Alteração da metilação do DNA após exposição prolongada a fitoquímicos

Parte do trabalho efetuado durante este projeto de dissertação foi publicado na revista Chemico-Biological Interactions. E apresentado no “50th Congress of the European Societies of Toxicology 7th - 10th September 2014 Edinburgh International Conference Centre, Edinburgh, Scotland” em forma de poster.

Produção de anticorpos para tratamento do cancro da mama

A terapia anti-cancro baseada em anticorpos monoclonais tem vindo a ser atractiva na medida em que os anticorpos têm a capacidade de reconhecer especificamente antigénios alvo associados a cancro e de serem reconhecidos por células do sistema imunitário. Um dos antigénios que tem vindo a ser estudado é o glicano sialil-Tn (STn), presente na maioria dos carcinomas humanos e aproximadamente em 30% dos casos de cancro da mama. O objectivo geral deste trabalho foi o desenvolvimento de novos anticorpos terapêuticos contra STn. Especificamente, foi estudada a imunogenicidade de diferentes antigénios baseados em STn na produção desses anticorpos. Através da análise dos soros, verificou-se uma resposta imune com produção de anticorpos pelos murganhos imunizados, em separado, com mucina1 decorada com STn, mucinas de origem animal STn+ e lisados celulares STn+. Contrariamente, a imunização com STn associado a treonina ou poliacrilamida não desencadeou nenhuma resposta imunológica. Assim, percebeu-se que o STn é muito pouco imunogénico, e que a imunogenicidade deste depende do seu acoplamento a proteínas (mucinas) e da densidade do glicano a decorar as mesmas. Os sobrenadantes da cultura dos hibridomas obtidos pela fusão celular foram analisados por citometria de fluxo. Embora, se esperasse obter hibridomas produtores de anticorpos anti-STn, isto não se verificou. Uma das hipóteses levantadas está relacionada com a tolerância imunológica induzida por este antigénio, tal como verificado anteriormente pelo nosso e outros grupos de investigação. Assim, novas imunizações estão a ser realizadas com alterações relevantes no protocolo. A segunda parte deste trabalho consistiu na criação (transdução lentiviral) e análise (citometria de fluxo e RT-PCR) da linha celular fluorescente MCF-7/GFP STn+, que permitirá analisar o mecanismo de acção dos anticorpos anti-STn futuramente produzidos. A realização deste trabalho permitiu optimizar diversas técnicas e passos-chave importantes para o desenvolvimento de anticorpos terapêuticos anti-STn para cancro da mama ou outros cancros que expressem STn.

Síntese de muropéptidos bacterianos para estudos de interacção com a vancomicina

A vancomicina é um membro da família dos antibióticos glicopeptídicos considerado de último recurso no tratamento de infecções causadas por bactérias Gram-positivas. A fim de encontrar novos agentes para combater a resistência bacteriana é importante compreender os detalhes do mecanismo de acção de antibióticos glicopeptídicos. Estes antibióticos evitam a formação de peptidoglicano (PGN), o principal componente da parede celular bacteriana, o qual é constituído por uma cadeia alternada de N-acetil-glucosamina (GlucNAc) e ácido N-acetil-murâmico (MurNAc) ligados entre si poruma ligação glicosídica β(1→4), e estas cadeias ligam-se entre si por pequenas cadeias peptídicas. Está bem estabelecido que a substituição do último aminoácido da cadeia peptídica ligada à unidade MurNAc altera a interacção das bactérias com os antibióticos glicopéptidicos. Até agora, os estudos de interacção foram limitados ao uso de dipéptidos e tripéptidos N-protegidos. De modo a clarificar a forma como as diferentes composições da unidade peptídica e da unidade de carbohidratodos muropéptidos bacterianos afectam o reconhecimento pela vancomicina, desenvolvemos neste estudo a síntese de uma pequena biblioteca de muropeptidos e péptidos para futuros testes de interação molecular. A unidade MurNAc foi sintetizada por duas vias diferentes, envolvendo diferentes grupos protectores do grupo amina, o acetilo e o aliloxicarbonilo. O derivado de MurNAc 8 foi preparado em 7 passos, com 3% de rendimento pela via envolvendo a GlucNAc. Para a síntese das cadeias peptídicas utilizou-se a técnica de síntese de péptidos em fase sólida (SPFS). Os péptidos e muropéptidos foram sintetizados utilizando como terminal de D-Ala, Gly e D-Ser por SPFS com sucesso. Os estudos preliminares de interacção entre a vancomicina e a unidade MurNAc sugerem uma possível alteração conformacional da vancomicina na presença de MurNAc, pelo que de futuro as interações entre estas duas estruturas e os muropéptidos sintetizados deverão ser investigadas.

Desafios na era pós genômica para o desenvolvimento de testes laboratoriais para o diagnóstico da hanseníase

O diagnóstico da hanseníase se baseia em manifestações clínicas e não existe teste laboratorial para diagnosticar casos assintomáticos ou para prever progressão da doença entre indivíduos expostos. Novas análises genômicas comparativas in silico e ferramentas de biologia molecular têm sido empregadas para revelar proteínas exclusivas do Mycobacterium leprae que apresentem potencial aplicação diagnóstica. A hanseníase tuberculóide paucibacilar (PB) apresenta baixo nível de anticorpos e forte resposta imune celular (RIC) tipo Th1/interferon gamma (IFN-γ). A doença lepromatosa multibacilar (MB) apresenta sorologia positiva e fraca RIC. Portanto, testes laboratoriais para diagnosticar hanseníase PB e MB devem contemplar testes de RIC e sorologia. Proteínas recombinantes do Mycobacterium leprae sorologicamente reativas podem ser incorporadas ao antígeno PGLI para melhorar o diagnóstico sorológico de pacientes MB. Proteínas recombinantes e peptídeos sintéticos do Mycobacterium leprae têm sido testados em ensaios de RIC/IFN-γ para diagnosticar casos PB. Sorologia anti-PGLI modificada incorporando novos antígenos do Mycobacterium leprae e ensaios baseados na RIC/produção de IFN-γ devem permitir a detecção precoce de casos MB e PB em países endêmicos.

Sequênciação e análise do genoma de um presumível flavivírus isolado de Aedes (Ochlerotatus) Caspius

O género Flavivirus (Flaviviridae) inclui mais de setenta vírus com genoma a RNA de cadeia simples, muitos dos quais são importantes agentes patogénicos para o Homem e os outros animais. A maioria dos flavivírus pode ser transmitidos por carraças, mosquitos ou, aparentemente, restringir-se a vertebrados (Cook e Holmes, 2006). No entanto, um grupo de flavivírus designados “não clássicos”, não parece ter hospedeiro vertebrado conhecido. Estes últimos são comumente colocados junto à raiz de árvores filogenéticas do género Flavivirus, sendo frequentemente isolados em mosquitos, justificando a sua designação de vírus específicos de insectos (ISF, do inglês insect-specific flaviviruses) (Farfan-Ale et al., 2009). A classificação dos ISF como flavivírus tem sido suportada por semelhanças ao nível da sua organização genómica, perfil de hidropatia proteica, locais de clivagem conservados da sequência da poliproteína que codificam, e domínios enzimáticos. No entanto, são distintos em termos antigénicos, partilhando o mesmo nível de distância genética quando comparados com outros membros do género que quando comparados com outros dois outros géneros da família Flaviviridae (Cook e Holmes, 2006; Gould et al., 2003). Esta tese apresenta uma caracterização inicial, que inclui a obtenção da sequência genómica quase completa, de um novo ISF. Este vírus, com a designação proposta de OCFVPt, foi isolado de mosquitos adultos classificados como Aedes (Ochlerotatus) caspius (Pallas, 1771), os quais são encontrados em densidades elevadas nas zonas costeiras estuarinas dos distritos de Faro e Setúbal (Almeida et al., 2008). Este vírus replica rapidamente na linha celular C6/36 (derivada de Aedes albopictus), e, como esperado, não replica em células Vero. Contrariamente a outros ISF, o OCFVPt aparentemente causa efeito citopático óbvio em células C6/36, as quais, depois de infectadas, rapidamente se separam do suporte sólido da placa de crescimento, ficando pequenas e redondas. Análises por microscopia electrónica de secções finas de células C6/36 48h após infecção com OCFVPt revelaram uma hiperplasia nuclear acentuada com aumento do espaço entre as cisternas da membrana nuclear, no qual podem ainda ser encontradas vesículas de várias dimensões. O genoma do OCFVPt tem, no mínimo, 9.839 nt e codifica para uma única poliproteína com as caraterísticas normalmente associadas aos membros do género Flavivirus. As árvores filogenéticas geradas após alinhamento de sequências virais mostram que o OCFVPt forma, juntamente com HANKV (Huhtamo et al., 2012) um grupo monofilético distinto dentro da radiação dos ISF.

Estudo da actividade angiogénica na nurse cell de trichinella spiralis no decurso da triquinelose em modelo roedor

A triquinelose é uma zoonose parasitária que é transmitida aos humanos e animais, através da ingestão de carne crua ou insuficientemente cozinhada, que contenha larvas infectantes de Trichinella spp., sendo actualmente considerada uma doença emergente e/ou re-emergente. O sucesso do parasitismo do nemátode Trichinella spiralis está intimamente ligado com o processo de angiogénese, ou seja, a formação de novos vasos a partir de vasos pré-existentes. Com o objectivo de estudar a actividade angiogénica na nurse cell de T. spiralis, realizaram-se técnicas imunohistoquímicas e imunofluorescentes para o factor de crescimento endotelial vascular (VEGF), molécula-1 de adesão celular endotelial a plaquetas (PECAM-1) e actina músculo liso (AML), em tecido muscular de Rattus rattus infectado com T. spiralis. Através destas técnicas observou-se marcação intensa no infiltrado inflamatório adjacente à nurse cell e também na larva. Já o citoplasma da nurse cell apresentou uma marcação moderada. Este padrão de marcação manteve-se desde os 45 até aos 120 dias após a infecção. A avaliação da densidade vascular (PECAM-1) e da densidade da expressão de células positivas para AML permitiu estabelecer uma correlação positiva entre o aumento da densidade vascular e o número de dias de infecção. Adicionalmente estabeleceu-se uma correlação negativa entre o aumento da densidade de células que expressam AML e o número de dias de infecção. Os resultados indicam uma produção constante de VEGF pela larva, pelo citoplasma da nurse cell e pelo hospedeiro (infiltrado inflamatório), durante todo período de infecção, levando à formação de uma rede vascular crescente (com um aumento médio de 79% face ao controlo), acompanhada de células murais que promovem a sua estabilização (com um aumento médio de 50% face ao controlo) com particular incidência no primeiro período estudado (45 a 55 dias).

Pesquisa de assinaturas de selecção de malária na região do gene humano TPI (triosefosfato isomerase)

A malária continua a ser a maior causa de doença e mortalidade no Mundo, sobretudo no continente Africano. Das cinco espécies do parasita causador de malária em humanos, Plasmodium falciparum é a mais letal. Em termos evolutivos a malária é um fenómeno recente com cerca de 10 000 anos, período onde tem atuado como importante pressão seletiva no genoma humano, contribuindo para a seleção de inúmeros polimorfismos que propiciam maior resistência ao protozoário parasita. Apesar da interação entre o parasita e o hospedeiro ser foco de inúmeros estudos, é bastante complexa e ainda está longe de ser totalmente compreendida, nomeadamente os fatores de suscetibilidade/resistência à infeção ou à doença. Este estudo teve como principal objetivo contribuir para o estudo dos polimorfismos eritrocitários associados à proteção contra a infeção malárica grave, centrando-se no gene TPI que codifica uma enzima glicolítica. Foi selecionada uma amostra populacional Africana (Moçambique) agrupada de acordo com a gravidade da doença (grupos clínicos). Fez-se o rastreio dos exões do gene TPI por SSCP, na busca de alterações no padrão de migração dos produtos amplificados, indiciadores de alterações na sequência nucleotídica que pudessem ser assinaturas de eventuais efeitos evolutivos exercidos pela malária; caracterizaram-se as variantes do promotor do gene TPI: -5A>G, -8G>A e -24T>G; e analisou-se o polimorfismo intrónico 2262 situado no intrão 5. Esta análise permitiu identificar o polimorfismo -8G>A como possível marcador associado à proteção contra a malária, observando-se diferenças estatisticamente significativas entre doentes com malária grave e não-grave [P = 0,032; OR = 0,230 (CI95%: 0,049-1,081)], quando associado ao haplótipo -5G/-8A/2262G. Através de um estudo de microssatélites nas regiões adjacentes ao gene TPI, estimou-se a antiguidade dos polimorfismos -5G>A e -8G>A, tendo-se obtido a idade de ~20 mil anos e ~14 mil anos, respetivamente. Ao nível bioquímico, o polimorfismo -8G>A poderá estar associado à acumulação celular de metilglioxal citotóxico, um potente inibidor da proliferação parasitária.

Resistência mediada por efluxo em Escherichia coli: novas estra´tégias terapêuticas utilizando antibióticos e inibidores do efluxo

As bactérias desenvolveram ao longo do tempo, mecanismos que lhes permitem superar os efeitos nocivos causados por uma grande variedade de compostos antimicrobianos. Os sistemas de efluxo e a permeabilidade reduzida da parede celular são dois desses mecanismos. Para se estudar a resistência aos antibióticos mediada por efluxo em Escherichia coli, a influência dos inibidores de efluxo na resistência, os mecanismos de acção desses inibidores, a sua relação com a bioenergética e a competição entre substratos de efluxo, usaram-se duas estirpes de E. coli: a estirpe AG100, com o sistema de efluxo AcrAB-TolC funcional, e a estirpe AG100A, com o sistema AcrAB-TolC inactivo. Os inibidores testados foram a cloropromazina, tioridazina, ortovanadato sódio, arilpiperazina, carbonil cianeto m-clorofenilhidrazona e o verapamil. Estes compostos foram avaliados i) quanto à sua capacidade para inibir o sistema de efluxo AcrAB-TolC, através de um método fluorométrico semi-automático; ii) quanto à capacidade para diminuírem a susceptibilidade de E. coli aos antimicrobianos, através da determinação de concentrações mínimas inibitórias na presença e ausência de inibidores de efluxo; iii) quanto ao seu efeito ao nível da membrana celular, nomeadamente, disrupção do potencial de membrana, por microscopia de fluorescência. Para além disso, estes inibidores foram usados em ensaios de competição entre o brometo de etídio e os antibióticos tetraciclina, ofloxacina e oxacilina. Os resultados demonstraram que todos os compostos estudados foram capazes de diminuir a actividade de efluxo. Os compostos que apresentaram um efeito mais relevante foram a cloropromazina e o ortovanadato sódio. Contrariamente, as arilpiperazinas demonstraram um maior efeito na redução dos valores das concentrações mínimas inibitórias dos antibióticos testados realçando o facto de que o efeito destes compostos tidos como inibidores nem sempre corresponde à inibição real de efluxo. Para além disso, foi possível dividir os inibidores em dois grupos: (i) dependentes da acção da glucose – NMP e VP, e (ii) independentes da acção da glucose – CCCP, CPZ, Na3VO4. Os resultados de microscopia de fluorescência demonstraram que todos os compostos testados possuem um efeito imediato ao nível da produção de energia celular, afectando o potencial de membrana. Por último, os ensaios de competição entre substratos demonstraram a existência de um efeito sinérgico, nomeadamente com tetraciclina e ofloxacina, uma vez que permitiram a retenção de mais brometo de etídeo no interior das células. Os resultados obtidos evidenciam a relação entre a resistência aos antibióticos por efluxo activo em E. coli, em particular pelo sistema AcrAB-TolC, e a sua dependência de energia fornecida pela hidrólise de ATP. Deste modo, podemos concluir que os inibidores de efluxo podem ser potenciais alvos para o desenvolvimento de novas terapias no combate à resistência em E. coli.

Caracterização bioquímica de metaloproteinases de parasitas tripanosomatídeos

A identificação e caracterização de processos mediados por metaloproteinases de uma grande variedade de eucariotas está a avançar rapidamente, tanto a nível molecular como celular – e os muitos papéis que as proteases desempenham nestes organismos estão a ser trazidas para o foco. As metaloproteinases de matriz executam tarefas de ―housekeeping” comuns a muitos organismos, bem como funcionam a um nível muito mais específico no ciclo de vida dos parasitas, por exemplo. Papéis pivotais foram propostos em diferentes processos, como invasão e egressão de células, enquistação e desenquistação, catabolismo de proteínas, diferenciação, progressão do ciclo celular, citoaderência, e ainda estimulação e evasão ao sistema imune. No presente estudo, é feito o reconhecimento e a caracterização de metaloproteinases de dois diferentes extractos de parasitas protozoários: Trypanosoma brucei brucei e Leishmania infantum. A classificação de metaloproteases foi obtida a partir da inibição diferencial da actividade destas proteases sobre diferentes substratos (gelatina e caseína), tendo sido efectuada uma prospecção de inibidores selectivos com potencial para serem empregues em novas estratégias de quimioterâpeutica contra estes agentes. Adicionalmente, é feito um estudo bioinformático sobre uma metaloproteinase comum aos parasitas aqui abordados, alargando o estudo a outros organismos relacionados. Os resultados obtidos demonstram a presença de metaloproteinases capazes de degradar proteínas de matriz em ambos os extractos estudados, sendo possível inibir a sua actividade com concentrações relativamente moderadas de inibidores. Além disso, sugerem que em todos os eventos patológicos abordados neste estudo, a presença de metaloproteinases activas é estável no seu ciclo de vida e provavelmente na progressão da patologia provocada pelos diferentes agentes em estudo. A análise de todos os resultados e observações poderá possivelmente levar à identificação e integração de elementos comuns nos processos de invasão celular e progressão parasitária aqui abordados. Por essa razão, a compreensão destas interacções permanece um desafio importante.

Histoplasmose

A histoplasmose é uma micose causada por fungo dimórfico, o Histoplasma capsulatum. É considerada classicamente uma micose endêmica, embora o fungo tenha um comportamento oportunístico em pacientes com depressão da imunidade celular. O homem adquire a infecção através da inalação de conídeos presentes na natureza (cavernas com morcegos, galinheiros, etc). O quadro clínico pode variar, desde infecções assintomáticas até quadros graves disseminados, que acometem pacientes com Aids, transplantados ou com neoplasias hematológicas. O diagnóstico baseia-se no encontro do fungo em fluidos orgânicos (escarro, sangue, líquor) ou tecidos (histopatologia), na cultura de materiais biológicos e na sorologia. O tratamento das formas agudas graves, respiratória crônica ou de formas localizadas pode ser feito com azólicos orais (itraconazol) e nas disseminadas, a Anfotericina B (preferencialmente as formulações lipídicas) constitui a droga da eleição para iniciar a terapia. A histoplasmose representa, hoje uma das micoses sistêmicas mais importantes nas Américas, com ampla distribuição em todas as regiões do Brasil.

Pesquisa de Rickettsia spp em carrapatos Amblyomma cajennense e Amblyomma dubitatum no Estado de São Paulo

Foi pesquisada a presença de riquétsias em 3.545 carrapatos Amblyomma cajennense e 2.666 Amblyomma dubitatum. Através do teste de hemolinfa, reação em cadeia pela polimerase e isolamento de rickettsia em cultivo celular, todos os Amblyomma cajennense foram negativos, sendo que 634 (23,8%) Amblyomma dubitatum mostraram-se infectados com Rickettsia bellii.

Melanosome transfer between melanocytes and keratinocytes

RESUMO: A pele é o maior órgão do corpo humano e a sua pigmentação é essencial para a sua coloração e proteção contra os efeitos nocivos da radiação ultravioleta (UV). A pigmentação da pele resulta essencialmente de três processos: a síntese e o armazenamento de melanina pelos melanócitos, em organelos especializados denominados melanossomas; o transporte dos melanossomas dentro dos melanócitos; e finalmente, a transferência dos melanossomas para os queratinócitos adjacentes. Nos queratinócitos, a melanina migra para a região perinuclear apical da célula para formar um escudo protetor,responsável pela proteção do DNA dos danos causados pela radiação UV. Os melanócitos estão localizados na camada basal da epiderme e contactam com 30-40 queratinócitos. Em conjunto, estas células formam a “unidade melano-epidérmica”. Apesar dos processos de síntese e transporte de melanina nos melanócitos estarem bastante bem caracterizados, os mecanismos moleculares subjacentes à transferência inter-celular de melanina são menos conhecidos e ainda controversos. Dados preliminares obtidos pelo nosso grupo, que se basearam na observação de amostras de pele humana por microscopia electrónica, indicam que a forma predominante de transferência de melanina na epiderme consiste na exocitose dos melanossomas pelos melanócitos e subsequente endocitose da melanina por queratinócitos. Para além disso sabe-se que as proteínas Rab, que controlam o tráfego membranar, estão envolvidas em várias etapas de pigmentação da pele, nomeadamente na biogénese e no transporte de melanina. Assim, dado o seu papel fundamental nestes processos, questionámo-nos sobre o seu envolvimento na transferência de melanina. Com este trabalho, propomo-nos a expandir o conhecimento atual sobre a transferência de melanina na pele, através do estudo detalhado dos seus mecanismos moleculares, identificando as proteínas Rab que regulam o processo. Pretendemos também confirmar o modelo de exo/endocitose como sendo o mecanismo principal de transferência de melanina. Primeiro, explorámos a regulação da secreção de melanina pelos melanócitos e analisámos o papel de proteínas Rab neste processo. Os resultados foram obtidos recorrendo a um método in vitro, desenvolvido previamente no laboratório, que avalia a quantidade de melanina segregada para o meio de cultura por espectrofotometria, e ainda por microscopia, contando o número de melanossomas transferidos para os queratinócitos. Através de co-culturas de melanócitos e queratinócitos, verificou-se que os queratinócitos estimulam a libertação de melanina dos melanócitos para o meio extra-celular, bem como a sua transferência para os queratinócitos. Além disso, a proteína Rab11b foi identificada como um regulador da exocitose de melanina e da sua transferência para os queratinócitos. De facto, a diminuição da expressão de Rab11b em melanócitos provocou a redução da secreção de melanina estimulada por queratinócitos, bem como da transferência desta. Em segundo lugar, para complementar o nosso estudo, centrámos a nossa investigação na internalização de melanina por queratinócitos. Especificamente, usando uma biblioteca de siRNA, explorámos o envolvimento de proteínas Rab na captação de melanina por queratinócitos. Como primeira abordagem, usámos esferas fluorescentes como substituto de melanina, avaliando os resultados por citometria de fluxo. No entanto, este método revelou-se ineficaz uma vez que a internalização destas esferas é independente do recetor PAR-2 (recetor 2 ativado por protease), que foi previamente descrito como essencial na captação de melanina por queratinócitos Posteriormente, foi desenvolvido um novo protocolo de endocitose baseado em microscopia, usando melanossomas sem a membrana envolvente (melanocores) purificados do meio de cultura de melanócitos, incluindo um programa informático especialmente desenhado para realizar uma análise semi-automatizada. Após internalização, os melanocores acumulam-se na região perinuclear dos queratinócitos, em estruturas que se assemelham ao escudo supranuclear observado na pele humana. Seguidamente, o envolvimento do recetor PAR-2 na captação de melanocores por queratinócitos foi confirmado, utilizando o novo protocolo de endocitose desenvolvido. Para além disso, a necessidade de quatro proteínas Rab foi identificada na internalização de melanocores por queratinócitos. A redução da expressão de Rab1a ou Rab5b em queratinócitos diminuiu significativamente o nível de internalização de melanocores, enquanto o silenciamento da expressão de Rab2a ou Rab14 aumentou a quantidade de melanocores internalizados por estas células. Em conclusão, os resultados apresentados corroboram as observações anteriores, obtidas em amostras de pele humana, e sugerem que o mecanismo de transferência predominante é a exocitose de melanina pelos melanócitos, induzida por queratinócitos, seguida por endocitose pelos queratinócitos. A pigmentação da pele tem implicações tanto ao nível da cosmética, como ao nível médico, relacionadas com foto-envelhecimento e com doenças pigmentares. Assim sendo, ao esclarecer quais os mecanismos moleculares que regulam a transferência de melanina na pele, este trabalho pode conduzir ao desenvolvimento de novas estratégias para modular a pigmentação da pele.----------------ABSTRACT: Skin pigmentation is achieved through the highly regulated production of the pigment melanin in specialized organelles, termed melanosomes within melanocytes. These are transported from their site of synthesis to the melanocyte periphery before being transferred to keratinocytes where melanin forms a supra-nuclear cap to protect the DNA from UVinduced damage. Together, melanocytes and keratinocytes form a functional complex, termed “epidermal-melanin unit”, that confers color and photoprotective properties to the skin. Skin pigmentation requires three processes: the biogenesis of melanin; its intracelular transport within the melanocyte to the cell periphery; and the melanin transfer to keratinocytes. The first two processes have been extensively characterized. However, despite significant advances that have been made over the past few years, the mechanisms underlying inter-cellular transfer of pigment from melanocytes to keratinocytes remain controversial.Preliminary studies from our group using electron microscopy and human skin samples found evidence for a mechanism of coupled exocytosis-endocytosis. Rab GTPases are master regulators of intracellular trafficking and have already been implicated in several steps of skin pigmentation. Thus, we proposed to explore and characterize the molecular mechanisms of melanin transfer and the role of Rab GTPases in this process. Moreover, we investigated whether the exo/endocytosis model is the main mechanism of melanin transfer. We first focused on melanin exocytosis by melanocytes. Then, we started to investigate the key regulatory Rab proteins involved in this step by establishing an in vitro tissue culture model of melanin secretion. Using co-cultures of melanocytes and keratinocytes, we found that keratinocytes stimulate melanin release and transfer. Moreover, depletion of Rab11b decreases keratinocyte-induced melanin exocytosis by melanocytes. In order to determine whether melanin exocytosis is a predominant mechanism of melanin transfer, the amount of melanin transferred to keratinocytes was then assayed in conditions where melanin exocytosis was inhibited. Indeed, Rab11b depletion resulted in a significant decrease in melanin uptake by keratinocytes. Taken together, these observations suggest that Rab11b mediates melanosome exocytosis from melanocytes and transfer to keratinocytes. To complement and extend our study, we of melanin by keratinocytes. Thus, we aimed to explore the effect of depleting Rab GTPases on melanin uptake and trafficking within keratinocytes. As a first approach, we used fluorescent microspheres as a melanin surrogate. However, the uptake of microspheres was observed to be independent of PAR-2, a receptor that is required for melanin uptakecentred our attention in the internalization of melanin by keratinocytes. Thus, we aimed to explore the effect of depleting Rab GTPases on melanin uptake and trafficking within keratinocytes. As a first approach, we used fluorescent microspheres as a melanin surrogate. However, the uptake of microspheres was observed to be independent of PAR-2, a receptor that is required for melanin uptake.Therefore, we concluded that microspheres were uptaken by keratinocytes through a different pathway than melanin. Subsequently, we developed a microscopy-based endocytosis assay using purified melanocores (melanosomes lacking the limiting membrane) from melanocytes, including a program to perform a semi-automated analysis. Melanocores are taken up by keratinocytes and accumulate in structures in the perinuclear area that resemble the physiological supranuclear cap observed in human skin. We then confirmed the involvement of PAR-2 receptor in the uptake of melanocores by keratinocytes, using the newly developed assay. Furthermore, we identified the role of four Rab GTPases on the uptake of melanocores by keratinocytes. Depletion of Rab1a and Rab5b from keratinocytes significantly reduced the uptake of melanocores, whereas Rab2a, and Rab14 silencing increased the amount the melanocores internalized by XB2 keratinocytes. In conclusion, we present evidence supporting keratinocyte-inducedmelanosome exocytosis from melanocytes, followed by endocytosis of the melanin core by keratinocytes as the predominant mechanism of melanin transfer in skin. Although advances have been made, there is a need for more effective and safer therapies directed at pigmentation disorders and also treatments for cosmetic applications. Hence, the understanding of the above mechanisms of skin pigmentation will lead to a greater appreciation of the molecular machinery underlying human skin pigmentation and could interest the pharmaceutical and cosmetic industries.

Transcriptional regulation of the mannosyltransferase-encoding gene pigm in inherited glycosylphosphatidylinositol (GPI) deficiency

RESUMO:O glicosilfosfatidilinositol (GPI) é um complexo glicolipídico utlizado por dezenas de proteínas, o qual medeia a sua ancoragem à superfície da célula. Proteínas de superfície celular ancoradas a GPI apresentam várias funções essenciais para a manutenção celular. A deficiência na síntese de GPI é o que caracteriza principalmente a deficiência hereditária em GPI, um grupo de doenças autossómicas raras que resultam de mutações nos genes PIGA, PIGL, PIGM, PIGV, PIGN, PIGO e PIGT, os quais sao indispensáveis para a biossíntese do GPI. Uma mutação pontual no motivo rico em GC -270 no promotor de PIGM impede a ligação do factor de transcrição (FT) Sp1 à sua sequência de reconhecimento, impondo a compactação da cromatina, associada à hipoacetilação de histonas, e consequentemente, impedindo a transcrição de PIGM. Desta forma, a adição da primeira manose ao GPI é comprometida, a síntese de GPI diminui assim como as proteínas ligadas a GPI à superficie das células. Pacientes com Deficiência Hereditária em GPI-associada a PIGM apresentam trombose e epilesia, e ausência de hemólise intravascular e anemia, sendo que estas duas últimas características definem a Hemoglobinúria Paroxística Nocturna (HPN), uma doença rara causada por mutações no gene PIGA. Embora a mutação que causa IGD seja constitutiva e esteja presente em todos os tecidos, o grau de deficiência em GPI varia entre células do mesmo tecido e entre células de tecidos diferentes. Por exemplo nos granulócitos e linfócitos B a deficiência em GPI é muito acentuada mas nos linfócitos T, fibroblastos, plaquetas e eritrócitos é aproximadamente normal, daí a ausência de hemólise intravascular. Os eventos transcricionais que estão na base da expressão diferencial da âncora GPI nas células hematopoiéticas são desconhecidos e constituem o objectivo geral desta tese. Em primeiro lugar, os resultados demonstraram que os níveis de PIGM mRNA variam entre células primárias hematopoiéticas normais. Adicionalmente, a configuração dos nucleossomas no promotor de PIGM é mais compacta em células B do que em células eritróides e tal está correlacionado com os níveis de expressão de PIGM, isto é, inferior nas células B. A presença de vários motivos de ligação para o FT específico da linhagem megacariocítica-eritróide GATA-1 no promotor de PIGM sugeriu que GATA-1 desempenha um papel regulador na sua transcrição. Os resultados mostraram que muito possivelmente GATA-1 desempenha um papel repressor em vez de activador da expressão de PIGM. Resultados preliminares sugerem que KLF1, um factor de transcrição restritamente eritróide, regula a transcrição de PIGM independentemente do motivo -270GC. Em segundo lugar, a investigação do papel dos FTs Sp demonstrou que Sp1 medeia directamente a transcrição de PIGM em ambas as células B e eritróide. Curiosamente, ao contrário do que acontece nas células B, em que a transcrição de PIGM requer a ligação do FT geral Sp1 ao motivo -270GC, nas células eritróides Sp1 regula a transcrição de PIGM ao ligar-se a montante e não ao motivo -270GC. Para além disso, demonstrou-se que Sp2 não é um regulador directo da transcrição de PIGM quer nas células B quer nas células eritróides. Estes resultados explicam a ausência de hemólise intravascular nos doentes com IGD associada a PIGM, uma das principais características que define a HPN. Por último, resultados preliminares mostraram que a repressão da transcrição de PIGM devida à mutação patogénica -270C>G está associada com a diminuição da frequência de interacções genómicas em cis entre PIGM e os seus genes “vizinhos”, sugerindo adicionalmente que a regulação de PIGM e desses genes é partilhada. No seu conjunto, os resultados apresentados nesta tese contribuem para o conhecimento do controlo transcricional de um gene housekeeping, específico-detecido, por meio de FTs genéricos e específicos de linhagem.-------------ABSTRACTC: Glycosylphosphatidylinositol (GPI) is a complex glycolipid used by dozens of proteins for cell surface anchoring. GPI-anchored proteins have various functions that are essential for the cellular maintenance. Defective GPI biosynthesis is the hallmark of inherited GPI deficiency (IGD), a group of rare autosomal diseases caused by mutations in PIGA, PIGL, PIGM, PIGV, PIGN, PIGO and PIGT, all genes indispensable for GPI biosynthesis. A point mutation in the -270GC-rich box in the core promoter of PIGM disrupts binding of the transcription factor (TF) Sp1 to it, imposing nucleosome compaction associated with histone hypoacetylation, thus abrogating transcription of PIGM. As a consequence of PIGM transcriptional repression, addition of the first mannose residue onto the GPI core and thus GPI production are impaired; and expression of GPI-anchored proteins on the surface of cells is severely impaired. Patients with PIGM-associated IGD suffer from life-threatening thrombosis and epilepsy but not intravascular haemolysis and anaemia, two defining features of paroxysmal nocturnal haemoglobinuria (PNH), a rare disease caused by somatic mutations in PIGA. Although the disease-causing mutation in IGD is constitutional and present in all tissues, the degree of GPI deficiency is variable and differs between cells of the same and of different tissues. Accordingly, GPI deficiency is severe in granulocytes and B cells but mild in T cells, fibroblasts, platelets and erythrocytes, hence the lack of intravascular haemolysis.The transcriptional events underlying differential expression of GPI in the haematopoietic cells of PIG-M-associated IGD are not known and constitute the general aim of this thesis. Firstly, I found that PIGM mRNA levels are variable amongst normal primary haematopoietic cells. In addition, the nucleosome configuration in the promoter of PIGM is more compacted in B cells than in erythroid cells and this correlated with the levels of PIGM mRNA expression, i.e., lower in B cells. The presence of several binding sites for GATA-1, a mega-erythroid lineage-specific transcription factor (TF), at the PIGM promoter suggested that GATA-1 has a role on PIGM transcription. My results showed that GATA-1 in erythroid cells is most likely a repressor rather than an activator of PIGM expression. Preliminary data suggested that KLF1, an erythroid-specific TF, regulates PIGM transcription but independently of the -270GC motif. Secondly, investigation of the role of the Sp TFs showed that Sp1 directly mediates PIGM transcriptional regulation in both B and erythroid cells. However, unlike in B cells in which active PIGM transcription requires binding of the generic TF Sp1 to the -270GC-rich box, in erythroid cells, Sp1 regulates PIGM transcription by binding upstream of but not to the -270GC-rich motif. Additionally, I showed that Sp2 is not a direct regulator of PIGM transcription in B and erythroid cells. These findings explain lack of intravascular haemolysis in PIGM-associated IGD, a defining feature of PNH. Lastly, preliminary work shows that transcriptional repression of PIG-M by the pathogenic -270C>G mutation is associated with reduced frequency of in cis genomic interactions between PIGM and its neighbouring genes, suggesting a shared regulatory link between these genes and PIGM. Altogether, the results presented in this thesis provide novel insights into tissuespecific transcriptional control of a housekeeping gene by lineage-specific and generic TFs.

Hydroxyapatite porous structures for bone tissue engineering

Esta dissertação teve como objetivo o desenvolvimento de espumas porosas de hidroxiapatite (HA) baseadas em réplicas invertidas de cristais coloidais (ICC) para substituição óssea. Um ICC é uma estrutura tridimensional de elevada porosidade que apresenta uma rede interconectada de poros com elevada uniformidade de tamanhos. Este tipo de arquitetura possibilita uma proliferação celular homogénea e superiores propriedades mecânicas quando comparada com espumas de geometria não uniforme. O cristal coloidal (CC) - o molde da espuma - foi criado por empacotamento de microesferas de poliestireno (270 μm) produzidas por microfluídica e posterior tratamento térmico. O molde foi impregnado com um gel de hidroxiapatite produzido via sol-gel utilizando pentóxido de fósforo e nitrato de cálcio tetrahidratado como percursores de fósforo e cálcio, respectivamente. A espuma cerâmica foi obtida num único passo depois de um tratamento térmico a 1100oC que permitiu a solidificação do gel e a remoção do CC. A análise por espetroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) e difração de raios-X (XRD) revelou uma hidroxiapatite carbonatada tipo A com presença de fosfatos tricálcicos. As propriedades mecânicas foram avaliadas por testes de compressão. A biocompatibilidade in vitro foi demonstrada através de testes de adesão e proliferação celular de osteoblastos.

Desenvolvimento de um sensor colorimétrico em papel para a deteção de bactérias eletroquimicamente ativas

Bactérias eletroquimicamente ativas possuem a capacidade de transferir eletrões extracelularmente, durante a respiração celular. Esta característica tem sido atualmente explorada para aplicação na produção de eletricidade, tratamento de águas residuais, biorremediação e em diversas áreas da biotecnologia, onde a transferência eletrónica ocorre na presença de aceitadores insolúveis (tais como, óxidos metálicos e ânodos metálicos). Contudo, o número de espécies identificadas, isoladas e caracterizadas até à data é bastante reduzido. Os métodos atualmente disponíveis para deteção de bactérias eletroquimicamente ativas são morosos, dispendiosos e complexos de operar, tornando-se necessário o desenvolvimento de outros métodos mais rápidos, simples e menos dispendiosos que auxiliem na otimização das aplicações mencionadas. O objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento de um sensor colorimétrico de papel utilizando um material eletrocrómico, trióxido de tungsténio, como camada ativa para a deteção destas bactérias. Para isso, foram definidos no papel poços delimitados por barreiras hidrofóbicas, através da impressão e difusão de uma camada de cera. As várias amostras de nanopartículas de WO3, sintetizadas por um método hidrotermal assistido por micro-ondas, foram depositadas nos poços por drop casting. As nanopartículas com estrutura cristalográfica hexagonal, impregnadas no sensor de papel, foram capazes de detetar com sucesso uma bactéria eletroquimicamente ativa, Geobacter sulfurreducens, desde uma fase de crescimento bastante inicial (Abs600 nm = 0,1, correspondente a 0,07 g/L com um rácio RGB de 1,10 ± 0,040) até à fase exponencial-tardia (Abs600 nm = 0,5, correspondente a 0,33 g/L com um rácio RGB de 1,33 ± 0,005), com P <0,0001. O sensor de papel e respetivo método de deteção colorimétrico desenvolvido neste trabalho, revelou ser sensível e específico à deteção destas bactérias, de uma forma rápida, simples e pouco dispendiosa.