O2/CO2-sensitive cyclic AMP-signalling pathway in peripheral chemoreceptors

RESUMO: O corpo carotídeo (CB) é um pequeno órgão sensível a variações na PaO2, PaCO2 e pH. As células tipo I (células glómicas) do corpo carotídeo, as unidades sensoriais deste órgão, libertam neurotransmissores em resposta às variações dos gases arteriais. Estes neurotransmissores atuam quer em recetores pré-sinápticos, localizados nas células tipo I, quer em recetores póssinápticos, localizados nas terminações do nervo do seio carotídeo, ou em ambos. A activação dos recetores pré-sinápticos modula a atividade do corpo carotídeo, enquanto que, a activação dos recetores pós-sinápticos, de carater excitatório, desencadeia um aumento da frequência de descarga das fibras do CSN, com subsequente despolarização dos neurónios do gânglio petroso, e posterior despolarização de um grupo específico de neurónios do centro respiratório central, desencadeando, como resposta final, hiperventilação. Estes recetores pré- e pós-sinápticos podem ser classificados em ionotrópicos ou metabotrópicos, estando os últimos acoplados a adenilatos ciclases transmembranares (tmAC). O mecanismo exato pelo qual as variações dos gases arteriais são detetadas pelo CB não se encontra ainda completamente elucidado, mas tem sido sugerido que alterações nos níveis de cAMP estejam associadas ao mecanismo de deteção de variações de O2 e CO2. Os níveis de cAMP podem ser regulados através da sua via de síntese, mediada por dois tipos de adenilatos ciclases: tmAC sensível aos eurotransmissores e adenilato ciclase solúvel (sAC)sensível a variações de HCO3/CO2, e pela sua via de degradação mediada por fosfodiesterases. A via de degradação do cAMP pode ser manipulada farmacologicamente, funcionando enquanto alvo terapêutico para o tratamento de patologias do foro respiratório (e.g. asma, hipertensão pulmonar, doença pulmonar obstructiva crónica e apneia do sono), que induzem um aumento da actividade do CB.O trabalho descrito nesta dissertação partiu da hipótese de que a actividade do CB é manipulada por fármacos, que interferem com a via de sinalização do cAMP, tendo sido nosso objectivo geral, investigar o papel do cAMP na quimiotransdução do CB de rato, e determinar se a actividade dos enzimas responsáveis pela via de sinalização do cAMP é ou não regulada por variações de O2/CO2. Assim, a relevância deste trabalho é a de estudar e identificar possíveis alvos moleculares (sAC, isoformas de tmAC e PDE) com potencial para serem usados no tratamento de patologias relacionadas com o controlo respiratório. A primeira parte do presente trabalho, centrou-se na caracterização farmacológica da PDE4 no CB e em tecidos não quimiorecetores (e.g. gânglio cervical superior e artérias carótidas), e na observação do efeito de hipóxia aguda na acumulação dos níveis de cAMP, induzidos pelos inibidores de PDE, nestes tecidos. A quantificação de cAMP foi efectuada por técnica imunoenzimática (EIA), tendo sido elaboradas curvas de dose-resposta para os efeitos de inibidores, não específicos (IBMX) e específicos para a PDE2 e PDE4 (EHNA, Rolipram e Ro 20-1724), nos níveis de cAMP acumulados, em situações de normóxia (20%O2/5%CO2) e hipóxia (5%O2/5%CO2). A caracterização das PDE no gânglio cervical superior foi aprofundada, utilizando-se a técnica de transferência de energia de ressonância por fluorescência (FRET) em culturas primárias de neurónios, na presença de inibidores não específicos (IBMX) e específicos para a PDE3 e PDE4 (milrinone e rolipram, respetivamente). Foram igualmente estudadas, através de RT-qPCR, as alterações na expressão de PDE3A-B e PDE4A-D, no gânglio cervical superior, em resposta a diferentes percentagens de oxigénio. Na segunda parte do trabalho investigou-se a via de síntese do cAMP no CB em resposta a variações na concentração de HCO3/CO2. Em concreto, o protocolo experimental centrou-se na caracterização da sAC, dado que a sua actividade é regulada por variações de HCO3/CO2. A caracterização da expressão e regulação da sAC, em resposta a variações de HCO3/CO2 ,foi efectuada no CB e em tecidos não quimioreceptores periféricos (e.g. gânglio cervical superior, petroso e nodoso) por qRT-PCR. A actividade deste enzima foi caracterizada indirectamente através da quantificação dos níveis de cAMP (quantificação por EIA), induzidos por diferentes concentrações de HCO3/CO2, na presença de MDL-12,33-A, um inibidore da tmAC. A expressão das isoformas da tmAC no CB e gânglio petroso foi determinada por RT-qPCR. Adicionalmente, estudámos a contribuição relativa da tmAC e sAC no mecanismo de sensibilidade ao CO2 no CB. Para o efeito foram estudadas as alterações: 1) nos níveis de cAMP (quantificado por EIA) na presença de diferentes concentrações de HCO3/CO2 e ao longo do tempo (5-30 min); 2) na ativação da proteína cinase A (PKA, FRET baseado em sensores) em células tipo I do CB; e 3) na frequência de descarga do CSN (registos) na presença e ausência de ativadores e inibidores da sAC,tmAC e PKA. Por último, foi caracterizada a expressão e actividade da sAC nos quimioreceptors centrais (locus ceruleus, rafe e medula ventro-lateral) através de técnicas de RT-qPCR e EIA. A expressão das isoformas da tmAC foi aprofundada no locus coeruleus através de RT-qPCR. Por fim, comparámos a contribuição da tmAC e sAC nos níveis de cAMP no locus coeruleus em condições de normocapnia e hipercapnia.O nosso trabalho teve os seguintes resultados principais: 1) PDE4 está funcional no corpo carotídeo, artérias carótidas e gânglio cervical superior de rato, embora a PDE2 só se encontre funcional neste último; 2) Os efeitos dos inibidores de PDE nos níveis de acumulação de cAMP foram exacerbados em situações de hipóxia aguda no CB e artérias carótidas, mas foram atenuados no gânglio cervical superior; 3) No gânglio cervical superior, diferentes tipos de células apresentaram uma caracterização específica de PDEs, sugerindo uma subpopulação de células neste gânglio com funções fisiológicas distintas; 4) Embora todas as isoformas de PDE4 e PDE3 estivessem presentes no gânglio, a PDE3a, PDE4b e a PDE4d foram as isoformas mais expressas. Por outro lado, incubações de gânglio cervical superior, em diferentes percentagens de oxigénio, não alteraram (não regularam) significativamente a expressão das diferentes isoformas de PDE neste órgão; 5) a sAC encontra-se expressa e funcional no CB e nos quimiorecetores centrais estudados (locus coeruleus, rafe e medula ventrolateral). A sAC apresenta maior expressão no CB comparativamente aos restantes orgãos estudados, exceptuando os testículos, orgão controlo. Variações de HCO3/CO2 de 0/0 para 24/5 aumentaram os níveis de cAMP no CB e quimiorecetores centrais, tendo sido o aumento mais significativo observado no CB. Concentrações acima dos 24mM HCO3/5%CO2 não induziram alterações nos níveis de cAMP, sugerindo que a actividade da sAC se encontra saturada em condições fisiológicas (normocapnia) e que este enzima não desempenha qualquer papel na deteção de situações de hipercapnia; 6) No CB, a expressão das isoformas tmAC1, tmAC4, tmAC6 e tmAC9 é mais elevada comparativamente à expressão da sAC; 7) Utilizamos diferentes inibidores da tmAC (MDL 12-330A, 500μM, 2’5’-ddADO, 30-300μM, SQ 22536, 200μM) e da sAC (KH7, 10-100μM) para estudar a contribuição relativa destes enzimas na acumulação do cAMP no CB. Tanto a tmAC como a sAC contribuem para a acumulação dos níveis de cAMP em condições de hipercapnia. Contudo, existe um maior efeito destes inibidores nas condições de 12 mM HCO3/2.5%CO2 do que em condições de normocapnia e hipercapnia, sugerindo um papel relevante destes enzimas na atividade do CB em situações de hipocapnia; 8) Não se observaram variações nos níveis de cAMP em resposta a diferentes concentrações de HCO3/CO2 ao longo do tempo (5-30 min). O efeito inibitório induzido por ddADO e KH7 foi sobreponível após 5 ou 30 minutos de incubação em todas as concentrações de HCO3/CO2 estudadas; 9) Por último, verificou-se um aumento na frequência da descarga do nervo do seio carotídeo entre as condições de normocapnia e hipercapnia acídica. Ao contrário do KH7 (10μM), o 2’5’-ddADO reduziu significativamente a frequência de descarga do nervo, quer em condições de normocapnia quer de hipercapnia acídica. Contudo, não se verificou aumento na frequência de descarga do nervo entre normocapnia e hipercapnia isohídrica, sugerindo que a sensibilidade à hipercapnia no CB é mediada por variações de pH. Em conclusão, os resultados decorrentes deste trabalho permitiram demonstrar que, embora os enzimas que medeiam a via de sinalização do cAMP possam ser bons alvos terapêuticos em condições particulares, a sua actividade não é específica para o CB. Os resultados sugerem ainda que o cAMP não é um mediador específico da transdução à hipercapnia neste orgão. Contudo, os nossos resultados demonstraram que os níveis de cAMP são mais elevados em condições fisiológicas, o que sugere que o cAMP possa ter uma função homeostática neste orgão. Por último, o presente trabalho demonstrou que os aumentos de cAMP descritos por outros em condições de hipercapnia, não são observáveis quando o pH se encontra controlado. ------------------ ABSTRACT: The work presented in this dissertation was aimed to establish how specific is cAMP-signaling pathways in the CB mainly in different CO2 conditions and how O2 concentrations alter/drives the manipulation of cAMP signaling in the CB. The experimental studies included in this thesis sought to investigate the role of cAMP in the rat CB chemotransduction mechanisms and to determine whether the enzymes that participate in cAMP signal transduction in the CB are regulated by O2/CO2. We characterized the enzymes involved in the cAMP-signaling pathway in the CB (sAC, tmAC, PDE) under different O2/CO2 conditions. Our results demonstrated that many of these enzymes are involved in CO2/O2 sensing and while they may be useful in treating conditions with alterations in CO2/O2 sensing,they will not be specific to chemoreception within the CB: 1) PDE4 is ubiquitously expressed in CB and non-chemoreceptor related tissues and their affinity to inhibitors change with O2 tensions in both CB and carotid arteries, and 2) sAC and tmAC are expressed in peripheral and central chemo- and non-chemoreceptor tissues and their effect on cAMP levels do not change between normocapnic and isohydric hypercapnic conditions. Our results provide evidence against a specific role of cAMP as a mediator for O2 and CO2 chemotransduction in the rat CB and emphasized the role of pH in CO2 sensitivity of the CB. Furthermore, our results demonstrate that cAMP levels are maintained higher under physiological conditions, supporting recent finding from our lab, which all together suggests that cAMP has a homeostatic function in this organ.

Assessment of overlay masonry strengthening system under in-plane monotonic and cyclic loading using the diagonal tensile test

The development of novel strengthening techniques to address the seismic vulnerability of masonry elements is gradually leading to simpler, faster and more effective strengthening strategies. In particular, the use of fabric reinforced cementitious matrix systems is considered of great potential, given the increase of ductility achieved with simple and economic strengthening procedures. To assess the effectiveness of these strengthening systems, and considering that the seismic action is involved, one important component of the structural behaviour is the in-plane cyclic response. In this work is discussed the applicability of the diagonal tensile test for the assessment of the cyclic response of strengthened masonry. The results obtained allowed to assess the contribution of the strengthening system to the increase of the load carrying capacity of masonry elements, as well as to evaluate the damage evolution and the stiffness degradation mechanisms developing under cyclic loading.

Experimental analysis of the cyclic response of traditional timber joints and their influence on the seismic capacity of timber frame structures

Timber connections represent the crucial part of a timber structure and a great variability exists in terms of types of connections and mechanisms. Taking as case study the widespread traditional timber frame structures, in particular the Portuguese Pombalino buildings, one of the most common timber connection is the half-lap joint. Connections play a major role in the overall behaviour of a structure, particularly when assessing their seismic response, since damage is concentrated at the connections. For this reason, an experimental campaign was designed and distinct types of tests were carried out on traditional half-lap joints to assess their in-plane response. In particular, pull-out and in-plane cyclic tests were carried out on real scale unreinforced connections. Subsequently, the connections were retrofitted, using strengthening techniques such as self-tapping screws, steel plates and GFRP sheets. The tests chosen were meant to capture the hysteretic behaviour and dissipative capacity of the connections and characterise their response and, therefore, their influence on the seismic response of timber frame walls, particularly concerning their uplifting and rotation capacity, that could lead to rocking in the walls. In this paper, the results of the experimental campaign are presented in terms of hysteretic curves, dissipated energy and equivalent viscous damping ratio. Moreover, recommendations are provided on the most appropriate retrofitting solutions.

Deep infiltrating endometriosis of the colon causing cyclic bleeding

[Description] Endometriosis, the presence of functional endometrial tissue outside the uterus, occurs in about 3–10% of women of reproductive age and is a cause of chronic pelvic pain and infertility for some.1 Bowel involvement may be present in about 5–10% of these women, mostly affecting the rectum and distal sigmoid (over 80% of cases), and, more infrequently, the appendix, ileum and caecum. The most common lesions involve only the serosa (endometriotic implants) but they can penetrate the muscular layers of the wall, in which case they are called deep infiltrating endometriosis. (...)

Experimental and theoretical analysis of the cyclic water gas shift reactor

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2015

A note on the application of integrals involving cyclic products kernels

A l'estadística de processos estocàstics i camps aleatoris, una funció de moments o un cumulant d'un estimador de la funció de correlació o de la densitat espectral sovint pot contenir una integral amb un producte cíclic de nuclis. En aquest treball es defineix i s'investiga aquesta classe d'integrals i es demostra la desigualtat de Young-Hölder que permet estudiar el comportament asimptòtic de les esmentades integrals en la situació quan els nuclis depenen d'un pàràmetre. Es considera una aplicació al problema d'estimació de la funció de resposta en un sistema de Volterra.

The automorphism group of a free-by-cyclic group in rank 2

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Distortion of surface groups in Cat (0) free-by-cyclic groups

Given a non-positively curved 2-complex with a circle-valued Morse function satisfying some extra combinatorial conditions, we describe how to locally isometrically embed this in a larger non- positively curved 2-complex with free-by-cyclic fundamental group. This embedding procedure is used to produce examples of CAT(0) free-by-cyclic groups that contain closed hyperbolic surface subgroups with polynomial distortion of arbitrary degree. We also produce examples of CAT(0) hyperbolic free-by-cyclic groups that contain closed hyperbolic surface subgroups that are exponentially distorted.

Quasi-Potency and Cyclic subgroup separability

We study the profinite topology on discrete groups and in particular the property of cyclic subgroup separability. We investigate the class of quasi-potent, cyclic subgroup separable groups, producing many examples and showing how it behaves with respect to certain group constructions.

Association of hemolytic activity of Pseudomonas entomophila, a versatile soil bacterium, with cyclic lipopeptide production.

Pseudomonas entomophila is an entomopathogenic bacterium that is able to infect and kill Drosophila melanogaster upon ingestion. Its genome sequence suggests that it is a versatile soil bacterium closely related to Pseudomonas putida. The GacS/GacA two-component system plays a key role in P. entomophila pathogenicity, controlling many putative virulence factors and AprA, a secreted protease important to escape the fly immune response. P. entomophila secretes a strong diffusible hemolytic activity. Here, we showed that this activity is linked to the production of a new cyclic lipopeptide containing 14 amino acids and a 3-C(10)OH fatty acid that we called entolysin. Three nonribosomal peptide synthetases (EtlA, EtlB, EtlC) were identified as responsible for entolysin biosynthesis. Two additional components (EtlR, MacAB) are necessary for its production and secretion. The P. entomophila GacS/GacA two-component system regulates entolysin production, and we demonstrated that its functioning requires two small RNAs and two RsmA-like proteins. Finally, entolysin is required for swarming motility, as described for other lipopeptides, but it does not participate in the virulence of P. entomophila for Drosophila. While investigating the physiological role of entolysin, we also uncovered new phenotypes associated with P. entomophila, including strong biocontrol abilities.

Development of Rhodnius prolixus (Hemiptera: Reduviidae) under Constant and Cyclic Conditions of Temperature and Humidity

Development of Rhodnius prolixus after eclosion until the adult stage was studied at constant temperatures (T), 15, 20, 25, 28, 35°C, and relative humidities (RH), 75, 86 and 97%, and fluctuating (16/8 hr) temperatures, T I/II, 15/28°C, 20/25°C, 25/28°C and 25/35°C, and relative humidities, RH I/II, 86/75% and 97/75%. Eclosion or molting were not observed at 15°C and 86 or 97% RH, respectively. At 35°C and 75% RH only few insects molted. By alternating T I/II, 15/28°C and 25/35°C, insects developed at high frequency. Cumulating the average lengths of the interphases within independent groups for each instar, R. prolixus reached the adult stage most rapidly (86.7 days) and at highest frequency per instar (mean: 91.8%) at 28°C and 75% RH. Under fluctuating T I/II, development was completed within 100 days or less at 25/28°C and 25/35°C with high rates of hatch and molting. Development was slowest at fluctuating TI/II, 15/28°C and 20/25°C (>185 days), and at constant 20°C (>300 days). Mortality was higher at constant 97% RH or fluctuating RH I, 97%, than at constant or fluctuating 86% RH. Refeeding was minimal at optimal conditions of T and RH for development. The most refeeding was observed at a constant 35°C.

Cyclic 3'-5' guanosine monophosphate-dependent activity in Leishmania amazonensis

Although there are some data concerning the nitric oxide and the cyclic 3'-5'guanosine monophosphate (cGMP) signaling pathway in trypanosomatids, there is no report about the cGMP-dependent enzymatic activity identification. In this sense, a cGMP dependent activity was detected on soluble fraction from Leishmania amazonensis promastigotes with a high metacyclic level. This information is valuable in order to explore the metabolic pathway of G kinase protein in this parasite.

Plasma membrane cyclic nucleotide gated calcium channels control land plant thermal sensing and acquired thermotolerance.

Typically at dawn on a hot summer day, land plants need precise molecular thermometers to sense harmless increments in the ambient temperature to induce a timely heat shock response (HSR) and accumulate protective heat shock proteins in anticipation of harmful temperatures at mid-day. Here, we found that the cyclic nucleotide gated calcium channel (CNGC) CNGCb gene from Physcomitrella patens and its Arabidopsis thaliana ortholog CNGC2, encode a component of cyclic nucleotide gated Ca(2+) channels that act as the primary thermosensors of land plant cells. Disruption of CNGCb or CNGC2 produced a hyper-thermosensitive phenotype, giving rise to an HSR and acquired thermotolerance at significantly milder heat-priming treatments than in wild-type plants. In an aequorin-expressing moss, CNGCb loss-of-function caused a hyper-thermoresponsive Ca(2+) influx and altered Ca(2+) signaling. Patch clamp recordings on moss protoplasts showed the presence of three distinct thermoresponsive Ca(2+) channels in wild-type cells. Deletion of CNGCb led to a total absence of one and increased the open probability of the remaining two thermoresponsive Ca(2+) channels. Thus, CNGC2 and CNGCb are expected to form heteromeric Ca(2+) channels with other related CNGCs. These channels in the plasma membrane respond to increments in the ambient temperature by triggering an optimal HSR, leading to the onset of plant acquired thermotolerance.

Multiple adenosine 3',5'-cyclic [corrected] monophosphate response element DNA-binding proteins generated by gene diversification and alternative exon splicing.

The protein sequence deduced from the open reading frame of a human placental cDNA encoding a cAMP-responsive enhancer (CRE)-binding protein (CREB-327) has structural features characteristic of several other transcriptional transactivator proteins including jun, fos, C/EBP, myc, and CRE-BP1. Results of Southwestern analysis of nuclear extracts from several different cell lines show that there are multiple CRE-binding proteins, which vary in size in cell lines derived from different tissues and animal species. To examine the molecular diversity of CREB-327 and related proteins at the nucleic acid level, we used labeled cDNAs from human placenta that encode two different CRE-binding proteins (CREB-327 and CRE-BP1) to probe Northern and Southern blots. Both probes hybridized to multiple fragments on Southern blots of genomic DNA from various species. Alternatively, when a human placental c-jun probe was hybridized to the same blot, a single fragment was detected in most cases, consistent with the intronless nature of the human c-jun gene. The CREB-327 probe hybridized to multiple mRNAs, derived from human placenta, ranging in size from 2-9 kilobases. In contrast, the CRE-BP1 probe identified a single 4-kilobase mRNA. Sequence analyses of several overlapping human genomic cosmid clones containing CREB-327 sequences in conjunction with polymerase chain reaction indicates that the CREB-327/341 cDNAs are composed of at least eight or nine exons, and analyses of human placental cDNAs provide direct evidence for at least one alternatively spliced exon. Analyses of mouse/hamster-human hybridoma DNAs by Southern blotting and polymerase chain reaction localizes the CREB-327/341 gene to human chromosome 2. The results indicate that there is a dichotomy of CREB-like proteins, those that are related by overall structure and DNA-binding specificity as well as those that are related by close similarities of primary sequences.