Regulation of mitochondrial division by the Drp1 receptors

Mitochondria can remodel their membranes by fusing or dividing. These processes are required for the proper development and viability of multicellular organisms. At the cellular level, fusion is important for mitochondrial Ca2+ homeostasis, mitochondrial DNA maintenance, mitochondrial membrane potential, and respiration. Mitochondrial division, which is better known as fission, is important for apoptosis, mitophagy, and for the proper allocation of mitochondria to daughter cells during cellular division.

The functions of proteins involved in fission have been best characterized in the yeast model organism Sarccharomyces cerevisiae. Mitochondrial fission in mammals has some similarities. In both systems, a cytosolic dynamin-like protein, called Dnm1 in yeast and Drp1 in mammals, must be recruited to the mitochondrial surface and polymerized to promote membrane division. Recruitment of yeast Dnm1 requires only one mitochondrial outer membrane protein, named Fis1. Fis1 is conserved in mammals, but its importance for Drp1 recruitment is minor. In mammals, three other receptor proteins—Mff, MiD49, and MiD51—play a major role in recruiting Drp1 to mitochondria. Why mammals require three additional receptors, and whether they function together or separately, are fundamental questions for understanding the mechanism of mitochondrial fission in mammals.

We have determined that Mff, MiD49, or MiD51 can function independently of one another to recruit Drp1 to mitochondria. Fis1 plays a minor role in Drp1 recruitment, suggesting that the emergence of these additional receptors has replaced the system used by yeast. Additionally, we found that Fis1/Mff and the MiDs regulate Drp1 activity differentially. Fis1 and Mff promote constitutive mitochondrial fission, whereas the MiDs activate recruited Drp1 only during loss of respiration.

To better understand the function of the MiDs, we have determined the atomic structure of the cytoplasmic domain of MiD51, and performed a structure-function analysis of MiD49 based on its homology to MiD51. MiD51 adopts a nucleotidyl transferase fold, and binds ADP as a co-factor that is essential for its function. Both MiDs contain a loop segment that is not present in other nucleotidyl transferase proteins, and this loop is used to interact with Drp1 and to recruit it to mitochondria.

Cell-targeted regulation of gene expression through synthetic RNA devices

The ability to interface with and program cellular function remains a challenging research frontier in biotechnology. Although the emerging field of synthetic biology has recently generated a variety of gene-regulatory strategies based on synthetic RNA molecules, few strategies exist through which to control such regulatory effects in response to specific exogenous or endogenous molecular signals. Here, we present the development of an engineered RNA-based device platform to detect and act on endogenous protein signals, linking these signals to the regulation of genes and thus cellular function.

We describe efforts to develop an RNA-based device framework for regulating endogenous genes in human cells. Previously developed RNA control devices have demonstrated programmable ligand-responsive genetic regulation in diverse cell types, and we attempted to adapt this class of cis-acting control elements to function in trans. We divided the device into two strands that reconstitute activity upon hybridization. Device function was optimized using an in vivo model system, and we found that device sequence is not as flexible as previously reported. After verifying the in vitro activity of our optimized design, we attempted to establish gene regulation in a human cell line using additional elements to direct device stability, structure, and localization. The significant limitations of our platform prevented endogenous gene regulation.

We next describe the development of a protein-responsive RNA-based regulatory platform. Employing various design strategies, we demonstrated functional devices that both up- and downregulate gene expression in response to a heterologous protein in a human cell line. The activity of our platform exceeded that of a similar, small-molecule-responsive platform. We demonstrated the ability of our devices to respond to both cytoplasmic- and nuclear-localized protein, providing insight into the mechanism of action and distinguishing our platform from previously described devices with more restrictive ligand localization requirements. Finally, we demonstrated the versatility of our device platform by developing a regulatory device that responds to an endogenous signaling protein.

The foundational tool we present here possesses unique advantages over previously described RNA-based gene-regulatory platforms. This genetically encoded technology may find future applications in the development of more effective diagnostic tools and targeted molecular therapy strategies.

Modelagem do potencial elétrico através da membrana do neurônio ganglionar e células de neuroblastoma: efeitos das cargas superficiais.

O objetivo do presente trabalho é comparar, do ponto de vista elétrico, a membrana do neurônio ganglionar com a da célula de neuroblastoma, analisando os efeitos das cargas fixas sobre o potencial elétrico nas superfícies da bicamada lipídica e também sobre o comportamento do perfil de potencial através da membrana, considerando as condiçõesfísico-químicas do estado de repouso e do estado de potencial de ação. As condições para a ocorrência dos referidos estados foram baseadas em valores numéricos de parâmetros elétricos e químicos, característicos dessas células, obtidos na literatura. O neurônio ganglionar exemplifica um neurônio sadio, e a célula de neuroblastoma, que é uma célula tumoral, exemplifica um neurônio patológico, alterado por esta condição. O neuroblastoma é um tumor que se origina das células da crista neural (neuroblastos), que é uma estrutura embrionária que dá origem a muitas partes do sistema nervoso, podendo surgir em diversos locais do organismo, desde a região do crânio até a área mais inferior da coluna. O modelo adotado para simular a membrana de neurônio inclui: (a) as distribuições espaciais de cargas elétricas fixas no glicocálix e na rede de proteínas citoplasmáticas; (b) as distribuições de cargas na solução eletrolítica dos meios externo e interno; e (c) as cargas superficiais da bicamada lipídica. Os resultados que obtivemos mostraram que, nos estados de repouso e de ação, os potenciais superficiais da bicamada interno (ÁSbc) e externo (ÁSgb) da célula de neuroblastoma não sofrem alteração mensurável, quando a densidade de carga na superfície interna (QSbc) torna-se 50 vezes mais negativa, tanto para uma densidade de carga na superfície externa da bicamada nula (QSgb = 0), como para um valor de QSgb 6= 0. Porém, no estado de repouso, uma leve queda em ÁSbc do neur^onio ganglionar pode ser observada com este nível de variação de carga, sendo que ÁSgb do neurônio ganglionar é mais negativo quando QSgb = 1=1100 e/A2. No estado de ação, para QSgb = 0, o aumento da negatividade de QSbc não provoca alteração detectável de ÁSbc e ÁSgb para os dois neurônios. Quando consideramos QSgb = 1=1100 e/A2, ÁSgb do neurônio ganglionar se torna mais negativo, não se observando variações detectáveis nos potenciais superficiais da célula de neuroblastoma. Tanto no repouso quanto no estado de ação, ÁSgb das duas células não sofre variação sensível com o aumento da negatividade da carga fixa distribuída espacialmente no citoplasma. Já a ÁSbc sofre uma queda gradativa nos dois tipos celulares; porém, no estado de ação, esta queda é mais rápida. Descobrimos diferenças importantes nos perfis de potencial das duas células, especialmente na região do glicocálix.

Comunicação empática de pais e filhos em situações específicas: bases evolutivas e variáveis associadas

O presente estudo pretende suprir parcialmente algumas lacunas nos estudos sobre o desenvolvimento da empatia. A primeira lacuna se refere a incluir os pais, além das mães, na pesquisa, uma vez que aqueles podem ter um papel ainda pouco explorado no desenvolvimento. A segunda se refere a abordar a empatia tanto por uma visão ontogenética como filogenética, pois ambas se complementam na compreensão das nossas capacidades e habilidades, essencialmente muito semelhantes às de nossos ancestrais no ambiente de nossa evolução. Presume-se que no ambiente de adaptação evolutiva (AAE) da nossa espécie as habilidades sociais foram importantes na resolução de conflitos e na manutenção da coesão intragrupais. A empatia, habilidade social foco desta dissertação, é definida como a capacidade de compreender e expressar compreensão sobre os pensamentos e sentimentos de outra pessoa e é uma característica da espécie que sofre desenvolvimento ontogenético, em culturas e nichos específicos de desenvolvimento. Esta dissertação tem como objetivo geral abordar a comunicação empática entre pais e mães e seus filhos pelo olhar da Psicologia Evolucionista do Desenvolvimento. Participaram deste estudo 10 crianças, entre oito e 11 anos e seus respectivos pais e mães, sendo cinco meninos e cinco meninas, todos da cidade do Rio de Janeiro. A empatia dos pais e dos filhos foi avaliada por meio de instrumentos (Inventário de Empatia e Entrevista sobre Cenas de Curta Duração), assim como as crenças parentais sobre a importância e o desenvolvimento das habilidades empáticas, por instrumento desenvolvido para este estudo (Crenças Parentais sobre Habilidades). As famílias participaram ainda de uma sessão de filmagem em três situações específicas de 10 minutos cada: jogo com peças de montar para construção conjunta de escolha livre e a representação de papéis em duas cenas do cotidiano familiar (conversar sobre um boletim da criança com notas vermelhas e sobre um problema que a criança trouxe para os pais). Os resultados foram apresentados e discutidos para cada uma das famílias. Pode-se observar que existem relações entre os escores de empatia dos pais e da criança nos instrumentos utilizados e que, em geral, os pais valorizam habilidades empáticas e atribuem seu desenvolvimento, principalmente ao exemplo e à aprendizagem e não a maturação e características de temperamento da criança. No entanto, nas tarefas propostas, dificuldades de comunicação empática são observadas, levando a que se hipotetize que não é direta a relação entre crenças, habilidades individuais e práticas em família. Reconhecem-se as limitações do presente estudo, de caráter exploratório. Novas investigações com observação da comunicação pais-filhos em situações cotidianas do ambiente natural podem contribuir para o avanço do conhecimento nessa área.

Caracterização geológica da ocorrência de óleo na Formação Rio Bonito associada a um modelo não convencional de geração

O trabalho teve como escopo a caracterização geológica, em termos estruturais e estratigráficos, do sistema petrolífero responsável pela ocorrência de óleos encontrados na Formação Rio Bonito, na região carbonífera de Santa Catarina. Atualmente, especula-se que a assinatura geoquímica destes óleos relaciona-se à Formação Irati associado a um modelo não convencional de geração, vinculando a maturação térmica à intrusão de diabásio, devido a um soterramento insuficiente da rocha geradora. Como a Formação Irati encontra-se posicionada estratigraficamente acima da Formação Rio Bonito, o sistema está associado a um forte controle estrutural para o modelo de migração. A preparação de um mapa geológico integrado para a área de estudo envolvendo dados geológicos de campo, dados aeromagnetométricos e informações de furos de sondagem permitiu um entendimento mais aprofundado do arcabouço tectônico-estratigráfico da região. Seções geológicas mostraram a presença de falhas de grandes rejeitos que promoveram um sistema de Horsts e Grabens relacionados às NE-SW e secundariamente a falhas E-W, que permitiram a colocação da Formação Irati em contato lateral ou em um posicionamento abaixo da Formação Rio Bonito. A partir das seções cronoestratigráficas elaboradas foi possível reconhecer prováveis selos, trapas estratigráficos e estruturais, associados ao sistema petrolífero Irati-Rio Bonito. A análise geoquímica (isótopos e biomarcadores) dos óleos coletados na Formação Rio Bonito apontaram que os mesmos estão associadas aos folhelhos do Membro Assistência da Formação Irati, por possuírem uma razão pristano/fitano menor que 1, gamacerano, e a presença de isoprenóides pentametileicosano (i-25) e esqualano (i-30). A partir de análises geoquímicas realizadas em extratos orgânicos extraídos de folhelhos da Formação Irati intrudidos por diabásio, obteve-se valores da relação entre biomarcadores correspondentes e valores de Ro que indicam que foi alcançado o pico de geração de óleo. Contudo, não há registro na área de estudo de um soterramento suficiente que favorecesse essa situação, levando-nos, assim, a acreditar em um modelo de geração não convencional, por meio da intrusão de diabásio nas rochas geradoras. O arcabouço estrutural e os óleos estudados na região sugerem um processo migratório de sudoeste para o nordeste, ao longo de um sistema de falhas NE-SW, encontradas na região, que foram geradas anteriormente ou concomitantemente ao derrame basáltico associado à Formação Serra Geral.

Bioestímulo e bioaumento na remediação de solo contaminado com óleo lubrificante usado escala piloto

O óleo lubrificante mineral é amplamente utilizado no cenário mundial no funcionamento de máquinas e motores. No entanto, o ciclo de vida deste petro-derivado resulta na geração de um resíduo (óleo lubrificante usado), o qual é nocivo ao meio ambiente quando não descartado adequadamente ou reciclado. No Brasil, apesar das normas que tratam especificamente do armazenamento, recolhimento e destino de óleo lubrificante usado, grande parte do mesmo ainda é despejado diretamente no meio ambiente, sem qualquer tratamento, sendo de grande importância estudos que visem o entendimento dos processos e o desenvolvimento de tecnologias de remediação de áreas contaminadas por esse resíduo. O objetivo geral do presente trabalho foi conduzir estudos de tratabilidade de solo arenoso contaminado experimentalmente com 5% (m m-1 seco) de óleo lubrificante usado, através de duas diferentes estratégias de biorremediação: bioestímulo e bioaumento. Foram conduzidos dois experimentos. No primeiro, foi avaliada a atividade microbiana aeróbia na biodegradação do OLU através do método respirométrico de Bartha. No segundo, foram montados três biorreatores de fase sólida simulando biopilhas estáticas com aeração forçada, cada um contendo 125 kg de solo e 5% (m m-1 seco) de óleo lubrificante automotivo usado, os quais receberam como tratamento: bioestímulo por ajuste de pH e umidade (BIOSca); bioestímulo por ajuste de pH e umidade associado ao bioaumento com a adição de composto maduro (BIOA1ca) ; e bioestímulo por ajuste de pH e umidade associado ao bioaumento com a adição de composto jovem (BIOA2ca). Foram também montados três biorreatores de bancada simulando biopilhas estáticas sem aeração forçada, cada um contendo 3 kg de solo e 5% (m m-1) do mesmo contaminante, sendo que o primeiro continha solo sem contaminação - CONTsa, o segundo, solo contaminado com ajuste de pH BIOSsa e o terceiro, solo contaminado com adição de 0,3% de azida sódica - ABIOsa. Os tratamentos foram avaliados pela remoção de hidrocarbonetos totais de petróleo (HTPs) e após 120 dias de experimento obteve-se remoções de HTPs de 84,75%, 99,99% e 99,99%, com BIOS, BIOA1 e BIOA2, respectivamente, demonstrando que a estratégia de bioestímulo associada ao bioaumento foram promissoras na remediação do solo contaminado pelo óleo lubrificante usado. Os tratamentos que receberam composto (BIOA1 e BIOA2) não apresentaram diferenças quanto à remoção de HTPs, evidenciando que a fase de maturação dos compostos não apresentou influência na eficiência do processo. No entanto, verificou-se uma eficiência nos tratamentos que receberam composto quando comparado ao tratamento sem adição de composto

Mechanisms of Transposable Element Repression by Piwi Proteins in the piRNA Pathway of Drosophila Germ Cells

The ability to reproduce is a defining characteristic of all living organisms. During reproduction, the integrity of genetic material transferred from one generation to the next is of utmost importance. Organisms have diverse strategies to ensure the fidelity of genomic information inherited between generations of individuals. In sexually reproducing animals, the piRNA pathway is an RNA-interference (RNAi) mechanism that protects the genomes of germ cells from the replication of ‘selfish’ genetic sequences called transposable elements (TE). When left unabated, the replication of TE sequences can cause gene disruption, double-stranded DNA breaks, and germ cell death that results in sterility of the organism. In Drosophila, the piRNA pathway is divided into a cytoplasmic and nuclear branch that involves the functions of three Piwi-clade Argonaute proteins—Piwi, Aubergine (Aub) and Argonaute-3 (Ago3)—which bind piwi-interacting RNA (piRNA) to form the effector complexes that represses deleterious TE sequences.

The work presented in this thesis examines the function and regulation of Piwi proteins in Drosophila germ cells. Chapter 1 presents an introduction to piRNA biogenesis and to the essential roles occupied by each Piwi protein in the repression of TE. We discuss the architecture and function of germ granules as the cellular compartments where much of the piRNA pathway operates. In Chapter 2, we present how Piwi in the nucleus co-transcriptionally targets genomic loci expressing TE sequences to direct the deposition of repressive chromatin marks. Chapter 3 examines the cytoplasmic function of the piRNA pathway, where we find that the protein Krimper coordinates Aub and Ago3 in the piRNA ping-pong pathway to adaptively target and destroy TE transcripts. Chapter 4 explores how interactions of Piwis with associated proteins are modulated by arginine methylation modifications. Lastly, in Chapter 5 I present evidence that the cytoplasmic branch of the piRNA pathway can potentially ‘cross-talk’ with the nuclear branch to transfer sequence information to better target and co-transcriptionally silence the genomic loci coding active TE sequences. Overall, the work presented in this thesis constitutes a part of the first steps in understanding the molecular mechanisms that protect germ cells from invasion by TE sequences.

Site-Specific Isotopes in Small Organic Molecules

Stable isotope geochemistry is a valuable toolkit for addressing a broad range of problems in the geosciences. Recent technical advances provide information that was previously unattainable or provide unprecedented precision and accuracy. Two such techniques are site-specific stable isotope mass spectrometry and clumped isotope thermometry. In this thesis, I use site-specific isotope and clumped isotope data to explore natural gas development and carbonate reaction kinetics. In the first chapter, I develop an equilibrium thermodynamics model to calculate equilibrium constants for isotope exchange reactions in small organic molecules. This equilibrium data provides a framework for interpreting the more complex data in the later chapters. In the second chapter, I demonstrate a method for measuring site-specific carbon isotopes in propane using high-resolution gas source mass spectrometry. This method relies on the characteristic fragments created during electron ionization, in which I measure the relative isotopic enrichment of separate parts of the molecule. My technique will be applied to a range of organic compounds in the future. For the third chapter, I use this technique to explore diffusion, mixing, and other natural processes in natural gas basins. As time progresses and the mixture matures, different components like kerogen and oil contribute to the propane in a natural gas sample. Each component imparts a distinct fingerprint on the site-specific isotope distribution within propane that I can observe to understand the source composition and maturation of the basin. Finally, in Chapter Four, I study the reaction kinetics of clumped isotopes in aragonite. Despite its frequent use as a clumped isotope thermometer, the aragonite blocking temperature is not known. Using laboratory heating experiments, I determine that the aragonite clumped isotope thermometer has a blocking temperature of 50-100°C. I compare this result to natural samples from the San Juan Islands that exhibit a maximum clumped isotope temperature that matches this blocking temperature. This thesis presents a framework for measuring site-specific carbon isotopes in organic molecules and new constraints on aragonite reaction kinetics. This study represents the foundation of a future generation of geochemical tools for the study of complex geologic systems.

Individual growth and seasonal cycle of Daphnia middendorffiana in an Alpine lake [Translation from: Memorie dell'Istituto Italiano di Idrobiologia Dott.Marco de Marchi 26 41-83, 1970]

The problem of the peculiar reproductive biology of the cladoceran Daphnia middendorffiana is investigated from a cytological viewpoint, and by direct observation the meiotic phenomena of the eggs both subitaneous and resting is studied. and during maturation, the true mechanism of the succession of reproductive phases of different ecological significance. Samples were collected in the Italian Alpine Lake of Campo 4°.

Part I: The abortive infection of bacteriophage øx174 at low temperatures. Part II: The early stages in the process of infection by bacteriophage øx174

Part I

The infection of E. coli by ΦX174 at 15°C is abortive; the cells are killed by the infection but neither mature phage nor SS (single-stranded) DNA are synthesized. Parental RF (replicative form) is formed and subsequently replicated at 15°C. The RF made at 15°C shows normal infectivity and full competence to act as precursor to progeny SS DNA after an increase in temperature to 37°C. The investigations suggest that all of the proteins required for SS DNA synthesis and phage maturation are present in the abortive infection at 15°C.

Three possible causes are suggested for the abortive infection at 15°C: (a) A virus-coded protein whose role is essential to the infection is made at 15°C and assumes its native conformation, but its rate of activity is too low at this temperature to sustain the infection process. (b) Virus maturation may involve the formation of a DNA-protein complex and conformational changes which have an energy threshold infrequently reached at 15°C. (c) A host-coded protein present in uninfected cells, and whose activity is essential to the infection at all temperatures, but not to the host at 15°C, is inactive at 15°C. An hypothesis of this type is offered which proposes that the temperature-limiting factor in SS DNA synthesis in vivo may reflect a temperature-dependent property of the host DNA polymerase.

Part II

Three distinct stages are demonstrated in the process whereby ΦX174 invades its host: (1) Attachment: The phage attach to the cell in a manner that does not irreversibly alter the phage particle and which exhibits "single-hit" kinetics. The total charge on the phage particle is demonstrated to be important in determining the rate at which stable attachment is effected. The proteins specified by ΦX cistrons II, III and VII play roles, which may be indirect, in the attachment reaction. (2) Eclipse: 'The attached phage undergo a conformational change. Some of the altered phage particles spontaneously detach from the cell (in a non-infective form) while the remainder are more tightly bound to the cell. The altered phage particles detached (spontaneously or chemically) from such complexes have at least 40% of their DNA extruded from the phage coat. It is proposed that this particle is, or derives from, a direct intermediate in the penetration of the viral DNA.

The kinetics for the eclipse of attached phage particles are first-order with respect to phage concentration and biphasic; about 85% of the phage eclipse at one rate (k = 0.86 min^-1) and the remainder do so at a distinctly lesser rate (k = 0.21 min^-1).

The eclipse event is very temperature-dependent and has the relatively high Arrhenius activation energy of 36.6 kcal/mole, indicating the cooperative nature of the process. The temperature threshold for eclipse is 17 to 18°C.

At present no specific ΦX cistron is identified as affecting the eclipse process. (3) DNA penetration: A fraction of the attached, eclipsed phage particles corresponding in number to the plaque-forming units complete DNA penetration. The penetrated DNA is found in the cell as RF, and the empty phage protein coat remains firmly attached to the exterior of the cell. This step is inhibited by prior irradiation of the phage with relatively high doses of UV light and is insensitive to the presence of KCN and NaN₃. Temporally excluded superinfecting phages do not achieve DNA penetration.

Both eclipsed phage particles and empty phage protein coats may be dissociated from infected cells; some of their properties are described.

Identification and characterization of the egg-laying hormone from the neurosecretary bag cells of Aplysia

This investigation has resulted in the chemical identification and isolation of the egg-laying hormone from Aplysia californica, Aplysia vaccaria, and Aplysia dactylomela. The hormone, which was originally identified as the Bag Cell-Specific protein (BCS protein) on polyacrylamide gels, is a polypeptide of molecular weight ≈ 6000, which is localized in the neurosecretory bag cells of the parietovisceral ganglion and the surrounding connective tissue sheath which contains the bag cell axons. All three species produce a hormone of similar molecular weight, but varying electrophoretic mobility as determined on polyacrylamide gels. As tested, the hormone is completely cross-reactive among the three species.

Although the bag cells of sexually immature animals contain the active hormone, sexual maturation of the animal results in a 10-fold increase in the BCS protein content of these neurons.

A seasonal variation in the BCS protein content was also observed, with 150 times more hormone contained in the bag cells of Aplysia californica in August than in January. This correlates well with the variation in the animals' ability to lay eggs throughout the year (Strumwasser et al., 1969). There are some indications that the receptivity of the animal to the available hormone also fluctuates during the year, being lower in winter than in swmner. The seasonal rhythm of the other species, Aplysia vaccaria and Aplysia dactylomela, has not been investigated.

A polyacrylamide gel electrophoresis analysis of water-soluble proteins in Aplysia californica revealed several other nerve-specific proteins. One of these is also located in the bag cell somas and stains turquoise with Amido Schwarz. The function of this protein has not been investigated.

Factors affecting the susceptibility of salmonid fish to disease

A review article discussing the degree of susceptibility of fish to outbreaks of disease and whether, besides from changes in the physical and chemical characteristics of the environment, this susceptibility is instrumental in determining whether or not pathogenic challenge results in disease. The article summarises a decade of work on this subject at the Windermere laboratory of the Freshwater Biological Association and suggests possible directions for future research. The article covers experimental design, effects of environmental stress (including discussion on the hypothalamic-pituitary-interrenal (HPI) axis in salmonid fish), sexual maturation, research areas for future development and evolutionary considerations. There are a number of accompanying figures and images.