue 225 and the codon used for the active site S195. Proteases with P225 typically use a TCN codon for S195, whereas proteases with Y225 use an AGY codon. It is proposed that serine proteases evolved from two main lineages: (i) TCN/P225 with a trypsin-like ancestor and (ii) AGY/Y225 with a thrombin-like ancestor. We predict that the Na(+)-induced allosteric regulation of catalytic activity can be introduced in the TCN/P225 lineage using the P225Y replacement.

The endothelial cell protein C receptor augments protein C activation by the thrombin-thrombomodulin complex.

Protein C activation on the surface of the endothelium is critical to the negative regulation of blood coagulation. We now demonstrate that monoclonal antibodies that block protein C binding to the endothelial cell protein C receptor (EPCR) reduce protein C activation rates by the thrombin-thrombomodulin complex on endothelium, but that antibodies that bind to EPCR without blocking protein C binding have no effect. The kinetic result of blocking the EPCR-protein C interaction is an increased apparent Km for the activation without altering the affinity of thrombin for thrombomodulin. Activation rates of the protein C derivative lacking the gamma-carboxyglutamic acid domain, which is required for binding to EPCR, are not altered by the anti-EPCR antibodies. These data indicate that the protein C activation complex involves protein C, thrombin, thrombomodulin, and EPCR. These observations open new questions about the control of coagulation reactions on vascular endothelium.

Successful expression of human factor IX following repeat administration of adenoviral vector in mice.

Adenoviral vectors can direct high-level expression of a transgene, but, due to a host immune response to adenoviral antigens, expression is of limited duration, and repetitive administration has generally been unsuccessful. Exposure to foreign proteins beginning in the neonatal period may alter or ablate the immune response. We injected adult and neonatal (immunocompetent) CD-1 mice intravenously with an adenoviral vector expressing human blood coagulation factor IX. In both groups of mice, expression of human factor IX persisted for 12-16 weeks. However, in mice initially injected as adults, repeat administration of the vector resulted in no detectable expression of the transgene, whereas in mice initially injected in the neonatal period, repeat administration resulted in high-level expression of human factor IX. We show that animals that fail to express the transgene on repeat administration have developed high-titer neutralizing antibodies to adenovirus, whereas those that do express factor IX have not. This experimental model suggests that newborn mice can be tolerized to adenoviral vectors and demonstrates that at least one repeat injection of the adenoviral vector is possible; the model will be useful in elucidating the immunologic mechanisms underlying successful repeat administration of adenoviral vectors.

Anticoagulant repertoire of the hookworm Ancylostoma caninum.

Hookworms are hematophagous nematodes that infect a wide range of mammalian hosts, including humans. There has been speculation for nearly a century as to the identity of the anticoagulant substances) used by these organisms to subvert host hemostasis. Using molecular cloning, we describe a family of potent small protein (75-84 amino acids) anticoagulants from the hookworm Ancylostoma caninum termed AcAP (A. caninum anticoagulant protein). Two recombinant AcAP members (AcAP5 and AcAP6) directly inhibited the catalytic activity of blood coagulation factor Xa (fXa), while a third form (AcAPc2) predominantly inhibited the catalytic activity of a complex composed of blood coagulation factor VIIa and tissue factor (fVIIa/TF). The inhibition of fVIIa/TF was by a unique mechanism that required the initial formation of a binary complex of the inhibitor with fXa at a site on the enzyme that is distinct from the catalytic center (exo-site). The sequence of AcAPc2 as well as the utilization of an exo-site on fXa distinguishes this inhibitor from the mammalian anticoagulant TFPI (tissue factor pathway inhibitor), which is functionally equivalent with respect to fXa-dependent inhibition of fIIa/TF. The relative sequence positions of the reactive site residues determined for AcAP5 with the homologous regions in AcAP6 and AcAPc2 as well as the pattern of 10 cysteine residues present in each of the inhibitors suggest that the AcAPs are distantly related to the family of small protein serine protease inhibitors found in the nonhematophagous nematode Ascaris lumbricoides var. suum.

X-ray structure of clotting factor IXa: active site and module structure related to Xase activity and hemophilia B.

Hereditary deficiency of factor IXa (fIXa), a key enzyme in blood coagulation, causes hemophilia B, a severe X chromosome-linked bleeding disorder afflicting 1 in 30,000 males; clinical studies have identified nearly 500 deleterious variants. The x-ray structure of porcine fIXa described here shows the atomic origins of the disease, while the spatial distribution of mutation sites suggests a structural model for factor X activation by phospholipid-bound fIXa and cofactor VIIIa. The 3.0-A-resolution diffraction data clearly show the structures of the serine proteinase module and the two preceding epidermal growth factor (EGF)-like modules; the N-terminal Gla module is partially disordered. The catalytic module, with covalent inhibitor D-Phe-1I-Pro-2I-Arg-3I chloromethyl ketone, most closely resembles fXa but differs significantly at several positions. Particularly noteworthy is the strained conformation of Glu-388, a residue strictly conserved in known fIXa sequences but conserved as Gly among other trypsin-like serine proteinases. Flexibility apparent in electron density together with modeling studies suggests that this may cause incomplete active site formation, even after zymogen, and hence the low catalytic activity of fIXa. The principal axes of the oblong EGF-like domains define an angle of 110 degrees, stabilized by a strictly conserved and fIX-specific interdomain salt bridge. The disorder of the Gla module, whose hydrophobic helix is apparent in electron density, can be attributed to the absence of calcium in the crystals; we have modeled the Gla module in its calcium form by using prothrombin fragment 1. The arched module arrangement agrees with fluorescence energy transfer experiments. Most hemophilic mutation sites of surface fIX residues occur on the concave surface of the bent molecule and suggest a plausible model for the membrane-bound ternary fIXa-FVIIIa-fX complex structure: fIXa and an equivalently arranged fX arch across an underlying fVIIIa subdomain from opposite sides; the stabilizing fVIIIa interactions force the catalytic modules together, completing fIXa active site formation and catalytic enhancement.

An allosteric switch controls the procoagulant and anticoagulant activities of thrombin.

Thrombin is an allosteric enzyme existing in two forms, slow and fast, that differ widely in their specificities toward synthetic and natural amide substrates. The two forms are significantly populated in vivo, and the allosteric equilibrium can be affected by the binding of effectors and natural substrates. The fast form is procoagulant because it cleaves fibrinogen with higher specificity; the slow form is anticoagulant because it cleaves protein C with higher specificity. Binding of thrombomodulin inhibits cleavage of fibrinogen by the fast form and promotes cleavage of protein C by the slow form. The allosteric properties of thrombin, which has targeted two distinct conformational states toward its two fundamental and competing roles in hemostasis, are paradigmatic of a molecular strategy that is likely to be exploited by other proteases in the blood coagulation cascade.

Avaliação de diversos métodos de detecção de cistos de Giardia spp. e Oocistos de Cryptosporidium parvum presentes no resíduo gerado após o tratamento de água de abastecimento com turbidez elevada

Este trabalho teve como objetivo avaliar diversos métodos de detecção e recuperação de cistos de Giardia spp. e de oocistos de Cryptosporidium parvum em resíduos gerados no tratamento de águas de abastecimento com turbidez elevada tendo como padrão o Método 1623.1 da USEPA (2012 ). Para tanto, ensaios utilizando aparelho Jarteste (coagulação, floculação, decantação e filtração ) foram realizados utilizando o coagulante cloreto de polialumínio - PAC. Em todos os métodos avaliados foi utilizada a técnica de purificação por separação imunomagnética - IMS. A adaptação do método floculação em carbonato de cálcio FCCa elaborado por Vesey et al. (1993) e adaptado por Feng et al. (2011), repercutiu nos melhores resultados para a amostra de resíduo sedimentado, com recuperações de 68 ± 17 % para oocisto de C. parvum e de 42 ± 7 % para cisto de Giardia spp. Entretanto, as recuperações para a amostra de água de lavagem dos filtros - ALF foram inferiores à 1 %, não sendo possível determinar um método adequado. A presença dos patógenos indica que o reuso da ALF em ETA convencionais ou o descarte em mananciais sem um tratamento prévio, pode representar problemas de contaminação. A adaptação dos métodos de Boni de Oliveira (2012) e Keegan et al. (2008), também repercutiram em porcentagens de recuperação expressivas para a amostra de resíduo sedimentado, sendo de: 41 ± 35 % para oocisto de C. parvum e 11 ± 70 % para cisto de Giardia spp., e 38 ± 26 % para oocisto de C. parvum e 26 ± 13 % para cisto de Giardia spp., respectivamente. A análise estatística não resultou em diferença significativa entre estes dois métodos, entretanto, as elevadas recuperações indicam que estes métodos podem ser melhor avaliados em pesquisas futuras.

Flotação por ar dissolvido aplicado à separação de microalgas cultivadas em fotobiorreator, alimentado com vinhaça pré-tratada físico-quimicamente, com vistas à exploração de seu potencial bioenergético

Apesar de ser considerado um combustível sustentável, o etanol, produzido a partir da cana de açúcar, deixa um passivo de grandes proporções durante seu processo produtivo, a vinhaça, que vem sendo depositada nas próprias lavouras de cana de açúcar. É gerada na proporção de 12 litros para cada litro de etanol produzido em média, sendo rica em diversos nutrientes, os quais podem ser aproveitados para diversos fins como, por exemplo, meio de cultivo para microalgas. A presente pesquisa avaliou em uma primeira etapa a clarificação da vinhaça por um processo de coagulação com auxílio de um polímero catiônico, seguida de uma etapa de microfiltração tangencial em filtro de fibras ocas, o que permitiu uma redução superior a 77% para a cor aparente, de 99% para a turbidez e de 20% para a DQO, facilitando a utilização deste efluente para o cultivo de microalgas. Numa segunda etapa, foi avaliado o cultivo da microalga Chlorella vulgaris, em escala de bancada e operação em batelada, em meio preparado a partir da diluição da vinhaça em água de poço profundo, obtendo um aumento na biomassa produzida, determinado em termos de clorofila-a, em concentrações de vinhaça inferiores a 7,5% utilizando inóculo da ordem de 106 indivíduos. Tais dados permitiram a realização de ensaios de cultivo em escala contínua, com fotobiorreatores em escala piloto, gerando assim a biomassa utilizada nas próximas fases do estudo, que avaliaram a separação da biomassa gerada pelo processo de flotação por ar dissolvido. Os ensaios inicialmente realizados em escala de bancada e operados em batelada permitiram identificar as condições ótimas de operação, as quais foram então avaliadas em um flotador operando em fluxo contínuo. Tal flotador permitiu a obtenção de um lodo com teor de sólidos superior a 2%, o qual foi submetido à um processo final de desaguamento por centrifugação. Os ensaios de desaguamento, permitiram verificar que a utilização do mesmo polímero utilizado na etapa de clarificação permite a obtenção de um lodo mais estável, quando comparado com a não utilização de produto químico, na dosagem de polímero catiônico de 6 g.kg-1. A conclusão deste trabalho permitiu verificar a possibilidade de utilização da vinhaça como meio de cultivo de microalgas, reduzindo assim um dos impactos causados pela produção de etanol. Além disso foi possível verificar o potencial da FAD, para o espessamento de biomassa produzido em fotobiorreatores.

Flotação aplicada ao pós-tratamento do efluente de reator anaeróbio de leito expandido tratando esgoto sanitário

Este trabalho apresenta e discute os resultados de um estudo amplo e aprofundado sobre os principais parâmetros operacionais da flotação por ar dissolvido, utilizada no pós-tratamento de efluentes de um reator anaeróbio de leito expandido (RALEx), tratando 10 m3/hora de esgoto sanitário. Foram realizados preliminarmente ensaios utilizando o flotateste, unidade de flotação em escala de laboratório, para identificar as melhores dosagens de coagulante (cloreto férrico), o polímero mais adequado, dentre os 26 testados, e sua respectiva dosagem, o pH de coagulação adequado, o tempo (Tf) e o gradiente de velocidade (Gf) de floculação mais apropriados e a quantidade de ar (S*) requerida. Para obtenção das condições operacionais adequadas para a unidade piloto de flotação, os valores de Tf e de Gf foram variados de zero a 24 minutos e de 40 a 100 s-1, respectivamente. As concentrações de cloreto férrico e de polímero sintético variaram de 15 a 92 mg/L e de 0,25 a 7,0 mg/L, respectivamente. S* variou de 2.85 a 28.5 gramas de ar por metro cúbico de efluente e a taxa de aplicação superficial na unidade de flotação abrangeu de 180 a 250 m3/m2/d. O desempenho da flotação durante a partida do reator anaeróbio também foi investigado. O uso de 50 mg/L de cloreto férrico, de Tf igual a 20 min e Gf de 80 s-1, de S* de 19,7 g de ar por m3 de efluente e taxa de 180 m3/m2/d produziu excelentes resultados nos ensaios com a instalação piloto de flotação, com elevadas remoções de carga de DQO (80,6%), de fósforo total (90,1%) e de sólidos suspensos totais (92,1%) e com turbidez entre 1,6 e 15,4 uT e residuais de ferro de 0,5 mg/L, com remoção estimada, na forma de lodo, de 77 gramas de SST por m3 de efluente tratado. Nestas mesmas condições, no sistema RALEx+FAD, foram observadas remoções globais de 91,6% de carga de DQO, de 90,1% de carga de fósforo e de 96,6% de carga de SST. O emprego da flotação por ar dissolvido (FAD) mostrou-se alternativa bastante atraente para o pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios. Se a coagulação estiver bem ajustada, o sistema composto de reator anaeróbio seguido de unidade de flotação consegue alcançar excelente remoção de matéria orgânica, redução significativa da concentração de fósforo e de sólidos suspensos, além de precipitação dos sulfetos dissolvidos, gerados no reator anaeróbio. Bons resultados foram alcançados mesmo quando o reator RALEx produziu efluentes de baixa qualidade durante seu período de partida. Nesse período, o sistema de flotação atuou como barreira eficaz, evitando a emissão de efluente de baixa qualidade do sistema.

Pós-tratamento físico-químico por flotação de efluentes de reatores anaeróbios de manta de lodo (UASB)

O emprego da flotação por ar dissolvido (FAD) para o pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios aparenta ser atraente considerando algumas características desse processo físico-químico. A FAD é reconhecidamente um processo de alta taxa, particularmente eficiente na remoção de material particulado em suspensão e de flocos produzidos pela coagulação química de águas residuárias. Além disso, há produção de lodo espesso e provavelmente arraste de parcela de gases e de compostos voláteis, presentes nos efluentes anaeróbios. Entretanto, a concepção de sistemas de FAD deve ser precedida por ensaios em unidades de flotação em escala de laboratório, permitindo a determinação dos principais parâmetros do processo. Neste trabalho, são apresentados e discutidos os resultados obtidos em laboratório e em instalação piloto de flotação com escoamento contínuo recebendo efluente de reator anaeróbio de manta de lodo (UASB), com 18 m3 de volume, tratando esgoto sanitário. Os ensaios em unidade em escala de laboratório foram realizados utilizando diferentes dosagens de cloreto férrico (entre 30 e 110 mg/L) ou de polímero catiônico (entre 1,0 e 16,0 mg/L), atuando como coagulantes. Além disso, foram estudadas as condições de floculação (tempo de 15 e de 25 min, e gradiente médio de velocidade de floculação entre 30 e 100 s-1) e diferentes valores de quantidade de ar fornecido ao processo (S*, entre 4,7 e 28,5 g de ar por m3 de efluente). Com a instalação piloto de FAD foram realizados apenas ensaios preliminares variando-se a taxa de aplicação superficial (140 e 210 m3/m2/d) para diferentes valores de S* (14,8 a 29,5 g de ar por m3 de efluente). Com o emprego de dosagem de 65 mg/L de cloreto férrico, de tempo de 15 min e gradiente médio de velocidade de floculação de 80 s-1 e de 19 g de ar por m3 de efluente, foram observados excelentes resultados em laboratório, com elevadas remoções de DQO (89%), de fosfato total (96%), de sólidos suspensos totais (96%), de turbidez (98%), de cor aparente (91%), de sulfetos (não detectado) e NTK (47%). Considerando o sistema UASB e FAD, nos testes em laboratório, foram observadas remoções globais de 97,7% de DQO, de 98,0% de fosfato total, de 98,9% de SST, de 99,5% de turbidez, de 97,8% de cor aparente e de 59,0% de NTK. Nos ensaios com a instalação piloto de FAD, o sistema apresentou remoções de 93,6% de DQO, de 87,1% de SST, de 90% de sulfetos e de 30% de NTK.