Marine Cyanobacteria Compounds with Anticancer Properties: Implication of Apoptosis

Marine cyanobacteria have been proved to be an important source of potential anticancer drugs. Although several compounds were found to be cytotoxic to cancer cells in culture, the pathways by which cells are affected are still poorly elucidated. For some compounds, cancer cell death was attributed to an implication of apoptosis through morphological apoptotic features, implication of caspases and proteins of the Bcl-2 family, and other mechanisms such as interference with microtubules dynamics, cell cycle arrest and inhibition of proteases other than caspases.

Tnf-a production and apoptosis in hepatocytes after listeria monocytogenes and salmonella typhimurium invasion

Invasion of hepatocytes by Listeria monocytogenes (LM) and Salmonella Typhimurium (ST) can stimulate tumor necrosis factor alpha (TNF-α) release and induce apoptosis. In this study, we compared the behavior of hepatocytes invaded by three L. monocytogenes serotypes (LM-4a, LM-4b and LM-1/2a) and by ST to understand which bacterium is more effective in the infectious process. We quantified TNF-α release by ELISA, apoptosis rates by annexin V (early apoptosis) and TUNEL (late apoptosis) techniques. The cell morphology was studied too. TNF-α release rate was highest in ST-invaded hepatocytes. ST and LM-1/2a induced the highest apoptosis production rates evaluated by TUNEL. LM-4b produced the highest apoptosis rate measured by annexin. Invaded hepatocytes presented various morphological alterations. Overall, LM-4b and LM-1/2a proved to be the most efficient at cell invasion, although ST adapted faster to the environment and induced earlier hepatocyte TNF-α release.

Membrane structural changes support the involvement of mitochondria in the bile salt-induced apoptosis of rat hepatocytes

Clin Sci (Lond). 2002 Nov;103(5):475-85

The Role of Actin-Capping Protein and Src signalling in tissue growth and apoptosis during Drosophila wing development

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Developmental Biology

The role of Pep4p, the vacuolar yeast protease ortholog of human cathepsin D, in mitochondria-dependent apoptosis

Doctoral Thesis (PhD Programm on Molecular and Environmental Biology)

IL-17A promotes intracellular growth of Mycobacterium by inhibiting apoptosis of infected macrophages

The fate of infected macrophages is a critical aspect of immunity to mycobacteria. By depriving the pathogen of its intracellular niche, apoptotic death of the infected macrophage has been shown to be an important mechanism to control bacterial growth. Here, we show that IL-17 inhibits apoptosis of Mycobacterium bovis BCG- or Mycobacterium tuberculosis-infected macrophages thus hampering their ability to control bacterial growth. Mechanistically, we show that IL-17 inhibits p53, and impacts on the intrinsic apoptotic pathway, by increasing the Bcl2 and decreasing Bax expression, decreasing cytochrome c release from the mitochondria, and inhibiting caspase-3 activation. The same effect of IL-17 was observed in infected macrophages upon blockade of p53 nuclear translocation. These results reveal a previously unappreciated role for the IL-17/p53 axis in the regulation of mycobacteria-induced apoptosis and can have important implications in a broad spectrum of diseases where apoptosis of the infected cell is an important host defense mechanism.

Cathepsin D protects colorectal cancer cells from acetate-induced apoptosis through autophagy-independent degradation of damaged mitochondria

Acetate is a short-chain fatty acid secreted by Propionibacteria from the human intestine, known to induce mitochondrial apoptotic death in colorectal cancer (CRC) cells. We previously established that acetate also induces lysosome membrane permeabilization in CRC cells, associated with release of the lysosomal protease cathepsin D (CatD), which has a well-established role in the mitochondrial apoptotic cascade. Unexpectedly, we showed that CatD has an antiapoptotic role in this process, as pepstatin A (a CatD inhibitor) increased acetate-induced apoptosis. These results mimicked our previous data in the yeast system showing that acetic acid activates a mitochondria-dependent apoptosis process associated with vacuolar membrane permeabilization and release of the vacuolar protease Pep4p, ortholog of mammalian CatD. Indeed, this protease was required for cell survival in a manner dependent on its catalytic activity and for efficient mitochondrial degradation independently of autophagy. In this study, we therefore assessed the role of CatD in acetate-induced mitochondrial alterations. We found that, similar to acetic acid in yeast, acetate-induced apoptosis is not associated with autophagy induction in CRC cells. Moreover, inhibition of CatD with small interfering RNA or pepstatin A enhanced apoptosis associated with higher mitochondrial dysfunction and increased mitochondrial mass. This effect seems to be specific, as inhibition of CatB and CatL with E-64d had no effect, nor were these proteases significantly released to the cytosol during acetate-induced apoptosis. Using yeast cells, we further show that the role of Pep4p in mitochondrial degradation depends on its protease activity and is complemented by CatD, indicating that this mechanism is conserved. In summary, the clues provided by the yeast model unveiled a novel CatD function in the degradation of damaged mitochondria when autophagy is impaired, which protects CRC cells from acetate-induced apoptosis. CatD inhibitors could therefore enhance acetate-mediated cancer cell death, presenting a novel strategy for prevention or therapy of CRC.

Inactivation of PNKP by mutant ATXN3 triggers apoptosis by activating the DNA damage-response pathway in SCA3.

Spinocerebellar ataxia type 3 (SCA3), also known as Machado-Joseph disease (MJD), is an untreatable autosomal dominant neurodegenerative disease, and the most common such inherited ataxia worldwide. The mutation in SCA3 is the expansion of a polymorphic CAG tri-nucleotide repeat sequence in the C-terminal coding region of the ATXN3 gene at chromosomal locus 14q32.1. The mutant ATXN3 protein encoding expanded glutamine (polyQ) sequences interacts with multiple proteins in vivo, and is deposited as aggregates in the SCA3 brain. A large body of literature suggests that the loss of function of the native ATNX3-interacting proteins that are deposited in the polyQ aggregates contributes to cellular toxicity, systemic neurodegeneration and the pathogenic mechanism in SCA3. Nonetheless, a significant understanding of the disease etiology of SCA3, the molecular mechanism by which the polyQ expansions in the mutant ATXN3 induce neurodegeneration in SCA3 has remained elusive. In the present study, we show that the essential DNA strand break repair enzyme PNKP (polynucleotide kinase 3'-phosphatase) interacts with, and is inactivated by, the mutant ATXN3, resulting in inefficient DNA repair, persistent accumulation of DNA damage/strand breaks, and subsequent chronic activation of the DNA damage-response ataxia telangiectasia-mutated (ATM) signaling pathway in SCA3. We report that persistent accumulation of DNA damage/strand breaks and chronic activation of the serine/threonine kinase ATM and the downstream p53 and protein kinase C-d pro-apoptotic pathways trigger neuronal dysfunction and eventually neuronal death in SCA3. Either PNKP overexpression or pharmacological inhibition of ATM dramatically blocked mutant ATXN3-mediated cell death. Discovery of the mechanism by which mutant ATXN3 induces DNA damage and amplifies the pro-death signaling pathways provides a molecular basis for neurodegeneration due to PNKP inactivation in SCA3, and for the first time offers a possible approach to treatment.

Análisis de componentes del sistema inmune innato en la infección VIH/SIDA: Apoptosis y expresión de moléculas y receptores en Polimorfonucleares Neutrófilos

El Virus de la Inmunodeficiencia Humana (VIH) afecta principalmente a la respuesta inmune específica causando una pérdida progresiva de los linfocitos T CD4+. Este virus también puede afectar a células del sistema inmune innato, como los Polimorfonucleares Neutrófilos (PMN). Los objetivos propuestos para esta etapa del proyecto son: a) investigar el efecto de la infección por VIH sobre la apoptosis de PMN, b) analizar la expresión de moléculas y receptores de reconocimiento de patrones moleculares asociados a patógenos en estas células y c) evaluar el impacto de la terapia antirretroviral sobre la apoptosis y expresión de moléculas y receptores en PMN. Se incluirán individuos en distintos estadios de la infección con o sin tratamiento antirretroviral y se determinarán parámetros hematológicos, inmunológicos y virológicos a fin de correlacionar el nivel de apoptosis y expresión de moléculas y receptores con el nivel de linfocitos T CD4+ y carga viral. La importancia de los PMN en el control de la infección por el VIH es actualmente un área de mucho interés, ya pueden ejercer un efecto anti-VIH directo, y al mismo tiempo, ser blancos de la infección viral. Comprender los aspectos claves en la cascada de la apoptosis de estas células podría en un futuro aportar posibles blancos terapéuticos, que permitan restaurar la función de los PMN durante la infección VIH/SIDA.

Incidencia de la apoptosis en diferentes tejidos secretorios

La muerte celular ocurre en numerosos tejidos sanos como un proceso fisiológico que tiene a su cargo el rol de eliminar células redundantes o perimidas en situaciones fisiológicas. La apoptosis es el único tipo de muerte que se ha descripto como responsable de estos procesos. Sin embargo nuestras investigaciones en la glándula hiposifiaria nos permite plantear la existencia de otro tipo de degeneración con células electrodensas. Este proyecto tiene como objetivos generales a) analizar la incidencia de la apoptosis en tejidos en los cuales no está bien caracterizado el proceso de muerte celular, tanto en condiciones fisiológicas como experimentales, tales como la hipófisis, el testículo y el pulmón; b) evaluar la existencia de procesos de muerte celular sin apoptosis, particularmente y c) profundizar sobre los mecanismos diferenciales que desencadenan una y otra forma de muerte, particularmente en tejidos secretorios regulados por hormonas o no, y definir si ambos pueden ocurrir simultáneamente.

Apoptosis y expresión de receptores de reconocimiento de patrones en Polimorfonucleares Neutrófilos de individuos con infección VIH/SIDA. Apoptosis and recognition patterns receptors expression in Polymorphonuclear Neutrophils of individuals with HIV/AIDS infection.

El Virus de la Inmunodeficiencia Humana tipo 1 (VIH-1) afecta principalmente a la respuesta inmune específica causando una pérdida progresiva de los linfocitos T CD4+. Sin embargo, este virus también afecta a células del sistema inmune innato, tales como los Polimorfonucleares Neutrófilos (PMN). Existen evidencias de alteraciones funcionales de los PMN durante la progresión de la infección por VIH y una de las explicaciones de estos defectos, la atribuye a una muerte celular programada o apoptosis constitutiva incrementada. El compromiso de la apoptosis de los PMN en la infección por VIH no está totalmente dilucidado, por ello, los objetivos de este proyecto son investigar el efecto de la infección por VIH sobre la apoptosis de PMN, analizar la expresión de moléculas y receptores de patrones de reconocimiento en estas células y evaluar el impacto de la terapia antirretroviral sobre la apoptosis y expresión de moléculas y receptores en PMN. Se incluirán individuos en distintos estadios clínicos e inmunológicos de la infección con o sin tratamiento antirretroviral y se determinarán parámetros hematológicos, inmunológicos y virológicos a fin de correlacionar el nivel de apoptosis y expresión de moléculas y receptores con el nivel de linfocitos T CD4+ y carga viral. La importancia de los PMN en el control de la infección por el VIH es actualmente un área de mucho interés, ya pueden ejercer un efecto anti-VIH directo, y al mismo tiempo, ser blancos de la infección viral. Los mecanismos que conducen a la muerte acelerada de los PMN no han sido totalmente dilucidados, por ello, su estudio permitirá entender las bases bioquímicas de los cambios morfológicos y determinar los mecanismos que definen su iniciación y regulación. En el presente proyecto, el estudio de la apoptosis de PMN de pacientes con infección VIH/SIDA posibilitará caracterizar la sobrevida de éstas células y su relación con el estado inmunológico, virológico y la terapia antirretroviral. Además, el estudio de los receptores reconocedores de patrones moleculares asociados a patógenos permitirá aclarar algunos aspectos de la activación de la respuesta inmune innata y su conexión con la inmunidad adaptativa. Comprender aspectos claves de la cascada de la apoptosis de PMN y de la expresión de receptores reconocedores de patrones moleculares en la infección VIH/SIDA podría en un futuro aportar posibles blancos terapéuticos para restaurar la función de estas células durante esta infección.

Infección de macrófagos con virus encefalitis saint louis: efecto sobre el fenotipo celular y la apoptosis (Programa: enfermedades transmisibles y emergentes).

El Virus Encefalitis Saint Louis (VESL)es un virus neurotrópico que puede provocar en humanos encefalitis, meningitis y cefalea febril. Estudios epidemiológicos demostraron la circulación del virus en Argentina, reportándose el primer brote de encefalitis en Sud-América en Córdoba en el 2005. Los macrófagos tienen un rol muy importante en la patogénesis de las infecciones virales. Estas células son permisivas para la replicación y reservorio viral. Reconocen a los virus mediante receptores de reconocimiento de patrones, incluidos los receptores Toll-like, lo que genera la producción de moléculas antivirales y citoquinas pro-inflamatorias. Los macrófagos expresan diferentes fenotipos según el microambiente tisular y el estímulo externo. Se reconocen los macrófagos activados clásicamente (M1) que liberan citoquinas pro-inflamatorias y los macrófagos activados alternativamente (M2) que producen IL-10 y factor transformante del crecimiento. Como parte de la respuesta del macrófago a la infección viral, prolifera, se diferencia y muere. La apoptosis es un mecanismo de muerte que limita la actividad del macrófago activado. La interacción virus-macrófago ha sido analizada con numerosos tipos de virus. Sin embargo, existe escasa información sobre el impacto de VESL sobre la respuesta inmune innata. La emergencia de esta virosis en nuestro medio amerita abordar distintos aspectos de la respuesta inmune en esta infección. Este proyecto tiene como objetivo estudiar la interacción VESL-macrófago para esclarecer el rol del fenotipo celular y su relación con la depuración viral. Además, analizar la naturaleza y el tenor de los inmunomoduladores liberados y el papel de la apoptosis de los macrófagos en esta infección.

Análisis de componentes de la inmunidad innata en infecciones parasitarias. I. Apoptosis de polimorfonucleares (Programa: enfermedades transmisibles y emergentes).

La visión jerárquica de la respuesta inmune, en la cual las células no específicas de la respuesta innata son las primeras reclutadas al sitio del daño, antes que se desarrolle la respuesta inmune específica adaptativa, ha cambiado. Primero, la respuesta innata es mucho más específica que lo reconocido hasta ahora y segundo, las células del sistema innato de defensa constituyen un nexo con el sistema adaptativo, modulándola en el curso de una respuesta inmune. Este complejo patrón de interacciones se ha evidenciado recientemente con las funciones de los neutrófilos. La contribución de los neutrófilos a la respuesta inmunitaria antiparasitaria reside, fundamentalmente, en tres atributos. 1) su patrón de migración, 2) su capacidad fagocítica y 3) su arsenal de mecanismos microbicidas. El objetivo principal de este proyecto de investigación es investigar el efecto de antígenos parasitarios sobre la apoptosis, activación y producción de citocinas por neutrófilos y analizar las vías de activación de la muerte celular en neutrófilos cultivados con antígneos parasitarios. Para ello, en neutrófilos provenientes de individuos sanos se evaluará la apoptosis de estas células luego de su incubación con antígenos solubles y particulados de protozoos y helmintos. Además, se evaluará la expresión de distintos antígenos de superficie, se cuantificarán mediadores solubles pro-inflamatorios en los sobrenadantes de los cultivos y se evaluarán proteínas pro-apoptóticas y anti-apoptóticas en neutrófilos cultivados con antígenos parasitarios. En el contexto de la respuesta inmune innata frente a parásitos, sean protozoos o helmintos, intestinales o extraintestinales, es necesario evaluar el impacto de las infecciones parasitarias en la sobrevida de los neutrófilos y en la capacidad de estas células para liberar mediadores solubles lo que permitirá ampliar el conocimiento sobre su rol en procesos infecciosos.

Análisis de componentes del sistema inmune innato en la infección vih/sida: apoptosis y expresión de moléculas y receptores en polimorfonucleares neutrófilos (Programa:enfermedades transmisibles y emergentes).

El Virus de la Inmunodeficiencia Humana (VIH) afecta principalmente a la respuesta inmune específica causando una pérdida progresiva de los linfocitos T CD4+. Este virus también puede afectar a células del sistema inmune innato, como los Polimorfonucleares Neutrófilos (PMN). Los objetivos propuestos para esta etapa del proyecto son: a) investigar el efecto de la infección por VIH sobre la apoptosis de PMN, b) analizar la expresión de moléculas y receptores de reconocimiento de patrones moleculares asociados a patógenos en estas células y c) evaluar el impacto de la terapia antirretroviral sobre la apoptosis y expresión de moléculas y receptores en PMN. Se incluirán individuos en distintos estadios de la infección con o sin tratamiento antirretroviral y se determinarán parámetros hematológicos, inmunológicos y virológicos a fin de correlacionar el nivel de apoptosis y expresión de moléculas y receptores con el nivel de linfocitos T CD4+ y carga viral. La importancia de los PMN en el control de la infección por el VIH es actualmente un área de mucho interés, ya que pueden ejercer un efecto anti-VIH directo, y al mismo tiempo, ser blancos de la infección viral. Comprender los aspectos claves en la cascada de la apoptosis de estas células podría en un futuro aportar posibles blancos terapéuticos, que permitan restaurar la función de los PMN durante la infección VIH/SIDA.

Infección de macrófagos con el Virus Encefalitis Saint Louis: efecto sobre el fenotipo celular y la apoptosis.

El virus Encefalitis Saint Louis (VESL) (género Flavivirus) experimenta una re-emergencia en la región central del país, con la ocurrencia de un brote en Córdoba y el aislamiento de cepas de distintos genotipos. Está demostrado que los Flavivirus neurotrópicos, como VESL, replican en macrófagos y células dendríticas, tanto en el tejido local como en nódulos linfáticos satélites, para luego llegar a torrente sanguíneo y ser transportados a sistema nervioso central. Es así que el nivel de viremia inicial es regulado por la depuración del virus que realizan los macrófagos. Estas células reconocen a los virus por medio de receptores de reconocimiento de patrones moleculares asociados a patógenos, que incluyen a los receptores Toll-like (TLR). La relación entre los TLR y los virus, se fundamenta en tres aspectos: 1) los TLR al ser estimulados por moléculas derivadas de virus activan vías de señalización que inducen la producción de citoquinas pro-inflamatorias, como TNF- , IL-1, 6, 8 y 18, INF-  y , que median la respuesta inmune antiviral; 2) las señales que dependen de los TLR median efectos inmunopatogénicos, como la apoptosis y la patogénesis del virus; 3) algunas estrategias terapéuticas o profilácticas antivirales se basan en la estimulación de los TLR mediante los respectivos agonistas. Como parte de la respuesta del macrófago a la infección viral, hay proliferación, diferenciación y muerte celular. A la hora de morir, estas células pueden seguir el camino que lleva a la necrosis o el de la apoptosis. Durante la activación de la respuesta inmune frente a antígenos extraños, la apoptosis es requerida para eliminar las células efectoras, una vez que han ejecutado su función y así evitar el desarrollo de procesos deletéreos para el huésped. Estudios realizados con distintos Flavivirus documentan el incremento de apoptosis de macrófagos durante la progresión de la infección y también su relación con la severidad de la patología. De acuerdo a los antecedentes expuestos, se formulan las siguientes hipótesis de estudio: 1-El fenotipo de activación del macrófago infectado con VESL está relacionado con el genotipo viral. 2-La clase de inmunomoduladores liberados y el grado de apoptosis de los macrófagos infectados con el VESL dependen del receptor de reconocimiento utilizado por el virus.El objetivo principal es caracterizar la respuesta inmune inducida en macrófagos infectados in vitro con diferentes genotipos de VESL. Para ello se plantean los siguientes objetivos específicos: 1-Determinar la capacidad de replicación de VESL en macrófagos.2-Evaluar la expresión de molécula de superficie, receptores y la producción de inmunomoduladores en macrófagos infectados con VESL.3-Analizar el impacto de la infección con VESL sobre la apoptosis de macrófagos.4-Correlacionar la expresión de antígenos de superficie, receptores, producción de inmunomoduladores, apoptosis y carga viral con el genotipo viral que infecta al macrófago.Se utilizará una línea línea celular mieloide U937 y cepas del VESL genotipo III, V y VII. Se estudiará la infección de las mismas y determinará la expresión de: CD14, CD16, CD54/ICAM-1, HLA-DR, Fas, R-TNF, CD86, IL4R, TLR2, TLR3, TLR4 y TLR7 por Citometría de Flujo. En el sobrenadante de los cultivos infectados se cuantificarán las concentraciones de IFN-, IFN-, TNF-, IL-1, IL-6, IL-8, IL-10, IL-12, IL-18 y TGF- por técnica de ELISA.Se determinará la apoptosis en los macrófagos infectados mediante marcación con Anexina V-Ficoeritrina y análisis de fragmentación del ADN.La emergencia de esta virosis en nuestro medio amerita abordar distintos aspectos de la respuesta inmune en esta infección. El conocimiento de las características de la activación del macrófago cuando se infecta con VESL, los inmunomoduladores liberados y el impacto de la infección sobre la apoptosis de ésta célula, aportaría posibles blancos para el diseño futuro de estrategias terapéuticas o profilácticas contra esta infección.