Glycation, carbonyl stress, EAGLEs, and the vascular complications of diabetes

The association between poor metabolic control and the microvascular complications of diabetes is now well established, but the relationship between long-term metabolic control and the accelerated atherosclerosis of diabetes is as yet poorly defined. Hyperglycemia is the standard benchmark by which metabolic control is assessed. One mechanism by which elevated glucose levels may mediate vascular injury is through early and advanced glycation reactions affecting a wide variety of target molecules. The "glycation hypothesis'' has developed over the past 30 years, evolving gradually into a "carbonyl stress hypothesis'' and taking into account not only the modification of proteins by glucose, but also the roles of oxidative stress, a wide range of reactive carbonyl-containing intermediates (derived not only from glucose but also from lipids), and a variety of extra- and intracellular target molecules. The final products of these reactions may now be termed "Either Advanced Glycation or Lipoxidation End-Products'' or "EAGLEs.'' The ubiquity of carbonyl stress within the body, the complexity of the reactions involved, the variety of potential carbonyl intermediates and target molecules and their differing half-lives, and the slow development of the complications of diabetes all pose major challenges in dissecting the significance of these processes. The extent of the reactions tends to correlate with overall metabolic control, creating pitfalls in the interpretation of associative data. Many animal and cell culture studies, while supporting the hypothesis, must be viewed with caution in terms of relevance to human diabetes. In this article, the development of the carbonyl stress hypothesis is reviewed, and implications for present and future treatments to prevent complications are discussed.

Quantification of malondialdehyde and 4-hydroxynonenal adducts to lysine residues in native and oxidized human low-density lipoprotein

Malondialdehyde (MDA) and 4-hydroxynonenal (HNE) are major end-products of oxidation of polyunsaturated fatty acids, and are frequently measured as indicators of lipid peroxidation and oxidative stress in vivo. MDA forms Schiff-base adducts with lysine residues and cross-links proteins in vitro; HNE also reacts with lysines, primarily via a Michael addition reaction. We have developed methods using NaBH4 reduction to stabilize these adducts to conditions used for acid hydrolysis of protein, and have prepared reduced forms of lysine-MDA [3-(N epsilon-lysino)propan-1-ol (LM)], the lysine-MDA-lysine iminopropene cross-link [1,3-di(N epsilon-lysino)propane (LML)] and lysine-HNE [3-(N epsilon-lysino)-4-hydroxynonan-l-ol (LHNE)]. Gas chromatography/MS assays have been developed for quantification of the reduced compounds in protein. RNase incubated with MDA or HNE was used as a model for quantification of the adducts by gas chromatography/MS. There was excellent agreement between measurement of MDA bound to RNase as LM and LML, and as thiobarbituric acid-MDA adducts measured by HPLC; these adducts accounted for 70-80% of total lysine loss during the reaction with MDA. LM and LML (0.002-0.12 mmol/ mol of lysine) were also found in freshly isolated low-density lipoprotein (LDL) from healthy subjects. LHNE was measured in RNase treated with HNE, but was not detectable in native LDL. LM, LML and LHNE increased in concert with the formation of conjugated dienes during the copper-catalysed oxidation of LDL, but accounted for modification of <1% of lysine residues in oxidized LDL. These results are the first report of direct chemical measurement of MDA and HNE adducts to lysine residues in LDL. LM, LML and LHNE should be useful as biomarkers of lipid peroxidative modification of protein and of oxidative stress in vitro and in vivo.

The advanced glycation end product, Nepsilon-(carboxymethyl)lysine, is a product of both lipid peroxidation and glycoxidation reactions

Nepsilon-(Carboxymethyl)lysine (CML) is an advanced glycation end product formed on protein by combined nonenzymatic glycation and oxidation (glycoxidation) reactions. We now report that CML is also formed during metal-catalyzed oxidation of polyunsaturated fatty acids in the presence of protein. During copper-catalyzed oxidation in vitro, the CML content of low density lipoprotein increased in concert with conjugated dienes but was independent of the presence of the Amadori compound, fructoselysine, on the protein. CML was also formed in a time-dependent manner in RNase incubated under aerobic conditions in phosphate buffer containing arachidonate or linoleate; only trace amounts of CML were formed from oleate. After 6 days of incubation the yield of CML in RNase from arachidonate was approximately 0.7 mmol/mol lysine compared with only 0.03 mmol/mol lysine for protein incubated under the same conditions with glucose. Glyoxal, a known precursor of CML, was also formed during incubation of RNase with arachidonate. These results suggest that lipid peroxidation, as well as glycoxidation, may be an important source of CML in tissue proteins in vivo and that CML may be a general marker of oxidative stress and long term damage to protein in aging, atherosclerosis, and diabetes.

The co-occurrence of mtDNA mutations on different oxidative phosphorylation subunits, not detected by haplogroup analysis, affects human longevity and is population specific.

To re-examine the correlation between mtDNA variability and longevity, we examined mtDNAs from samples obtained from over 2200 ultranonagenarians (and an equal number of controls) collected within the framework of the GEHA EU project. The samples were categorized by high-resolution classification, while about 1300 mtDNA molecules (650 ultranonagenarians and an equal number of controls) were completely sequenced. Sequences, unlike standard haplogroup analysis, made possible to evaluate for the first time the cumulative effects of specific, concomitant mtDNA mutations, including those that per se have a low, or very low, impact. In particular, the analysis of the mutations occurring in different OXPHOS complex showed a complex scenario with a different mutation burden in 90+ subjects with respect to controls. These findings suggested that mutations in subunits of the OXPHOS complex I had a beneficial effect on longevity, while the simultaneous presence of mutations in complex I and III (which also occurs in J subhaplogroups involved in LHON) and in complex I and V seemed to be detrimental, likely explaining previous contradictory results. On the whole, our study, which goes beyond haplogroup analysis, suggests that mitochondrial DNA variation does affect human longevity, but its effect is heavily influenced by the interaction between mutations concomitantly occurring on different mtDNA genes

Impaired activities of antioxidant enzymes elicit endothelial dysfunction in spontaneous hypertensive rats despite enhanced vascular nitric oxide generation

Objective: Enhanced oxidative stress is involved in mediating the endothelial dysfunction associated with hypertension. The aim of this study was to investigate the relative contributions of pro-oxidant and anti-oxidant enzymes to the pathogenesis of endothelial dysfunction in genetic hypertension. Methods: Dilator responses to endothelium-dependent and endothelium-independent agents such as acetylcholine (ACh) and sodium nitroprusside were measured in the thoracic aortas of 28-week-old spontaneously hypertensive rats (SHR) and their matched normotensive counterparts, Wistar Kyoto rats (WKY). The activity and expression (mRNA and protein levels) of endothelial nitric oxide synthase (eNOS), p22-phox, a membrane-bound component of NAD(P)H oxidase, and antioxidant enzymes, namely, superoxide dismutases (CuZn- and Mn-SOD), catalase and glutathione peroxidase (GPx), were also investigated in aortic rings. Results: Relaxant responses to ACh were attenuated in phenylephrine-precontracted SHR aortic rings, despite a 2-fold increase in eNOS expression and activity. Although the activity and/or expression of SODs, NAD(P)H oxidase (p22-phox) and GPx were elevated in SHR aorta, catalase activity and expression remained unchanged compared to WKY. Pretreatment of SHR aortic rings with the inhibitor of xanthine oxidase, allopurinol, and the inhibitor of cyclooxygenase, indomethacin, significantly potentiated ACh-induced relaxation. Pretreatment of SHR rings with catalase and Tiron, a superoxide anion (O) scavenger, increased the relaxant responses to the levels observed in WKY rings whereas pyrogallol, a O -generator, abolished relaxant responses to ACh. Conclusion: These data demonstrate that dysregulation of several enzymes, resulting in oxidative stress, contributes to the pathogenesis of endothelial dysfunction in SHR and indicate that the antioxidant enzyme catalase is of particular importance in the reversal of this defect. © 2003 European Society of Cardiology. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

CD44v8-10 Is a Cancer-Specific Marker for Gastric Cancer Stem Cells

The surface marker CD44 has been identified as one of several markers associated with cancer stem cells (CSC) in solid tumors, but its ubiquitous expression in many cell types, including hematopoietic cells, has hindered its use in targeting CSCs. In this study, 28 paired primary tumor and adjacent nontumor gastric tissue samples were analyzed for cell surface protein expression. Cells that expressed pan-CD44 were found to occur at significantly higher frequency in gastric tumor tissues. We identified CD44v8-10 as the predominant CD44 variant expressed in gastric cancer cells and verified its role as a gastric CSC marker by limiting dilution and serial transplantation assays. Parallel experiments using CD133 failed to enrich for gastric CSCs. Analyses of another 26 primary samples showed significant CD44v8-10 upregulation in gastric tumor sites. Exogenous expression of CD44v8-10 but not CD44 standard (CD44s) increased the frequency of tumor initiation in immunocompromised mice. Reciprocal silencing of total CD44 resulted in reduced tumor-initiating potential of gastric cancer cells that could be rescued by CD44v8-10 but not CD44s expression. Our findings provide important functional evidence that CD44v8-10 marks human gastric CSCs and contributes to tumor initiation, possibly through enhancing oxidative stress defense. In addition, we showed that CD44v8-10 expression is low in normal tissues. Because CD44 also marks CSCs of numerous human cancers, many of which may also overexpress CD44v8-10, CD44v8-10 may provide an avenue to target CSCs in other human cancers.

Placental antioxidant enzyme status and lipid peroxidation in pregnant women with type 1 diabetes: The effect of vitamin C and E supplementation

AIM: In view of the increased rates of pre-eclampsia observed in diabetic pregnancy and the lack of ex vivo data on placental biomarkers of oxidative stress in T1 diabetic pregnancy, the aim of the current investigation was to examine placental antioxidant enzyme status and lipid peroxidation in pregnant women with type 1 diabetes. A further objective of the study was to investigate the putative impact of vitamin C and E supplementation on antioxidant enzyme activity and lipid peroxidation in type 1 diabetic placentae.

METHODS: The current study measured levels of antioxidant enzyme [glutathione peroxidase (Gpx), glutathione reductase (Gred), superoxide dismutase (SOD) and catalase] activity and degree of lipid peroxidation (aqueous phase hydroperoxides and 8-iso-prostaglandin F2α) in matched central and peripheral samples from placentae of DAPIT (n=57) participants. Levels of vitamin C and E were assessed in placentae and cord blood.

RESULTS: Peripheral placentae demonstrated significant increases in Gpx and Gred activities in pre-eclamptic in comparison to non-pre-eclamptic women. Vitamin C and E supplementation had no significant effect on cord blood or placental levels of these vitamins, nor on placental antioxidant enzyme activity or degree of lipid peroxidation in comparison to placebo-supplementation.

CONCLUSION: The finding that maternal supplementation with vitamin C/E does not augment cord or placental levels of these vitamins is likely to explain the lack of effect of such supplementation on placental indices including antioxidant enzymes or markers of lipid peroxidation.

Industrial scale microwave processing of tomato juice using a novel continuous microwave system

This study evaluated the effect of an industrial scale continuous flow microwave volumetric heating system in comparison to conventional commercial scale pasteurisation for the processing of tomato juice in terms of physicochemical properties, microbial characteristics and antioxidant capacity. The effect against oxidative stress in Caco-2 cells, after in vitro digestion was also investigated. Physicochemical and colour characteristics of juices were very similar between technologies and during storage. Both conventional and microwave pasteurisation inactivated microorganisms and kept them in low levels throughout storage. ABTS⁺ values, but not ORAC, were higher for the microwave pasteurised juice at day 0 however no significant differences between juices were observed during storage. Juice processed with the microwave system showed an increased cytoprotective effect against H₂O₂ induced oxidation in Caco-2 cells. Organoleptic analysis revealed that the two tomato juices were very similar. The continuous microwave volumetric heating system appears to be a viable alternative to conventional pasteurisation.

Fractionated Radiation Exposure of Rat Spinal Cords Leads to Latent Neuro- Inflammation in Brain, Cognitive Deficits,and Alterations in Apurinic Endonuclease 1

Ionizing radiation causes degeneration of myelin, the insulating sheaths of neuronal axons, leading to neurological impairment. As radiation research on the central nervous system has predominantly focused on neurons, with few studies addressing the role of glial cells, we have focused our present research on identifying the latent effects of single/ fractionated -low dose of low/ high energy radiation on the role of base excision repair protein Apurinic Endonuclease-1, in the rat spinal cords oligodendrocyte progenitor cells’ differentiation. Apurinic endonuclease-1 is predominantly upregulated in response to oxidative stress by low- energy radiation, and previous studies show significant induction of Apurinic Endonuclease-1 in neurons and astrocytes. Our studies show for the first time, that fractionation of protons cause latent damage to spinal cord architecture while fractionation of HZE (28Si) induce increase in APE1 with single dose, which then decreased with fractionation. The oligodendrocyte progenitor cells differentiation was skewed with increase in immature oligodendrocytes and astrocytes, which likely cause the observed decrease in white matter, increased neuro-inflammation, together leading to the observed significant cognitive defects.

Efeitos genotóxicos e bioquímicos de xenobióticos em animais aquáticos

No presente trabalho, foi estudado um largo espectro de efeitos genotóxicos e bioquímicos na tainha-garrento (Liza aurata). Nos Capítulos II e III são descritos os efeitos de exposição de curta duração ao fenantreno, um hidrocarboneto aromático policíclico (HAP). A exposição de curta duração (16 horas) demonstrou a capacidade deste composto induzir a actividade da enzima de fase I da biotransformação, etoxiresorufina O-desetilase (EROD), provocar decréscimos de integridade no ADN hepático e aumento de anomalias nucleares eritrocíticas (ANE). Em termos de respostas de stresse, os níveis plasmáticos de cortisol e glucose aumentaram face à exposição a este HAP. A exposição ao fenantreno induziu o decréscimo da glutationa peroxidase (GPx) nas guelras, enquanto que no fígado a actividade da GPx aumentou. No rim, a actividade da glutationa S-transferase (GST) foi inibida. Nas guelras, verificou-se um aumento da catalase. O fenantreno demonstrou igualmente a capacidade de induzir um aumento dos níveis de glutationa nas guelras e fígado. Estas respostas demonstraram a sensibilidade de L. aurata, a este HAP, realçando a especificidade das respostas em termos de órgãos. Apesar dos aumentos das defesas antioxidantes, o potencial tóxico deste composto foi demonstrado pelo aumento da peroxidação lipídica nos três órgãos. Nos capítulos seguintes, são descritas as respostas de L. aurata capturada na Ria de Aveiro, em locais com diferentes perfis de contaminação, inicialmente no Outono de 2005 (Capítulos III a IX) e posteriormente analisando respostas sazonais (Capítulos X e XI). A análise de respostas de stresse (cortisol, glucose e lactato) revelou que L. aurata capturada em Vagos (local contaminado por HAPs) apresentava níveis baixos de cortisol, enquanto que no Laranjo (local contaminado por mercúrio) apresentavam elevados níveis de glucose e lactato. Relativamente às hormonas do eixo hipotálamo – hipófise – tiróide (HHT), foram observados elevados níveis plasmáticos da hormona estimuladora da tiróide (TSH) nos organismos capturados no Laranjo, baixos níveis de tiroxina (T4) nos organismos da Barra (local sujeito a tráfego naval) e baixos níveis de triiodotironina (T3) no Rio Novo do Príncipe (próximo de um antigo efluente de pasta de papel), Laranjo e Vagos. A avaliação das defesas antioxidantes, dano oxidativo e genotóxico nas guelras, rim e fígado revelou diferenças significativas nas respostas dos órgãos. L. aurata capturada na Barra apresentou dano oxidativo nas guelras (Capítulo V). No rim foi detectada uma diminuição da integridade do ADN no Rio Novo do Príncipe e Vagos (Capítulo VI), enquanto que no fígado foi observado dano lipídico na Gafanha e Vagos (Capítulo VIII). O dano não esteve sempre associado a um decréscimo das defesas. As análises da água e do sedimento da Ria de Aveiro (Outono de 2005) revelaram elevadas concentrações de metais (Cd, Hg, Cu e Zn),principalmente, no Laranjo e Rio Novo do Príncipe. L. aurata capturada nestes locais apresentou os níveis mais elevados de metalotioninas hepáticas (Capítulo VII) que parecem responsáveis pela inexistência de danos no fígado (Capítulo VIII). O dano oxidativo no ADN, avaliado através da quantificação dos níveis plasmáticos de 8-hidroxi-2-desoxiguanosina (8-OHdG) e o dano clastogénico/aneugénico, avaliado através da quantificação da frequência de ANE, foram estudados, no Outono de 2005, em duas espécies de peixes (L. aurata e Dicentrarchus labrax - robalo) (Capítulo IX). Os resultados revelaram grande sensibilidade de D. labrax em termos de dano oxidativo no ADN na Gafanha, Rio Novo do Príncipe e Vagos, enquanto que L. aurata apresentou dano oxidativo apenas no Laranjo. O aumento da frequência de ANE apenas foi detectado em L. aurata, em Vagos, não se tendo detectado correlação entre estes dois parâmetros. O estudo sazonal (Maio de 2006 a Março de 2007) do dano oxidativo no ADN e frequência de ANE em L. aurata (Capítulo X) demonstrou a variação destes parâmetros com a estação do ano, apesar de não se ter verificado correlação com os parâmetros hidrológicos determinados. No entanto, no local de referência não se verificaram diferenças sazonais, o que sugere que estes biomarcadores reflectem variações de biodisponibilidade de contaminantes. A análise global dos resultados das diferentes estações do ano revelou que L. aurata capturada no Rio Novo do Príncipe e em Vagos apresentou maior susceptibilidade a dano oxidativo no ADN. No entanto, apenas L. aurata capturada em Vagos apresentou frequência de ANE superior à do local de referência. Os dados do estudo sazonal revelaram uma correlação entre dano oxidativo e ANE, sugerindo o stresse oxidativo como um possível mecanismo envolvido na formação de anomalias. A integridade do ADN das guelras, rim, fígado e sangue de L. aurata foi igualmente estudada ao longo de um ano (Capítulo XI), tendo-se verificado uma grande variabilidade ao longo deste período. Não foi demonstrada sensibilidade a um perfil de contaminação específico, tendo-se verificando variabilidade sazonal no local de referência. Globalmente, os resultados demonstraram a importância da utilização de uma bateria de biomarcadores na monitorização ambiental e a especificidade da resposta dos diferentes órgãos de L. aurata.

Efeitos da toxicidade por metais pesados em Rhizobium leguminosarum bv. trifolii: diversidade e resposta de população isoladas de uma mina de chumbo

Nas últimas décadas verificou-se um aumento da contaminação dos solos com metais pesados resultante de processos antropogénicos. As descargas de efluentes industriais, a actividade mineira e a aplicação de lamas residuais e de fertilizantes são as principais fontes de metais pesados. Em certas regiões, a acumulação destes elementos nos solos tem atingido níveis preocupantes para o equilíbrio dos ecossistemas. Vários estudos têm demonstrado que os metais influenciam os microrganismos afectando adversamente o seu crescimento, morfologia e actividades bioquímicas resultando num decréscimo da biomassa e diversidade. Entre os microrganismos do solo, as bactérias pertencentes ao género Rhizobium têm um elevado interesse científico, económico e ecológico devido à sua capacidade para fixar azoto. Deste modo, o trabalho desenvolvido ao longo desta tese incidiu sobre o efeito da toxicidade imposta pelos metais nas bactérias fixadoras de azoto, em particular em Rhizobium leguminosarum bv. trifolii e teve como principais objectivos: determinar o efeito dos metais pesados na sobrevivência e na capacidade de fixar azoto dos isolados de rizóbio; avaliar a influência dos metais na diversidade das populações de rizóbio isoladas de solos contaminados; determinar os níveis de tolerância do rizóbio a diferentes metais e analisar a resposta ao stresse oxidativo imposto pelo cádmio. A Mina do Braçal foi o local de estudo escolhido uma vez que os seus solos estão muito contaminados com metais em resultado da extracção de minério durante mais de 100 anos. Foram escolhidos 3 solos com diferentes graus de contaminação, o solo BC com concentrações reduzidas de metais, escolhido por estar numa zona já fora da mina e designado por solo controlo e os solos BD e BA considerados medianamente e muito contaminados, respectivamente. O Pb e o Cd foram os metais predominantes nestes solos, assim como o metalóide As, cujas concentrações ultrapassaram largamente os limites previstos na lei. Sendo as enzimas do solo boas indicadoras da qualidade do mesmo, foi determinada a actividade de algumas como a desidrogenase (DHA) e a catalase (CAT). Ambas as enzimas correlacionaramse negativamente com as concentrações de metais nos solos. A dimensão das populações indígenas de rizóbio nos solos contaminados (BD e BA) foi bastante baixa, 9,1 bactérias g-1 de solo e 7,3 bactérias g-1 de solo, respectivamente, quando em comparação com a população do solo BC (4,24x104 bactérias g-1 de solo). Estes resultados parecem estar relacionados com o elevado conteúdo em metais e com o pH ácido dos solos. A capacidade simbiótica também foi afectada pela presença de metais, uma vez que os isolados originários do solo BD mostraram menor capacidade em fixar azoto do que os isolados do solo controlo. A diversidade das populações de rizóbio foi determinada com recurso à análise dos perfis de plasmídeos, perfis de REP e ERIC-PCR de DNA genómico e perfis de proteínas e lipopolissacarídeos. No conjunto dos 35 isolados analisados foram identificados 11 plasmídeos com pesos moleculares entre 669 kb e 56 kb. Embora a incidência de plasmídeos tenha sido superior nos isolados do solo BC verificou-se maior diversidade plasmídica na população isolada do solo BD. Resultados similares foram obtidos com os perfis de REP e ERIC-PCR e perfis de proteínas, que indicaram maior diversidade nas populações dos solos contaminados (BD e BA), contrariamente ao verificado por outros autores. O grau de tolerância aos metais pesados e ao arsénio dos vários isolados testados dependeu do metal e do local de origem. No geral, os isolados do solo BD mostraram maior tolerância aos metais do que os isolados do solo controlo, o que está de acordo com o esperado uma vez que geralmente as populações dos locais contaminados são mais tolerantes. Contudo, os isolados do local mais contaminado (BA) foram muito tolerantes apenas ao chumbo mostrando-se sensíveis aos restantes metais. A inoculação dos solos BC, BD e BA após irradiação com estirpes seleccionadas de rizóbio permitiu avaliar a sua sobrevivência ao longo de 12 meses em condições mais realistas. Verificou-se que após um decréscimo inicial, os isolados inoculados no solo BC conseguiram recuperar a dimensão das suas populações para números similares aos inicialmente introduzidos, contrariamente ao verificado no solo BD onde o número de rizóbios decresceu ao longo dos 12 meses. As condições adversas do solo BA apenas permitiram a sobrevivência de 4 isolados até aos 3 meses e apenas dois deles conseguiram sobreviver após 12 meses, designadamente C 3-1 e A 17-3. Estes isolados possuem um plasmídeo de 669 kb que poderá estar na base da sobrevivência destas estirpes. Por outro lado, o último isolado é originário do solo contaminado e por isso estará também mais adaptado a sobreviver às elevadas concentrações de Pb existentes no solo BA. Por fim, constatou-se que o cádmio, um dos metais presente em concentrações mais elevadas nos solos em estudo, é um indutor de stresse oxidativo nos isolados de rizóbio menos tolerantes o que foi confirmado pelo aumento de ROS e danos celulares ao nível dos lípidos.

Study of oxidation and non-enzymatic glycosylation posttranslational modifications using a proteomic approach

A glicosilação não-enzimática e o stress oxidativo representam dois processos importantes visto desempenharem um papel importante no que respeita às complicações de vários processos patofisiológicos. No presente, a associação entre a glicosilação não-enzimática e a oxidação de proteínas é reconhecida como sendo um dos principais responsáveis pela acumulação de proteínas não-funcionais que, por sua vez, promove uma contínua sensibilização para um aumento do stress oxidativo ao nível celular. Embora esteja disponível bastante informação no que respeita aos dois processos e suas consequências ao nível estrutural e funcional, permanecem questões por esclarecer acerca do que se desenvolve ao nível molecular. Com o objectivo de contribuir para uma melhor compreensão da relação entre a glicosilação não-enzimática e a oxidação, proteínas modelo (albumina, insulina e histonas H2B e H1) foram submetidas a sistemas in vitro de glicosilação não-enzimática e oxidação em condições controladas e durante um período de tempo específico. A identificação dos locais de glicosilação e oxidação foi realizada através de uma abordagem proteómica, na qual após digestão enzimática se procedeu à análise por cromatografia líquida acoplada a espectrometria de massa tandem (MALDI-TOF/TOF). Esta abordagem permitiu a obtenção de elevadas taxas de cobertura das sequências proteicas, permitindo a identificação dos locais preferenciais de glicosilação e oxidação nas diferentes proteínas estudadas. Como esperado, os resíduos de lisina foram os preferencialmente glicosilados. No que respeita à oxidação, além das modificações envolvendo hidroxilações e adições de oxigénio, foram identificadas deamidações, carbamilações e conversões oxidativas específicas de vários aminoácidos. No geral, os resíduos mais afectados pela oxidação foram os resíduos de cisteína, metionina, triptofano, tirosina, prolina, lisina e fenilalanina. Ao longo do período de tempo estudado, os resultados indicaram que a oxidação teve início em zonas expostas da proteína e/ou localizadas na vizinhança de resíduos de cisteína e metionina, ao invés de exibir um comportamente aleatório, ocorrendo de uma forma nãolinear por sua vez dependente da estabilidade conformacional da proteína. O estudo ao longo do tempo mostrou igualmente que, no caso das proteínas préglicosiladas, a oxidação das mesmas ocorreu de forma mais rápida e acentuada, sugerindo que as alterações estruturais induzidas pela glicosilação promovem um estado pro-oxidativo. No caso das proteínas pré-glicosiladas e oxidadas, foi identificado um maior número de modificações oxidativas assim como de resíduos modificados na vizinhança de resíduos glicosilados. Com esta abordagem é realizada uma importante contribuição na investigação das consequências do dano ‘glico-oxidativo’ em proteínas ao nível molecular através da combinação da espectrometria de massa e da bioinformática.

From genes to population: effects of toxicants on Enchytraeus albidus

Nowadays, a systems biology approach is both a challenge as well as believed to be the ideal form of understanding the organisms’ mechanisms of response. Responses at different levels of biological organization should be integrated to better understand the mechanisms, and hence predict the effects of stress agents, usable in broader contexts. The main aim of this thesis was to evaluate the underlying mechanisms of Enchytraeus albidus responses to chemical stressors. Therefore, there was a large investment on the gene library enrichment for this species, as explained ahead. Overall, effects of chemicals from two different groups (metals and pesticides) were assessed at different levels of biological organization: from genes and biochemical biomarkers to population endpoints. Selected chemicals were: 1) the metals cadmium and zinc; 2) the insecticide dimethoate, the herbicide atrazine and the fungicide carbendazim. At the gene and sub-cellular level, the effects of time and dosage were also adressed. Traditional ecotoxicological tests - survival, reproduction and avoidance behavior - indicated that pesticides were more toxic than metals. Avoidance behaviour is extremely important from an ecological point of view, but not recommended to use for risk assessment purposes. The oxidative stress related experiment showed that metals induced significant effects on several antioxidant enzyme activities and substrate levels, as well as oxidative damage on the membrane cells. To increase the potential of our molecular tool to assess transcriptional responses, the existing cDNA library was enriched with metal and pesticide responding genes, using Suppression Subtractive Hybridization (SSH). With the sequencing information obtained, an improved Agilent custom oligonucleotide microarray was developed and an EST database, including all existing molecular data on E. albidus, was made publicly available as an interactive tool to access information. With this microarray tool, most interesting and novel information on the mechanisms of chemical toxicity was obtained, with the identification of common and specific key pathways affected by each compound. The obtained results allowed the identification of mechanisms of action for the tested compounds in E. albidus, some of which are in line with the ones known for mammals, suggesting across species conserved modes of action and underlining the usefulness of this soil invertebrate as a model species. In general, biochemical and molecular responses were influenced by time of exposure and chemical dosage and these allowed to see the evolution of events. Cellular energy allocation results confirmed the gene expression evidences of an increased energetic expenditure, which can partially explain the decrease on the reproductive output, verified at a later stage. Correlations found throughout this thesis between effects at the different levels of biological organization have further improved our knowledge on the toxicity of metals and pesticides in this species.

Phosphatidylethanolamines glycoxidation: products and significance

As fosfatidiletanolaminas constituem a segunda classe de fosfolípidos mais abundantes nos organismos. Elas estão presentes nas membranas biológicas e nas lipoproteínas. As alterações estruturais dos fosfolípidos, ocorrem devido ao stress oxidativo e podem manisfestar-se em alterações das suas propriedades e funções. Já são conhecidas algumas condições fisiopatológicas, nas quais os fosfolípidos oxidados estão envolvidos, por exemplo sinalização celular, resposta imunitária, apoptose e doenças relacionadas com o envelhecimento. Por esse motivo, o interesse no estudo dos fosfolípidos oxidados e suas funções tem crescido nos últimos anos. Contudo, a maioria dos estudos realizados, focam a oxidação das fosfatidilcolinas, tendo sido dedicada pouca atenção a outras classes de fosfolipídos, como as fosfatidiletanolaminas. As fosfatidiletanolaminas, podem ainda sofrer outras modificações, devido ao grupo amina livre presente na cabeça polar, como por exemplo a glicação. As fosfatidiletanolaminas glicadas já foram detectadas em condições de hiperglicemia, em pacientes diabéticos, e tem correlação com a hemoglobina glicada. Sabe-se que a glicação de biomoléculas, pode aumentar as modificações oxidativas, que por sua vez, podem ser responsáveis pelo estado inflamatório, existente na diabetes mellitus. Tanto o stress oxidativo, como a inflamação estão relacionados com a diabetes e as suas complicações. A espectrometria de massa tem sido utilizada como uma importante tecnologia na detecção e caracterização de modificações oxidativas de fosfolípidos. Assim, neste trabalho pretendeu-se estudar as modificações oxidativas induzidas em fosfatidiletanolaminas glicadas, e os seus efeitos biológicos nos monócitos e células dendríticas do sangue periférico. Pretendeu-se ainda, estudar as alterações que ocorreram nas espécies de fosfatidiletanolaminas do fígado de ratos diabéticos. Os resultados obtidos permitiram identificar vários produtos de oxidação de fosfatidiletanolaminas glicadas, nomeadamente novos produtos formados pela oxidação da cabeça polar glicada. A oxidação na cabeça polar glicada foi, ainda, confirmada pela realização de experiências com spin traps combinadas com espetrometria de massa. Posteriormente, as fosfatidiletanolaminas oxidadas, glicadas e glicoxidadas demonstraram ter efeitos pró-inflamatórios, confirmados pelo aumento da estimulação monócitos e de células dendríticas, expresso no aumento do número de células produtoras de citocinas em comparação com o estado basal. As diferentes modificações de fosfatidiletanolaminas induziram estímulos distintos nos dois tipos de células. Sendo as fosfatidiletanolaminas glicadas e as glicoxidadas, os compostos que induziram um maior estímulo. Estes resultados sugeriram que as fosfatidiletanolaminas glicadas e as glicoxidadas podem estar associadas com o estado inflamatório que decorre da hiperglicemia crónica. Ainda, a avaliação do perfil lipídico de extratos de fígado de ratos diabéticos demonstrou que a hiperglicemia induz inúmeras alterações das espécies de fosfatidiletanolaminas e das espécies de outras classes de fosfolípidos, em simultâneo com sinais de lesão hepática. Em conclusão, este trabalho demonstra a relação existente entre, a hiperglicémia, o stress oxidativo, a glicação e oxidação de fosfatidiletanolaminas e ainda a inflamação e compliações diabéticas. Portanto a contribuição da lipidómica é importante para compreender os efeitos prejudiciais da hiperglicemia não controlada, e por isso, merece ser mais explorado.

Effect assessment of nanoparticles toxicity in the terrestrial compartment

Over 11 million tons of nanomaterials (NMs) have been produced in 2012 and predictions point the increase in production. Despite predictions and extended usage via consumer products and industry, the understanding of the potential impact of these materials on the environment is virtually absent. The main aim of this thesis is to understand how a selected group of nanomaterials (metal based particles) may impact soil invertebrates, with special focus on the mechanisms of response. Since a case-by-case Environmental Risk Assessment (ERA) of all the emerging contaminants (particularly NMs) is impossible, among others due to time and cost reasons, to gain understanding on the mechanism of action and response is very important to reach a common paradigm. Understanding the modes of action provides predictive characters in cross particle extrapolation. Besides, it also provides insight for the production of new and sustainable materials. Overall, the effects of the selected NMs (Copper and Silver, Titanium and Zirconium oxides) and the respective salt forms, were investigated at the gene expression (using high-throughput tools, microarray and qPCR technology), biochemical (using enzymatic assays for analysis of oxidative stress markers) and organism (survival and reproduction as in OECD test guidelines) levels, this using standard soil species (Enchytraeus albidus, Enchytraeus crypticus, Eisenia fetida). Gene expression analysis provided valuable information on the mechanisms affected by each of the NMs. The gene expression profile highlighted a (nano)material signature and the effect of the duration of exposure. The functional analyses integrated with the biochemical and organism data, revealed a good understanding power. The biochemical parameters (oxidative stress related) were distinct across the materials and also influenced by duration of exposure and concentration. The standardized organismal responses differed the least between the various materials. The overall outcome is that, in this context of NMs effect assessment, gene expression and enzymatic assays introduced a very important knowledge gap, which could not had been achieved by the standard organismal effects alone. A reoccurring issue with some metal based NMs is the possible dissolution and subsequent release of ions that then causes toxicity e.g. Cu-NPs or Ag-NPs release Cu2+ or Ag+. The oxidation state of the particles was investigated, although this was not the focus of the thesis. The study of fate, e.g. dissolution of NPs, is also only in its beginning and the appropriate techniques are currently being developed. The results showed a specific nanoparticle effect. The UV exposure with titanium dioxide nanoparticles increased its effect.