IRS2 and PTEN are key molecules in controlling insulin sensitivity in podocytes

Insulin signaling to the glomerular podocyte is important for normal kidney function and is implicated in the pathogenesis of diabetic nephropathy (DN). This study determined the role of the insulin receptor substrate 2 (IRS2) in this system. Conditionally immortalized murine podocytes were generated from wild-type (WT) and insulin receptor substrate 2-deficient mice (Irs2−/−). Insulin signaling, glucose transport, cellular motility and cytoskeleton rearrangement were then analyzed. Within the glomerulus IRS2 is enriched in the podocyte and is preferentially phosphorylated by insulin in comparison to IRS1. Irs2−/− podocytes are significantly insulin resistant in respect to AKT signaling, insulin-stimulated GLUT4-mediated glucose uptake, filamentous actin (F-actin) cytoskeleton remodeling and cell motility. Mechanistically, we discovered that Irs2 deficiency causes insulin resistance through up-regulation of the phosphatase and tensin homolog (PTEN). Importantly, suppressing PTEN in Irs2−/− podocytes rescued insulin sensitivity. In conclusion, this study has identified for the first time IRS2 as a critical molecule for sensitizing the podocyte to insulin actions through its ability to modulate PTEN expression. This finding reveals two potential molecular targets in the podocyte for modulating insulin sensitivity and treating DN.

The effect of the 'Gait keeper' mutation in the DMRT3 gene on gaiting ability in Icelandic horses

A nonsense mutation in DMRT3 ('Gait keeper' mutation) has a predominant effect on gaiting ability in horses, being permissive for the ability to perform lateral gaits and having a favourable effect on speed capacity in trot. The DMRT3 mutant allele (A) has been found in high frequency in gaited breeds and breeds bred for harness racing, while other horse breeds were homozygous for the wild-type allele (C). The aim of this study was to evaluate further the effect of the DMRT3 nonsense mutation on the gait quality and speed capacity in the multigaited Icelandic horse and demonstrate how the frequencies of the A- and C- alleles have changed in the Icelandic horse population in recent decades. It was confirmed that homozygosity for the DMRT3 nonsense mutation relates to the ability to pace. It further had a favourable effect on scores in breeding field tests for the lateral gait tölt, demonstrated by better beat quality, speed capacity and suppleness. Horses with the CA genotype had on the other hand significantly higher scores for walk, trot, canter and gallop, and they performed better beat and suspension in trot and gallop. These results indicate that the AA genotype reinforces the coordination of ipsilateral legs, with the subsequent negative effect on the synchronized movement of diagonal legs compared with the CA genotype. The frequency of the A-allele has increased in recent decades with a corresponding decrease in the frequency of the C-allele. The estimated frequency of the A-allele in the Icelandic horse population in 2012 was 0.94. Selective breeding for lateral gaits in the Icelandic horse population has apparently altered the frequency of DMRT3 genotypes with a predicted loss of the C-allele in relatively few years. The results have practical implications for breeding and training of Icelandic horses and other gaited horse breeds.

EphA2 Expression Is a Key Driver of Migration and Invasion and a Poor Prognostic Marker in Colorectal Cancer

PURPOSE: EphA2, a member of the Eph receptor tyrosine kinases family, is an important regulator of tumor initiation, neovascularization, and metastasis in a wide range of epithelial and mesenchymal cancers; however, its role in colorectal cancer recurrence and progression is unclear.

EXPERIMENTAL DESIGN: EphA2 expression was determined by immunohistochemistry in stage II/III colorectal tumors (N = 338), and findings correlated with clinical outcome. The correlation between EphA2 expression and stem cell markers CD44 and Lgr5 was examined. The role of EphA2 in migration/invasion was assessed using a panel of KRAS wild-type (WT) and mutant (MT) parental and invasive colorectal cancer cell line models.

RESULTS: Colorectal tumors displayed significantly higher expression levels of EphA2 compared with matched normal tissue, which positively correlated with high CD44 and Lgr5 expression levels. Moreover, high EphA2 mRNA and protein expression were found to be associated with poor overall survival in stage II/III colorectal cancer tissues, in both univariate and multivariate analyses. Preclinically, we found that EphA2 was highly expressed in KRASMT colorectal cancer cells and that EphA2 levels are regulated by the KRAS-driven MAPK and RalGDS-RalA pathways. Moreover, EphA2 levels were elevated in several invasive daughter cell lines, and downregulation of EphA2 using RNAi or recombinant EFNA1 suppressed migration and invasion of KRASMT colorectal cancer cells.

CONCLUSIONS: These data show that EpHA2 is a poor prognostic marker in stage II/III colorectal cancer, which may be due to its ability to promote cell migration and invasion, providing support for the further investigation of EphA2 as a novel prognostic biomarker and therapeutic target. Clin Cancer Res; 22(1); 230-42. ©2015 AACR.

Tumor suppressor Ras-association domain family 1 isoform A is a novel regulator of cardiac hypertrophy

BACKGROUND: Ras signaling regulates a number of important processes in the heart, including cell growth and hypertrophy. Although it is known that defective Ras signaling is associated with Noonan, Costello, and other syndromes that are characterized by tumor formation and cardiac hypertrophy, little is known about factors that may control it. Here we investigate the role of Ras effector Ras-association domain family 1 isoform A (RASSF1A) in regulating myocardial hypertrophy.

METHODS AND RESULTS: A significant downregulation of RASSF1A expression was observed in hypertrophic mouse hearts, as well as in failing human hearts. To further investigate the role of RASSF1A in cardiac (patho)physiology, we used RASSF1A knock-out (RASSF1A(-)(/)(-)) mice and neonatal rat cardiomyocytes with adenoviral overexpression of RASSF1A. Ablation of RASSF1A in mice significantly enhanced the hypertrophic response to transverse aortic constriction (64.2% increase in heart weight/body weight ratio in RASSF1A(-)(/)(-) mice compared with 32.4% in wild type). Consistent with the in vivo data, overexpression of RASSF1A in cardiomyocytes markedly reduced the cellular hypertrophic response to phenylephrine stimulation. Analysis of molecular signaling events in isolated cardiomyocytes indicated that RASSF1A inhibited extracellular regulated kinase 1/2 activation, likely by blocking the binding of Raf1 to active Ras.

CONCLUSIONS: Our data establish RASSF1A as a novel inhibitor of cardiac hypertrophy by modulating the extracellular regulated kinase 1/2 pathway.

Specific role of neuronal nitric-oxide synthase when tethered to the plasma membrane calcium pump in regulating the beta-adrenergic signal in the myocardium

The cardiac neuronal nitric-oxide synthase (nNOS) has been described as a modulator of cardiac contractility. We have demonstrated previously that isoform 4b of the sarcolemmal calcium pump (PMCA4b) binds to nNOS in the heart and that this complex regulates beta-adrenergic signal transmission in vivo. Here, we investigated whether the nNOS-PMCA4b complex serves as a specific signaling modulator in the heart. PMCA4b transgenic mice (PMCA4b-TG) showed a significant reduction in nNOS and total NOS activities as well as in cGMP levels in the heart compared with their wild type (WT) littermates. In contrast, PMCA4b-TG hearts showed an elevation in cAMP levels compared with the WT. Adult cardiomyocytes isolated from PMCA4b-TG mice demonstrated a 3-fold increase in Ser(16) phospholamban (PLB) phosphorylation as well as Ser(22) and Ser(23) cardiac troponin I (cTnI) phosphorylation at base line compared with the WT. In addition, the relative induction of PLB phosphorylation and cTnI phosphorylation following isoproterenol treatment was severely reduced in PMCA4b-TG myocytes, explaining the blunted physiological response to the beta-adrenergic stimulation. In keeping with the data from the transgenic animals, neonatal rat cardiomyocytes overexpressing PMCA4b showed a significant reduction in nitric oxide and cGMP levels. This was accompanied by an increase in cAMP levels, which led to an increase in both PLB and cTnI phosphorylation at base line. Elevated cAMP levels were likely due to the modulation of cardiac phosphodiesterase, which determined the balance between cGMP and cAMP following PMCA4b overexpression. In conclusion, these results showed that the nNOS-PMCA4b complex regulates contractility via cAMP and phosphorylation of both PLB and cTnI.

Alzheimer's disease-like pathology has transient effects on the brain and blood metabolome

The pathogenesis of Alzheimer's disease (AD) is complex involving multiple contributing factors. The extent to which AD pathology impacts upon the metabolome is still not understood, nor is it known how disturbances change as the disease progresses. For the first time we have profiled longitudinally (6, 8, 10, 12 and 18 months) both the brain and plasma metabolome of APP/PS1 double transgenic and wild type (WT) mice. A total of 187 metabolites were quantified using a targeted metabolomics methodology. Multivariate statistical analysis produced models that distinguished APP/PS1 from WT mice at 8, 10 and 12 months.Metabolic pathway analysis found perturbed polyamine metabolism in both brain and blood plasma. There were other disturbances in essential amino acids,branched chain amino acids and also in the neurotransmitter serotonin.Pronounced imbalances in phospholipid and acylcarnitine homeostasis was evident in two age groups. AD-like pathology therefore impacts greatly on both the brain and blood metabolomes, although there appears to be a clear temporal sequence whereby changes to brain metabolites precede those in blood.

MErCuRIC1: A Phase I study of MEK1/2 inhibitor PD-0325901 with cMET inhibitor crizotinib in RASMT and RASWT (with aberrant c-MET) metastatic colorectal cancer (mCRC) patients.

Background: RAS is mutated (RASMT) in ~55% of mCRC, and phase III studies have shown that patients harbouring RAS mutations do not benefit from anti-EGFR MoAbs. In addition, ~50% of RAS Wild Type (RASWT) will not benefit from the addition of an EGFR MoAb to standard chemotherapy. Hence, novel treatment strategies are urgently needed for RASMT and > 50% of RASWT mCRC patients. c-MET is overexpressed in ~50-60%, amplified in ~2-3% and mutated in ~3-5% of mCRC. Recent preclinical studies have shown that c-MET is an important mediator of resistance to MEK inhibitors (i) in RASMT mCRC, and that combined MEKi/METi resulted in synergistic reduction in tumour growth in RASMT xenograft models (1). A number of recent studies have highlighted the role of c-MET in mediating primary/secondary resistance to anti-EGFR MoAbs in mCRC, suggesting that patient with RASWT tumours with aberrant c-MET (RASWT/c-MET+) may benefit from anti-c-MET targeted therapies (2). These preclinical data supported the further clinical evaluation of combined MEKi/METi treatment in RASMT and RASWT CRC patients with aberrant c-MET signalling (overexpression, amplification or mutation; RASWT/c-MET+). Methods: MErCuRIC1 is a phase I combination study of METi crizotinib with MEKi PD-0325901. The dose escalation phase, utilizing a rolling six design, recruits 12-24 patients with advanced solid tumours and aims to assess safety/toxicity of combination, recommended phase II (RPII) dose, pharmacokinetics (PK) and pharmacodynamics (PD) (pERK1/2 in PBMC and tumour; soluble c-MET). In the dose expansion phase an additional 30-42 RASMT and RASWT/c-MET mCRC patients with biopsiable disease will be treated at the RPII dose to further evaluate safety, PK, PD and treatment response. In the dose expansion phase additional biopsy and blood samples will be obtained to define mechanisms of response/resistance to crizotinib/PD-0325901 therapy. Enrolment into the dose escalation phase began in December 2014 with cohort 1 still ongoing. EudraCT registry number: 2014-000463-40. (1) Van Schaeybroeck S et al. Cell Reports 2014;7(6):1940-55; (2) Bardelli A et al. Cancer Discov 2013;3(6):658-73. Clinical trial information: 2014-000463-40.

The effect of polyphosphate kinase gene deletion on polyhydroxyalkanoate accumulation and carbon metabolism in Pseudomonas putida KT2440.

The primary enzyme involved in polyphosphate (polyP) synthesis, polyP kinase (ppk), has been deleted in Pseudomonas putida KT2440. This has resulted in a threefold to sixfold reduction in polyhydroxyalkanoate (PHA) accumulation compared with the wild type under conditions of nitrogen limitation, with either temperature or oxidative (H2O2) stress, when grown on glucose. The accumulation of PHA by Δppk mutant was the same as the wild type under nitrogen-limiting growth conditions. There was no difference in polyP levels between wild-type and Δppk strains under all growth conditions tested. In the Δppk mutant proteome, polyP kinase (PPK) was undetectable, but up-regulation of the polyp-associated proteins polyP adenosine triphosphate (ATP)/nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) kinase (PpnK), a putative polyP adenosine monophosphate (AMP) phosphotransferase (PP_1752), and exopolyphosphatase was observed. Δppk strain exhibited significantly retarded growth with glycerol as carbon and energy source (42 h of lag period compared with 24 h in wild-type strain) but similar growth to the wild-type strain with glucose. Analysis of gene transcription revealed downregulation of glycerol kinase and the glycerol facilitator respectively. Glycerol kinase protein expression was also downregulated in the Δppk mutant. The deletion of ppk did not affect motility but reduced biofilm formation. Thus, the knockout of the ppk gene has resulted in a number of phenotypic changes to the mutant without affecting polyP accumulation.

Vitamin D3 suppresses morphological evolution of the cribriform cancerous phenotype

Development of cribriform morphology (CM) heralds malignant change in human colon but lack of mechanistic understanding hampers preventive therapy. This study investigated CM pathobiology in three-dimensional (3D) Caco-2 culture models of colorectal glandular architecture, assessed translational relevance and tested effects of 1,25(OH)2D3, the active form of vitamin D. CM evolution was driven by oncogenic perturbation of the apical polarity (AP) complex comprising PTEN, CDC42 and PRKCZ (phosphatase and tensin homolog, cell division cycle 42 and protein kinase C zeta). Suppression of AP genes initiated a spatiotemporal cascade of mitotic spindle misorientation, apical membrane misalignment and aberrant epithelial configuration. Collectively, these events promoted “Swiss cheese-like” cribriform morphology (CM) comprising multiple abnormal “back to back” lumens surrounded by atypical stratified epithelium, in 3D colorectal gland models. Intestinal cancer driven purely by PTEN-deficiency in transgenic mice developed CM and in human CRC, CM associated with PTEN and PRKCZ readouts. Treatment of PTEN-deficient 3D cultures with 1,25(OH)2D3 upregulated PTEN, rapidly activated CDC42 and PRKCZ, corrected mitotic spindle alignment and suppressed CM development. Conversely, mutationally-activated KRAS blocked 1,25(OH)2D3 rescue of glandular architecture. We conclude that 1,25(OH)2D3 upregulates AP signalling to reverse CM in a KRAS wild type (wt), clinically predictive CRC model system. Vitamin D could be developed as therapy to suppress inception or progression of a subset of colorectal tumors.

Molecular study of cell degeneration and evolution induced by mRNA mistranslation

As proteínas existentes nas células são produzidas pelo mecanismo de tradução do mRNA, no qual a informação genética contida nos genes é descodificada em cadeias polipeptídicas. O código genético, que define as regras de descodificação do genoma, minimiza os erros de tradução do mRNA, garantindo a síntese de proteínas com elevada fidelidade. Esta é essencial para a estabilidade do proteoma e para a manutenção e funcionamento dos processos celulares. Em condições fisiológicas normais, os erros da tradução do mRNA ocorrem com frequências que variam de 10-3 a 10-5 erros por codão descodificado. Situações que aumentam este erro basal geralmente estão associadas ao envelhecimento, stresse e a doenças; no entanto, em certos organismos o código genético é traduzido naturalmente com elevado erro, indicando que a síntese de proteínas aberrantes pode de algum modo ser vantajosa. A fim de estudar a resposta celular aos erros de tradução do mRNA, construímos leveduras que incorporam serina no proteoma em resposta a um codão de leucina, usando a expressão constitutiva de um tRNASer mutante. Este fenómeno genético artificial provocou uma forte diminuição da esporulação, da viabilidade e da eficiência de mating, afectando imensamente a reprodução sexual da levedura. Observou-se também uma grande heterogeneidade no tamanho e na forma das células e elevada instabilidade genómica, com o aparecimento de populações poliplóides e aneuplóides. No sentido de clarificar as bases celulares e moleculares daqueles fenótipos e compreender melhor a biologia do erro de tradução do mRNA, construímos também células de levedura que inserem serina em resposta a um codão de leucina de modo indutível e controlado. Utilizaram-se perfis de mRNA total e de mRNA associado a polissomas para elucidar a resposta celular ao erro de tradução do mRNA. Observou-se a indução de genes envolvidos na resposta ao stresse geral, stresse oxidativo e na unfolded protein response (UPR). Um aumento significativo de espécies reactivas de oxigénio (ROS) e um forte impacto negativo na capacidade das células pós-mitóticas re-iniciarem o crescimento foram também observados. Este fenótipo de perda de viabilidade celular foi resgatado por scavangers de ROS, indicando que o stresse oxidativo é a principal causa de morte celular causada pelos erros de tradução. Este estudo levanta a hipótese de que o stresse oxidativo e a acumulação de ROS, ao invés do colapso súbito do proteoma, são as principais causas da degeneração celular e das doenças humanas associadas aos erros de tradução do genoma. ABSTRACT: Proteins are synthesized through the mechanism of translation, which uses the genetic code to transform the nucleic acids based information of the genome into the amino acids based information of the proteome. The genetic code evolved in such a manner that translational errors are kept to a minimum and even when they occur their impact is minimized by similar chemical properties of the amino acids. Protein synthesis fidelity is essential for proteome stability and for functional maintenance of cellular processes. Indeed, under normal physiological conditions, mistranslation occurs at frequencies that range from 10-3 to 10-5 errors per codon decoded. Situations where this basal error frequency increases are usually associated to aging and disease. However, there are some organisms where genetic code errors occur naturally at high level, suggesting that mRNA mistranslation can somehow be beneficial. In order to study the cellular response to mRNA mistranslation, we have engineered single codon mistranslation in yeast cells, using constitutive expression of mutant tRNASer genes. These mistranslating strains inserted serines at leucine-CUG sites on a proteome wide scale due to competition between the wild type tRNALeu with the mutant tRNASer. Such mistranslation event decreased yeast sporulation, viability and mating efficiencies sharply and affected sexual reproduction strongly. High heterogeneity in cell size and shape and high instability in the genome were also observed, with the appearance of some polyploid or aneuploid cell populations. To further study the cellular and molecular basis of those phenotypes and the biology of mRNA mistranslation, we have also engineered inducible mRNA misreading in yeast and used total mRNA and polysome associated mRNA profiling to determine whether codon misreading affects gene expression. Induced mistranslation up-regulated genes involved in the general stress response, oxidative stress and in the unfolded protein response (UPR). A significant increase in reactive oxygen species (ROS) and a strong negative impact on the capacity of post-mitotic cells to re-initiate growth in fresh media were also observed. This cell viability phenotype was rescued by scavengers of ROS, indicating that oxidative stress is the main cause of cell death caused by mRNA mistranslation. This study provides strong support for the hypothesis that oxidative stress and ROS accumulation, rather than sudden proteome collapse or major proteome disruption, are the main cause of the cellular degeneration observed in human diseases associated mRNA mistranslation.

Lichenicidin biosynthesis and search for novel antibacterial peptides

A estirpe Bacillus licheniformis I89 possui a capacidade de produzir alguns compostos com actividade antibacteriana. No presente estudo, a separação desses compostos foi realizada através da aplicação de vários procedimentos, incluindo extracção em fase sólida e cromatografia liquida de alta pressão. Dois destes compostos bioactivos constituem o lantibiótico de classe II lichenicidina e são caracterizados pela massas molecular de 3250 Da (Bliα) e 3020 Da (Bliβ). O cluster responsável pela biossíntese da lichenicidina foi heterologamente expresso em Escherichia coli, constituindo a primeira descrição da produção de um lantibiótico totalmente in vivo num hospedeiro Gram-negativo. Este sistema foi subsequentemente explorado com o objectivo de relacionar cada proteína codificada no cluster genético da lichenicidina na produção dos péptidos Bliα e Bliβ. O desenvolvimento do sistema de trans complementação possibilitou a produção de variantes destes péptidos. A análise das massas moleculares destas variantes assim como a análise dos padrões de fragmentação obtidos por MS/MS permitiu a revisão de algumas das características estruturais previamente proposta para Bliα e Bliβ. A análise dos genes hipoteticamente envolvidos na protecção da estirpe produtora contra a acção antibiótica da lichenicidina revelou, que em E. coli, a sua ausência não resulta no aumento da susceptibilidade a este composto. Verificou-se também que a presença destes genes não é essencial para a produção de lichenicidina em E. coli. Foi também confirmado experimentalmente que a membrana externa da E. coli constitui uma barreira natural para a entrada dos péptidos na célula. De facto, uma das características intrigantes da produção de lichenicidina por uma bactéria de Gram negativo reside no mecanismo de transporte dos dois péptidos através da membrana externa. Neste estudo foi demonstrado que na ausência da proteína de membrana TolC, a massa molecular de Bliα e Bliβ não foi identificada no sobrenadante de E. coli, demonstrando assim que a sua presença no ambiente extra-celular não se devia a um processo de lise bacteriana. Foi ainda avaliada a capacidade da maquinaria biossintética da lichenicidina para produzir o lantibiótico haloduracina, através do processamento de chimeras lichenicidina-haloduracina, contudo, os resultados foram negativos. Verificou-se ainda que em determinadas condições de incubação, a diferenciação da morfologia original da estirpe B. licheniformis I89 pode ocorrer. Esta dissociação implicou a transição da colónia parental e rugosa para uma colónia de aparência mais simples e suave. Desta forma, as diferenças das duas morfologias em termos de taxa de crescimento, esporulação e actividade antibiótica foram investigadas. Considerando especificamente Bliα e Bliβ verificou-se que a abundância destes péptidos nas culturas do fenótipo fino é geralmente inferior aquela identificada nas culturas do fenótipo parental. Por último, a diversidade de elementos genéticos constituintes de péptido sintetases não ribossomais (NRPS) foi investigada em lagoas no centro de Portugal e em solos provenientes de caves do sul de Portugal, revelando a presença de potenciais novas NRPS nestes ambientes.

Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.

Carbapenemases of Serratia fonticola UTAD54

As carbapenemases, serínicas e metalo-β-lactamases (MBLs), formam um grupo cada vez mais importante de β-lactamases capazes de tornar as bactérias resistentes a antibióticos β-lactâmicos, incluindo carbapenemos utilizados como antibióticos de último recurso no tratamento de infecções causadas por bactérias multirresistentes. De modo a compreender melhor a relação estrutura-função deste grupo de enzimas, prosseguimos com a caracterização bioquímica e estrutural das carbapenemases SFC-1 e Sfh-I específicas de Serratia fonticola UTAD54, uma estirpe ambiental isolada previamente de águas de consumo não tratadas no Nordeste de Portugal. Ambas as β-lactamases foram sobre-expressas em Escherichia coli e purificadas por cromatografia líquida. A SFC-1 recombinante, uma carbapenemase serínica, hidrolisa eficientemente antibióticos β-lactâmicos de todas as classes e exibe, comparativamente a enzimas relacionadas (ex. KPC), uma maior eficiência contra a ceftazidima e uma menor susceptibilidade aos inibidores convencionais das β-lactamases. As estruturas do cristal da SFC-1 nativa e de complexos de mutantes, obtidos por mutagénese dirigida, com o meropenemo não hidrolisado e na forma de acetilenzima foram determinados por substituição molecular utilizando cristalografia de raios-X. A estrutura da SFC-1 contém todas as características conservadas do centro activo das carbapenemases de classe A. Nas estruturas dos mutantes o meropenemo aparece orientado no centro activo por Thr236 e Thr238, posicionando-o próximo da Ser130 para a transferência do protão. Nas enzimas de classe A inibidas por carbapenemos, a interacção com a Arg244 impõe uma orientação diferente do meropenemo ligado, prejudicando a transferência do protão. Estas constituem as primeiras estruturas de uma carbapenemase de classe A com um carbapenemo no centro activo e revelam que estas enzimas alteram a orientação do meropenemo ligado para promover a catálise, sem alteração significativa da estrutura geral. A Sfh-I, tal como as outras MBLs da subclasse B2, apresenta um perfil de substratos reduzido, que inclui maioritariamente os carbapenemos. A Sfh-I hidrolisa imipenemo e meropenemo com um kcat de 51 e 109 s-1 e um KM de 79 e 215 μM, respectivamente. A Sfh-I liga um equivalente de zinco, como demonstrado por espectrometria de massa. Contrariamente a enzimas da subclasse B2 previamente caracterizadas, a Sfh-I hidrolisa a cefepima, mostrando que a Sfh-I é uma MBL da subclasse B2 com propriedades únicas. Por espectroscopia de fluorescência mostrou-se que a Sfh-I é capaz de ligar até 3 equivalentes de zinco (Kd2 = 95 μM; Kd3 = 2.3 mM). A estrutura do cristal da Sfh-I, determinada por substituição molecular utilizando a CphA como modelo, é a primeira para uma MBL da subclasse B2 não ligada. Esta estrutura revela a disposição das moléculas de água no centro activo corroborando um mecanismo catalítico para as MBLs da subclasse B2 no qual a His118, em vez do Asp120 proposto anteriormente, activa a molécula de água nucleofílica.

Molecular reconstruction of a genetic code alteration

The genetic code establishes the rules that govern gene translation into proteins. It was established more than 3.5 billion years ago and it is one of the most conserved features of life. Despite this, several alterations to the standard genetic code have been discovered in both prokaryotes and eukaryotes, namely in the fungal CTG clade where a unique seryl transfer RNA (tRNACAG Ser) decodes leucine CUG codons as serine. This tRNACAG Ser appeared 272±25 million years ago through insertion of an adenosine in the middle position of the anticodon of a tRNACGA Ser gene, which changed its anticodon from 5´-CGA-3´ to 5´-CAG-3´. This most dramatic genetic event restructured the proteome of the CTG clade species, but it is not yet clear how and why such deleterious genetic event was selected and became fixed in those fungal genomes. In this study we have attempted to shed new light on the evolution of this fungal genetic code alteration by reconstructing its evolutionary pathway in vivo in the yeast Saccharomyces cerevisiae. For this, we have expressed wild type and mutant versions of the C. albicans tRNACGA Ser gene into S. cerevisiae and evaluated the impact of the mutant tRNACGA Ser on fitness, tRNA stability, translation efficiency and aminoacylation kinetics. Our data demonstrate that these mutants are expressed and misincorporate Ser at CUGs, but their expression is repressed through an unknown molecular mechanism. We further demonstrate, using in vivo forced evolution methodologies, that the tRNACAG Ser can be easily inactivated through natural mutations that prevent its recognition by the seryl-tRNA synthetase. The overall data show that repression of expression of the mistranslating tRNACAG Ser played a critical role on the evolution of CUG reassignment from Leu to Ser. In order to better understand the evolution of natural genetic code alterations, we have also engineered partial reassignment of various codons in yeast. The data confirmed that genetic code ambiguity affects fitness, induces protein aggregation, interferes with the cell cycle and results in nuclear and morphologic alterations, genome instability and gene expression deregulation. Interestingly, it also generates phenotypic variability and phenotypes that confer growth advantages in certain environmental conditions. This study provides strong evidence for direct and critical roles of the environment on the evolution of genetic code alterations.

Identification of protein complexes in Alzheimer's disease

A Doença de Alzheimer (AD) é a maior doença neurodegenerativa a nível mundial, e a principal causa de demência na população idosa. O processamento da proteína precursora de amilóide (APP) pelas β- e g- secretases origina o peptídeo Aβ, que agrega em oligómeros neurotóxicos e em placas senis. Estes são eventos-chave na patogénese da DA que levam à rutura da neurotransmissão sináptica, morte neuronal e inflamação neuronal do hipocampo e córtex cerebral, causando perda de memória disfunção cognitiva geral. Apesar dos grandes avanços no conhecimento do papel do processamento da APP na DA, a sua função fisiológica ainda não foi totalmente elucidada. Os mapas de interações proteína-proteína (PPI) humanos têm desempenhado um papel importante na investigação biomédica, em particular no estudo de vias de sinalização e de doenças humanas. O método dois-híbrido em levedura (YTH) consiste numa plataforma para a produção rápida de redes de PPI em larga-escala. Neste trabalho foram realizados vários rastreios YTH com o objetivo de identificar proteínas específicas de cérebro humano que interagissem com a APP, ou com o seu domínio intracelular (AICD), tanto o tipo selvagem como com os mutantes Y687F, que mimetizam o estado desfosforilado do resíduo Tyr-687. De facto, a endocitose da APP e a produção de Aβ estão dependentes do estado de fosforilação da Tyr-687. Os rastreios YTH permitiram assim obter de redes proteínas que interagem com a APP, utilizando como “isco” a APP, APPY687F e AICDY687F. Os clones positivos foram isolados e identificados através de sequenciação do cDNA. A maior parte dos clones identificados, 118, correspondia a sequências que codificam para proteínas conhecidas, resultando em 31 proteínas distintas. A análise de proteómica funcional das proteínas identificadas neste estudo e em dois projetos anteriores (AICDY687E, que mimetiza a fosforilação, e AICD tipo selvagem), permitiram avaliar a relevância da fosforilação da Tyr-687. Três clones provenientes do rastreio YTH com a APPY687F foram identificados como um novo transcrito da proteína Fe65, resultante de splicing alternativo, a Fe65E3a (GenBank Accession: EF103274), que codifica para a isoforma p60Fe65. A p60Fe65 está enriquecida no cérebro e os seus níveis aumentam durante a diferenciação neuronal de células PC12, evidenciando o potencial papel que poderá desempenhar na patologia da DA. A RanBP9 é uma proteína nuclear e citoplasmática envolvida em diversas vias de sinalização celulares. Neste trabalho caracterizou-se a nova interação entre a RanBP9 e o AICD, que pode ser regulada pela fosforilação da Tyr-687. Adicionalmente, foi identificada uma nova interação entre a RanBP9 e a acetiltransferase de histonas Tip60. Demonstrou-se ainda que a RanBP9 tem um efeito de regulação inibitório na transcrição mediada por AICD, através da interação com a Tip60, afastando o AICD dos locais de transcrição ativos. O estudo do interactoma da APP/AICD, modelado pela fosforilação da Tyr-687, revela que a APP poderá estar envolvida em novas vias celulares, contribuindo não só para o conhecimento do papel fisiológico da APP, como também auxilia a revelar as vias que levam à agregação de Aβ e neurodegeneração. A potencial relevância deste trabalho relaciona-se com a descoberta de algumas interações proteicas/vias de sinalização que podem que podem ser relevantes para o desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas na DA.