Synergism between UV-B radiation and a pathogen magnifies amphibian embryo mortality in nature.

Previous research has shown that amphibians have differential sensitivity to ultraviolet-B (UV-B) radiation. In some species, ambient levels of UV-B radiation cause embryonic mortality in nature. The detrimental effects of UV-B alone or with other agents may ultimately affect amphibians at the population level. Here, we experimentally demonstrate a synergistic effect between UV-B radiation and a pathogenic fungus in the field that increases the mortality of amphibian embryos compared with either factor alone. Studies investigating single factors for causes of amphibian egg mortality or population declines may not reveal the complex factors involved in declines.

An alternatively spliced form of the transcription factor Sp1 containing only a single glutamine-rich transactivation domain.

Protein-protein interactions involving specific transactivation domains play a central role in gene transcription and its regulation. The promoter-specific transcription factor Sp1 contains two glutamine-rich transcriptional activation domains (A and B) that mediate direct interactions with the transcription factor TFIID complex associated with RNA polymerase II and synergistic effects involving multiple Sp1 molecules. In the present study, we report the complementary DNA sequence for an alternatively spliced form of mouse Sp1 (mSp1-S) that lacks one of the two glutamine-rich activation regions present in the full-length protein. Corresponding transcripts were identified in mouse tissues and cell lines, and an Sp1-related protein identical in size to that predicted for mSp1-S was detected in mouse nuclear extracts. Cotransfection analysis revealed that mSp1-S lacks appreciable activity at promoters containing a single Sp1 response element but is active when multiple Sp1 sites are present, suggesting synergistic interactions between multiple mSp1-S molecules. The absence of a single glutamine-rich domain does not fully explain the properties of the smaller protein and indicates that additional structural features account for its unique transcriptional activity. The functional implications of this alternatively spliced form of Sp1 are discussed.

Electrophile and antioxidant regulation of enzymes that detoxify carcinogens.

Detoxication (phase 2) enzymes, such as glutathione S-transferases (GSTs), NAD(P)H:(quinone-acceptor) oxidoreductase (QR), and UDP-glucuronsyltransferase, are induced in animal cells exposed to a variety of electrophilic compounds and phenolic antioxidants. Induction protects against the toxic and neoplastic effects of carcinogens and is mediated by activation of upstream electrophile-responsive/antioxidant-responsive elements (EpRE/ARE). The mechanism of activation of these enhancers was analyzed by transient gene expression of growth hormone reporter constructs containing a 41-bp region derived from the mouse GST Ya gene 5'-upstream region that contains the EpRE/ARE element and of constructs in which this element was replaced with either one or two consensus phorbol 12-tetradecanoate 13-acetate (TPA)-responsive elements (TREs). When these three constructs were compared in Hep G2 (human) and Hepa 1c1c7 (murine) hepatoma cells, the wild-type sequence was highly activated by diverse inducers, including tert-butylhydroquinone, Michael reaction acceptors, 1,2-dithiole-3-thione, sulforaphane,2,3-dimercapto-1-propanol, HgCl2, sodium arsenite, and phenylarsine oxide. In contrast, constructs with consensus TRE sites were not induced significantly. TPA in combination with these compounds led to additive or synergistic inductions of the EpRE/ARE construct, but induction of the TRE construct was similar to that induced by TPA alone. Transfection of the EpRE/ARE reporter construct into F9 cells, which lack endogenous TRE-binding proteins, produced large inductions by the same compounds, which also induced QR activity in these cells. We conclude that activation of the EpRE/ARE by electrophile and antioxidant inducers is mediated by EpRE/ARE-specific proteins.

Disparate actions of hydroxyurea in potentiation of purine and pyrimidine 2',3'-dideoxynucleoside activities against replication of human immunodeficiency virus.

We and other groups have recently reported the potentiation by ribonucleotide reductase inhibitors such as hydroxyurea of the anti-human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) activity of purine and pyrimidine 2',3'-dideoxynucleosides in both resting and phytohemagglutinin-stimulated peripheral blood mononuclear cells. Little agreement prevails, however, as to the mechanism of the synergistic effects described. We report here that in phytohemagglutinin-stimulated peripheral blood mononuclear cells, two mechanisms exist for the potentiation of the anti-HIV-1 activity by low-dose hydroxyurea of the purine-based dideoxynucleoside 2',3'-dideoxyinosine and the pyrimidine-based dideoxynucleosides 3'-azido-3'-deoxythymidine and 2',3'-dideoxycytidine. For 2',3'-dideoxyinosine, the enhancement arises from a specific depletion of dATP by hydroxyurea, resulting in a favorable shift of the 2',3'-dideoxyadenosine 5'-triphosphate/dATP ratio. For the pyrimidine dideoxynucleosides 3'-azido-3'-deoxythymidine and 2',3'-dideoxycytidine, the more modest anti-HIV enhancement results from hydroxyurea-induced increases of pyrimidine kinase activities in the salvage pathway and, hence, increased 5'-phosphorylation of these drugs, while depletion of the corresponding deoxynucleoside 5'-triphosphates (dTTP and dCTP) plays no significant role.

A single GAL4 dimer can maximally activate transcription under physiological conditions.

Most eukaryotic promoters contain multiple binding sites for one or more transcriptional activators that interact in a synergistic manner. A common view is that synergism is a manifestation of the need for many contacts between activators and the general transcription machinery that a single activator presumably cannot fulfill. In this model, various combinations of protein-protein interactions control the level of gene expression. However, we show here that under physiological conditions, a single binding site and presumably GAL4 can activate transcription to the maximum possible level in vivo. Synergistic effects in this natural system are shown to be consistent with cooperative DNA binding. These results point to DNA occupancy as the major element in fine tuning gene expression in the galactose regulon.

Pharmacological modulation of heat shock factor 1 by antiinflammatory drugs results in protection against stress-induced cellular damage.

The activation of heat shock genes by diverse forms of environmental and physiological stress has been implicated in a number of human diseases, including ischemic damage, reperfusion injury, infection, neurodegeneration, and inflammation. The enhanced levels of heat shock proteins and molecular chaperones have broad cytoprotective effects against acute lethal exposures to stress. Here, we show that the potent antiinflammatory drug indomethacin activates the DNA-binding activity of human heat shock transcription factor 1 (HSF1). Perhaps relevant to its pharmacological use, indomethacin pretreatment lowers the temperature threshold of HSF1 activation, such that a complete heat shock response can be attained at temperatures that are by themselves insufficient. The synergistic effect of indomethacin and elevated temperature is biologically relevant and results in the protection of cells against exposure to cytotoxic conditions.

Transcription regulation by inflexibility of promoter DNA in a looped complex.

The gal operon of Escherichia coli is negatively regulated by repressor binding to bipartite operators separated by 11 helical turns of DNA. Synergistic binding of repressor to separate sites on DNA results in looping, with the intervening DNA as a topologically closed domain containing the two promoters. A closed DNA loop of 11 helical turns, which is in-flexible to torsional changes, disables the promoters either by resisting DNA unwinding needed for open complex formation or by impeding the processive DNA contacts by an RNA polymerase in flux during transcription initiation. Interaction between two proteins bound to different sites on DNA modulating the activity of the intervening segment toward other proteins by allostery may be a common mechanism of regulation in DNA-multiprotein complexes.

Convergent and parallel activation of low-conductance potassium channels by calcium and cAMP-dependent protein kinase.

K+ channels, which have been linked to regulation of electrogenic solute transport as well as Ca2+ influx, represent a locus in hepatocytes for the concerted actions of hormones that employ Ca2+ and cAMP as intracellular messengers. Despite considerable study, the single-channel basis for synergistic effects of Ca2+ and cAMP on hepatocellular K+ conductance is not well understood. To address this question, patch-clamp recording techniques were applied to a model liver cell line, HTC hepatoma cells. Increasing the cytosolic Ca2+ concentration ([Ca2+]i) in HTC cells, either by activation of purinergic receptors with ATP or by inhibition of intracellular Ca2+ sequestration with thapsigargin, activated low-conductance (9-pS) K+ channels. Studies with excised membrane patches suggested that these channels were directly activated by Ca2+. Exposure of HTC cells to a permeant cAMP analog, 8-(4-chlorophenylthio)-cAMP, also activated 9-pS K+ channels but did not change [Ca2+]i. In excised membrane patches, cAMP-dependent protein kinase (the downstream effector of cAMP) activated K+ channels with conductance and selectivity identical to those of channels activated by Ca2+. In addition, cAMP-dependent protein kinase activated a distinct K+ channel type (5 pS). These data represent the differential regulation of low-conductance K+ channels by signaling pathways mediated by Ca2+ and cAMP. Moreover, since low-conductance Ca(2+)-activated K+ channels have been identified in a variety of cell types, these findings suggest that differential regulation of K+ channels by hormones with distinct signaling pathways may provide a mechanism for hormonal control of solute transport and Ca(2+)-dependent cellular functions in the liver as well as other nonexcitable tissues.

Grasshopper crop and midgut extract effects on plants: an example of reward feedback.

Acid extracts and a resultant fraction from solid-phase extraction (SPE) of Romalea guttata crop and midgut tissues induce sorghum (Sorghum bicolor var. Rio) coleoptile growth in 24-h incubations an average of 49% above untreated controls. When combined with plant auxin, indole-3-acetic acid (IAA), the SPE fraction shows a synergistic reaction, yielding increases in coleoptile growth that average 295% above untreated controls and 8% above IAA standards. The interaction lowered the point of maximum sensitivity of IAA 3 orders of magnitude, resulting in a new IAA physiological set point at 10(-7) g/ml. This synergism suggests that contents in animal regurgitants making their way into plant tissue during feeding may produce a positive feedback in plant growth and development following herbivory. Such a process, also known as reward feedback, may exert major controls on ecosystem-level relationships in nature.

Overexpression of the c-Myc oncoprotein blocks the growth-inhibitory response but is required for the mitogenic effects of transforming growth factor beta 1.

One of the more intriguing aspects of transforming growth factor beta 1 (TGF beta 1) is its ability to function as both a mitogenic factor for certain mesenchymal cells and a potent growth inhibitor of lymphoid, endothelial, and epithelial cells. Data are presented indicating that c-myc may play a pivotal role in both the mitogenic and antiproliferative actions of TGF beta 1. In agreement with previous studies using C3H/10T1/2 fibroblasts constitutively expressing an exogenous c-myc cDNA, we show that AKR-2B fibroblasts expressing a chimeric estrogen-inducible form of c-myc (mycER) are able to form colonies in soft agar in the presence of TGF beta 1 only when c-myc is activated by hormone. Whereas these findings support a synergistic role for c-myc in mitogenic responses to TGF beta 1, we also find that c-myc can antagonize the growth-inhibitory response to TGF beta 1. Mouse keratinocytes (BALB/MK), which are normally growth-arrested by TGF beta 1, are rendered insensitive to the growth-inhibitory effects of TGF beta 1 upon mycER activation. This ability of mycER activation to block TGF beta 1-induced growth arrest was found to occur only when the fusion protein was induced with hormone in the early part of G1. Addition of estradiol late in G1 had no suppressive effect on TGF beta 1-induced growth inhibition.

Alterazione della proteostasi a livello del reticolo endoplasmatico: un potenziale target terapeutico nel carcinoma prostatico

Nel sesso maschile il carcinoma della prostata (CaP) è la neoplasia più frequente ed è tra le prime cause di morte per tumore. Ad oggi, sono disponibili diverse strategie terapeutiche per il trattamento del CaP, ma, come comprovato dall’ancora alta mortalità, spesso queste sono inefficaci, a causa soprattutto dello sviluppo di fenomeni di resistenza da parte delle cellule tumorali. La ricerca si sta quindi focalizzando sulla caratterizzazione di tali meccanismi di resistenza e, allo stesso tempo, sull’individuazione di combinazioni terapeutiche che siano più efficaci e capaci di superare queste resistenze. Le cellule tumorali sono fortemente dipendenti dai meccanismi connessi con l’omeostasi proteica (proteostasi), in quanto sono sottoposte a numerosi stress ambientali (ipossia, carenza di nutrienti, esposizione a chemioterapici, ecc.) e ad un’aumentata attività trascrizionale, entrambi fattori che causano un accumulo intracellulare di proteine anomale e/o mal ripiegate, le quali possono risultare dannose per la cellula e vanno quindi riparate o eliminate efficientemente. La cellula ha sviluppato diversi sistemi di controllo di qualità delle proteine, tra cui gli chaperon molecolari, il sistema di degradazione associato al reticolo endoplasmatico (ERAD), il sistema di risposta alle proteine non ripiegate (UPR) e i sistemi di degradazione come il proteasoma e l’autofagia. Uno dei possibili bersagli in cellule tumorali secretorie, come quelle del CaP, è rappresentato dal reticolo endoplasmatico (RE), organello intracellulare deputato alla sintesi, al ripiegamento e alle modificazioni post-traduzionali delle proteine di membrana e secrete. Alterazioni della protestasi a livello del RE inducono l’UPR, che svolge una duplice funzione nella cellula: primariamente funge da meccanismo omeostatico e di sopravvivenza, ma, quando l’omeostasi non è più ripristinabile e lo stimolo di attivazione dell’UPR cronicizza, può attivare vie di segnalazione che conducono alla morte cellulare programmata. La bivalenza, tipica dell’UPR, lo rende un bersaglio particolarmente interessante per promuovere la morte delle cellule tumorali: si può, infatti, sfruttare da una parte l’inibizione di componenti dell’UPR per abrogare i meccanismi adattativi e di sopravvivenza e dall’altra si può favorire il sovraccarico dell’UPR con conseguente induzione della via pro-apoptotica. Le catechine del tè verde sono composti polifenolici estratti dalle foglie di Camellia sinesis che possiedono comprovati effetti antitumorali: inibiscono la proliferazione, inducono la morte di cellule neoplastiche e riducono l’angiogenesi, l’invasione e la metastatizzazione di diversi tipi tumorali, tra cui il CaP. Diversi studi hanno osservato come il RE sia uno dei bersagli molecolari delle catechine del tè verde. In particolare, recenti studi del nostro gruppo di ricerca hanno messo in evidenza come il Polyphenon E (estratto standardizzato di catechine del tè verde) sia in grado, in modelli animali di CaP, di causare un’alterazione strutturale del RE e del Golgi, un deficit del processamento delle proteine secretorie e la conseguente induzione di uno stato di stress del RE, il quale causa a sua volta l’attivazione delle vie di segnalazione dell’UPR. Nel presente studio su due diverse linee cellulari di CaP (LNCaP e DU145) e in un nostro precedente studio su altre due linee cellulari (PNT1a e PC3) è stato confermato che il Polyphenon E è capace di indurre lo stress del RE e di determinare l’attivazione delle vie di segnalazione dell’UPR, le quali possono fungere da meccanismo di sopravvivenza, ma anche contribuire a favorire la morte cellulare indotta dalle catechine del tè verde (come nel caso delle PC3). Considerati questi effetti delle catechine del tè verde in qualità di induttori dell’UPR, abbiamo ipotizzato che la combinazione di questi polifenoli bioattivi e degli inibitori del proteasoma, anch’essi noti attivatori dell’UPR, potesse comportare un aggravamento dell’UPR stesso tale da innescare meccanismi molecolari di morte cellulare programmata. Abbiamo quindi studiato l’effetto di tale combinazione in cellule PC3 trattate con epigallocatechina-3-gallato (EGCG, la principale tra le catechine del tè verde) e due diversi inibitori del proteasoma, il bortezomib (BZM) e l’MG132. I risultati hanno dimostrato, diversamente da quanto ipotizzato, che l’EGCG quando associato agli inibitori del proteasoma non produce effetti sinergici, ma che anzi, quando viene addizionato al BZM, causa una risposta simil-antagonistica: si osserva infatti una riduzione della citotossicità e dell’effetto inibitorio sul proteasoma (accumulo di proteine poliubiquitinate) indotti dal BZM, inoltre anche l’induzione dell’UPR (aumento di GRP78, p-eIF2α, CHOP) risulta ridotta nelle cellule trattate con la combinazione di EGCG e BZM rispetto alle cellule trattate col solo BZM. Gli stessi effetti non si osservano invece nelle cellule PC3 trattate con l’EGCG in associazione con l’MG132, dove non si registra alcuna variazione dei parametri di vitalità cellulare e dei marcatori di inibizione del proteasoma e di UPR (rispetto a quelli osservati nel singolo trattamento con MG132). Essendo l’autofagia un meccanismo compensativo che si attiva in seguito all’inibizione del proteasoma o allo stress del RE, abbiamo valutato che ruolo potesse avere tale meccanismo nella risposta simil-antagonistica osservata in seguito al co-trattamento con EGCG e BZM. I nostri risultati hanno evidenziato, in cellule trattate con BZM, l’attivazione di un flusso autofagico che si intensifica quando viene addizionato l’EGCG. Tramite l’inibizione dell’autofagia mediante co-somministrazione di clorochina, è stato possibile stabilire che l’autofagia indotta dall’EGCG favorisce la sopravvivenza delle cellule sottoposte al trattamento combinato tramite la riduzione dell’UPR. Queste evidenze ci portano a concludere che per il trattamento del CaP è sconsigliabile associare le catechine del tè verde con il BZM e che in futuri studi di combinazione di questi polifenoli con composti antitumorali sarà importante valutare il ruolo dell’autofagia come possibile meccanismo di resistenza.

Efeitos dos agrotóxicos Kraft®36EC e Score®250EC (e seus princípios ativos) em ecossistemas aquáticos: análises comparativas e ecossistêmicas

Com o advento da agricultura ampliou-se a produção alimentar e os bens de consumo, no entanto, os riscos ambientais também foram maximizados em função da adoção de técnicas produtivas baseadas no uso intensivo de insumos agrícolas. Esta problemática é mundial, embora mais evidenciada nos países em desenvolvimento e que tem, na produção agrícola, a base de sua economia. O Brasil enquadra-se nesta situação e desde 2009 é considerado o maior consumidor de agrotóxicos do mundo, criando um cenário de risco ambiental e de saúde humana. Os efeitos ambientais, base deste estudo, estão relacionados não somente à perda de espécies não-alvo, uma vez que os agrotóxicos não são seletivos, mas também as alterações em nível ecossistêmico, a qual se relaciona com as perdas das funções e dos serviços gerados pelos sistemas naturais. Adiciona-se a esta complexidade, a forma de ação de cada agrotóxico, a distribuição dos mesmos nos diferentes compartimentos (ar, solo e água), o período de permanência de cada um, as relações sinérgicas decorrentes das interações entre diferentes produtos, a formação de subprodutos no processo de degradação, entre outros fatores, como as diferenças existentes entre o ingrediente ativo e a formulação comercial, na qual existem os chamados ingredientes inertes em sua composição, os quais podem ser muito mais tóxicos para espécies e ecossistemas. Considerando esta abordagem, a presente pesquisa foi desenvolvida com base na realidade de um local de referência, o município de Bom Repouso (MG/BR), no qual a intensificação da produção de morango e batata tem trazido uma série de riscos sociais e ambientais. Semelhante a outras regiões produtivas do país, o uso de agrotóxicos é recorrente, amplo e irrestrito, com destaque para as formulações comerciais Kraft®36EC e Score®250EC, as quais, juntamente com seus respectivos ingredientes ativos (abamectina e difenoconazol), foram avaliadas por meio de testes de toxicidade com espécies de diferentes níveis tróficos representativas de um ecossistema aquático, gerando informações que foram avaliadas em nível de espécie e de ecossistema, simulando o cenário de aplicação dos produtos no local de referência. Os resultados obtidos permitiram concluir sobre as diferenças de sensibilidade das espécies e quais seriam as mais indicadas para se avaliar os efeitos tóxicos de ambos os agrotóxicos; os efeitos diferenciados entre a formulação comercial e os ingredientes ativos; bem como as respostas em termos de espécies e de ecossistemas, demonstrando a necessidade de que ambas as análises sejam consideradas na avaliação de risco ecológico.

Estudos de proteômica, estruturais e funcionais de proteínas envolvidas na degradação da biomassa lignocelulósica: expansinas microbianas e hidrolases de glicosídeos termofílicas

O Brasil possui uma posição privilegiada quando se refere à produção de etanol. Por questões históricas e geográficas o país é responsável por mais de 30 % da produção mundial de etanol, com uma produção nacional de mais de 28 bilhões de litros em 2014. Para maximizar o rendimento desse processo, está em desenvolvimento a tecnologia associada ao etanol de segunda geração ou etanol lignocelulósico. Os principais desafios desta tecnologia são: melhorar a eficiência de conversão do substrato em produto e a produção em grande escala utilizando substratos de baixo custo. Com o objetivo de melhorar a eficiência do processo de conversão foram estudadas proteínas auxiliares (expansinas) que, em conjunto com celulases, melhoram a despolimerização de biomassa lignocelulósica em açúcares fermentescíveis. Além disso, realizou-se também a caracterização de enzimas ativas de carboidratos (CAZymes) de origem termofílica do organismo Thermogemmatispora sp. T81, devido a capacidade que estas proteínas apresentam de manter a atividade e conformação estrutural em altas temperaturas por um prolongado período de tempo. A partir de análises utilizando bioinformática, os genes que codificam para expansinas de Xanthomonas campestris, Bacillus licheniformis e Trichoderma reesei foram clonados e expressos em E. coli, e seus produtos gênicos (as expansinas) tiveram seus índices de sinergismo (devido atuação conjunta com coquetéis comerciais) e atividade catalítica determinados. Adicionalmente, dispondo de alinhamentos estruturais, foi proposto um mecanismo hidrolítico para elas. Em relação à bactéria Thermogemmatispora sp. T81, foram realizadas análises genômicas e proteômicas, a fim de selecionar enzimas superexpressas em meio celulósico. Seus genes foram clonados heterologamente em E. coli e o produto de expressão caracterizado bioquimicamente (cromatografia, ensaios de atividade e perfil de hidrólise) e estruturalmente (SAXS e dicroísmo circular). Os índices de sinergismo determinados foram de 2,47; 1,96 e 2,44 para as expansinas de Xanthomonas campestris, Bacillus licheniformis e Trichoderma reesei, respectivamente. A partir dos alinhamentos estruturais foi proposto a díade Asp/Glu como sitio catalítico em expansinas. As análises de proteômica possibilitaram a seleção de quatro alvos de clonagem, por apresentarem alto índice de expressão quando a bactéria foi cultivada em meio celulósico. Estas proteínas foram caracterizadas quanto a atividade e apresentaram um perfil comum: temperatura ótima de ação (de 70 a 75 °C), pH ótimo de 5, e hidrolisam preferencialmente substratos hemicelulósicos (xilano). A porcentagem de estruturais secundárias das proteínas em estudo foram confirmadas com predições teóricas ao se utilizar a técnica de dicroísmo circular. Desta maneira, os objetivos iniciais propostos neste projeto foram concluídos com a determinação do grau de sinergismo das proteínas expansinas em estudo e a proposição de um mecanismo de hidrólise para as mesmas, considerando que tais proteínas por mais de 20 anos tiveram sua atividade definida exclusivamente como acessória. Além disso, este estudo contribui com a identificação e seleção de genes para CAZymes termofilícas com aplicação biotecnológica devido às propriedades termoestáveis apresentadas.