Novel functional interaction between the plasma membrane Ca2+ pump 4b and the proapoptotic tumor suppressor Ras-associated factor 1 (RASSF1)

Plasma membrane calmodulin-dependent calcium ATPases (PMCAs) are enzymatic systems implicated in the extrusion of calcium from the cell. We and others have previously identified molecular interactions between the cytoplasmic COOH-terminal end of PMCA and PDZ domain-containing proteins. These interactions suggested a new role for PMCA as a modulator of signal transduction pathways. The existence of other intracellular regions in the PMCA molecule prompted us to investigate the possible participation of other domains in interactions with different partner proteins. A two-hybrid screen of a human fetal heart cDNA library, using the region 652-840 of human PMCA4b (located in the catalytic, second intracellular loop) as bait, revealed a novel interaction between PMCA4b and the tumor suppressor RASSF1, a Ras effector protein involved in H-Ras-mediated apoptosis. Immunofluorescence co-localization, immunoprecipitation, and glutathione S-transferase pull-down experiments performed in mammalian cells provided further confirmation of the physical interaction between the two proteins. The interaction domain has been narrowed down to region 74-123 of RASSF1C (144-193 in RASSF1A) and 652-748 of human PMCA4b. The functionality of this interaction was demonstrated by the inhibition of the epidermal growth factor-dependent activation of the Erk pathway when PMCA4b and RASSF1 were co-expressed. This inhibition was abolished by blocking PMCA/RASSSF1 association with an excess of a green fluorescent protein fusion protein containing the region 50-123 of RASSF1C. This work describes a novel protein-protein interaction involving a domain of PMCA other than the COOH terminus. It suggests a function for PMCA4b as an organizer of macromolecular protein complexes, where PMCA4b could recruit diverse proteins through interaction with different domains. Furthermore, the functional association with RASSF1 indicates a role for PMCA4b in the modulation of Ras-mediated signaling.

IGF-Binding Protein 2 - Oncogene or Tumor Suppressor?

The role of insulin-like growth factor binding protein 2 (IGFBP2) in cancer is unclear. In general, IGFBP2 is considered to be oncogenic and its expression is often observed to be elevated in cancer. However, there are a number of conflicting reports in vitro and in vivo where IGFBP2 acts in a tumor suppressor manner. In this mini-review, we discuss the factors influencing the variation in IGFBP2 expression in cancer and our interpretation of these findings.

DNA-Repair Defects and Olaparib in Metastatic Prostate Cancer

BACKGROUND: Prostate cancer is a heterogeneous disease, but current treatments are not based on molecular stratification. We hypothesized that metastatic, castration-resistant prostate cancers with DNA-repair defects would respond to poly(adenosine diphosphate [ADP]-ribose) polymerase (PARP) inhibition with olaparib.

METHODS: We conducted a phase 2 trial in which patients with metastatic, castration-resistant prostate cancer were treated with olaparib tablets at a dose of 400 mg twice a day. The primary end point was the response rate, defined either as an objective response according to Response Evaluation Criteria in Solid Tumors, version 1.1, or as a reduction of at least 50% in the prostate-specific antigen level or a confirmed reduction in the circulating tumor-cell count from 5 or more cells per 7.5 ml of blood to less than 5 cells per 7.5 ml. Targeted next-generation sequencing, exome and transcriptome analysis, and digital polymerase-chain-reaction testing were performed on samples from mandated tumor biopsies.

RESULTS: Overall, 50 patients were enrolled; all had received prior treatment with docetaxel, 49 (98%) had received abiraterone or enzalutamide, and 29 (58%) had received cabazitaxel. Sixteen of 49 patients who could be evaluated had a response (33%; 95% confidence interval, 20 to 48), with 12 patients receiving the study treatment for more than 6 months. Next-generation sequencing identified homozygous deletions, deleterious mutations, or both in DNA-repair genes--including BRCA1/2, ATM, Fanconi's anemia genes, and CHEK2--in 16 of 49 patients who could be evaluated (33%). Of these 16 patients, 14 (88%) had a response to olaparib, including all 7 patients with BRCA2 loss (4 with biallelic somatic loss, and 3 with germline mutations) and 4 of 5 with ATM aberrations. The specificity of the biomarker suite was 94%. Anemia (in 10 of the 50 patients [20%]) and fatigue (in 6 [12%]) were the most common grade 3 or 4 adverse events, findings that are consistent with previous studies of olaparib.

CONCLUSIONS: Treatment with the PARP inhibitor olaparib in patients whose prostate cancers were no longer responding to standard treatments and who had defects in DNA-repair genes led to a high response rate. (Funded by Cancer Research UK and others; ClinicalTrials.gov number, NCT01682772; Cancer Research UK number, CRUK/11/029.).

ISCR and their association with antibiotic resistance genes

A prevalência de bactérias resistentes a antibióticos em ambiente hospitalar tem vindo a tornar-se dramática e preocupante a nível mundial. Contudo, com a utilização inadequada de antibióticos em áreas tão diversas como a veterinária, a aquacultura e a agricultura, esta deixou de estar confinada ao ambiente hospitalar, sendo o ambiente um reservatório natural de microganismos resistentes a estes compostos. O conhecimento detalhado dos determinantes de resistência a antibióticos presentes nestes ambientes, sejam estes genes de resistência ou estruturas envolvidas na sua mobilização, é fundamental, não só do ponto de vista do conhecimento como para a eventual implementação de medidas de contenção da sua disseminação. Neste contexto, são necessários estudos que permitam conhecer o panorama mais realista da distribuição destes determinantes de resistência a antibióticos, quer no meio ambiente quer no ambiente clínico. Assim, constituiu objectivo principal deste trabalho contribuir para o conhecimento do panorama actual da prevalência e distribuição dos elementos ISCR, bem como de outros determinantes de resistência a antibióticos em espécies de Gram-negativo clinicamente relevantes (Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii e Citrobacter freundii) recolhidas a partir de amostras de pacientes do Hospital Infante D. Pedro, EPE, Aveiro, Portugal, entre 2006 e 2008. Adicionalmente, foram também recolhidas bactérias de Gram-negativo do meio ambiente, a partir de amostras de águas e de vísceras de peixes, nas quais foram igualmente pesquisados os elementos acima referidos. À excepção dos isolados de E. coli e de Gramnegativo ambientais, todas as estirpes estudadas foram seleccionadas com base no seu perfil de multirresistência a antibióticos. Os resultados mostraram que em todas as espécies recolhidas no ambiente hospitalar foi detectada a presença de elementos ISCR, do tipo ISCR1 ou ISCR2. O elemento ISCR1, foi encontrado em isolados de E. coli, K. pneumoniae e C. freundii e o elemento ISCR2 em isolados de A. baumannii. Não foi detectada a presença de ISCRs nos isolados de Gram-negativo ambientais, o que sugere que a ocorrência dos mesmos é fortemente influenciada pela pressão selectiva exercida pelo ambiente em que os microrganismos se encontram. Genes qnr e integrões de classe 1 foram os determinantes de resistência mais frequentemente encontrados associados aos elementos ISCR1. Os vários determinantes de resistência foram encontrados em diferentes contextos genéticos e localizados em estruturas móveis, nomeadamente em plasmídeos. O elemento ISCR2 presente em isolados de A. baumannii encontra-se associado ao gene sul2 em todos os isolados, dentro de um mesmo contexto genético e com uma localização cromossomal. Contudo, o contexto genético encontrado nestes isolados é novo não tendo sido descrito até à data em outros microrganismos. O presente estudo constitui a primeira descrição de elementos ISCR intrinsecamente ligados a genes de resistência a antibióticos, em Portugal. Uma vez que estes elementos parecem ser responsáveis pela mobilização de um grande número de genes de resistência a antibióticos, a sua elevada incidência entre estirpes resistentes e multirresistentes, bem como a sua associação com genes de resistência é preocupante e requer vigilância.

Sistema computacional para o estudo da estrutura primária e redesenho de genes

Um dos maiores avanços científicos do século XX foi o desenvolvimento de tecnologia que permite a sequenciação de genomas em larga escala. Contudo, a informação produzida pela sequenciação não explica por si só a sua estrutura primária, evolução e seu funcionamento. Para esse fim novas áreas como a biologia molecular, a genética e a bioinformática são usadas para estudar as diversas propriedades e funcionamento dos genomas. Com este trabalho estamos particularmente interessados em perceber detalhadamente a descodificação do genoma efectuada no ribossoma e extrair as regras gerais através da análise da estrutura primária do genoma, nomeadamente o contexto de codões e a distribuição dos codões. Estas regras estão pouco estudadas e entendidas, não se sabendo se poderão ser obtidas através de estatística e ferramentas bioinfomáticas. Os métodos tradicionais para estudar a distribuição dos codões no genoma e seu contexto não providenciam as ferramentas necessárias para estudar estas propriedades à escala genómica. As tabelas de contagens com as distribuições de codões, assim como métricas absolutas, estão actualmente disponíveis em bases de dados. Diversas aplicações para caracterizar as sequências genéticas estão também disponíveis. No entanto, outros tipos de abordagens a nível estatístico e outros métodos de visualização de informação estavam claramente em falta. No presente trabalho foram desenvolvidos métodos matemáticos e computacionais para a análise do contexto de codões e também para identificar zonas onde as repetições de codões ocorrem. Novas formas de visualização de informação foram também desenvolvidas para permitir a interpretação da informação obtida. As ferramentas estatísticas inseridas no modelo, como o clustering, análise residual, índices de adaptação dos codões revelaram-se importantes para caracterizar as sequências codificantes de alguns genomas. O objectivo final é que a informação obtida permita identificar as regras gerais que governam o contexto de codões em qualquer genoma.

From genes to population: effects of toxicants on Enchytraeus albidus

Nowadays, a systems biology approach is both a challenge as well as believed to be the ideal form of understanding the organisms’ mechanisms of response. Responses at different levels of biological organization should be integrated to better understand the mechanisms, and hence predict the effects of stress agents, usable in broader contexts. The main aim of this thesis was to evaluate the underlying mechanisms of Enchytraeus albidus responses to chemical stressors. Therefore, there was a large investment on the gene library enrichment for this species, as explained ahead. Overall, effects of chemicals from two different groups (metals and pesticides) were assessed at different levels of biological organization: from genes and biochemical biomarkers to population endpoints. Selected chemicals were: 1) the metals cadmium and zinc; 2) the insecticide dimethoate, the herbicide atrazine and the fungicide carbendazim. At the gene and sub-cellular level, the effects of time and dosage were also adressed. Traditional ecotoxicological tests - survival, reproduction and avoidance behavior - indicated that pesticides were more toxic than metals. Avoidance behaviour is extremely important from an ecological point of view, but not recommended to use for risk assessment purposes. The oxidative stress related experiment showed that metals induced significant effects on several antioxidant enzyme activities and substrate levels, as well as oxidative damage on the membrane cells. To increase the potential of our molecular tool to assess transcriptional responses, the existing cDNA library was enriched with metal and pesticide responding genes, using Suppression Subtractive Hybridization (SSH). With the sequencing information obtained, an improved Agilent custom oligonucleotide microarray was developed and an EST database, including all existing molecular data on E. albidus, was made publicly available as an interactive tool to access information. With this microarray tool, most interesting and novel information on the mechanisms of chemical toxicity was obtained, with the identification of common and specific key pathways affected by each compound. The obtained results allowed the identification of mechanisms of action for the tested compounds in E. albidus, some of which are in line with the ones known for mammals, suggesting across species conserved modes of action and underlining the usefulness of this soil invertebrate as a model species. In general, biochemical and molecular responses were influenced by time of exposure and chemical dosage and these allowed to see the evolution of events. Cellular energy allocation results confirmed the gene expression evidences of an increased energetic expenditure, which can partially explain the decrease on the reproductive output, verified at a later stage. Correlations found throughout this thesis between effects at the different levels of biological organization have further improved our knowledge on the toxicity of metals and pesticides in this species.

Study of Perkinsus olseni infection mechanisms: identification and regulation of parasite genes differentially expressed in response to host and environmental stress

Tese dout., Biologia, Universidade do Algarve, 2008

Role of insulin and insulin-like peptides in bone formation: identification of bone-specific target genes and regulatory mechanisms, and characterization of the insulin-mimetic effect of vanadium

Tese de Doutoramento em Biologia, Especialidade em Biologia Molecular, Universidade do Algarve, 2008

Análise e caracterização da expressão e papel funcional dos potenciais genes da família 2 GPCRs no protostómio Caenorhabditis elegans

Dissertação de Mestrado, Biotecnologia, Faculdade de Engenharia de Recursos Naturais, Universidade do Algarve, 2009

Role of the different actin genes during extrusion of capping protein mutant cells in the Drosophila wing blade epithelium

Dissertação mest., Biotecnologia, Universidade do Algarve, 2008

Identification of reliable reference genes for quantitative gene expression in the Mozambique tilapia, Oreochromis mossambicus

Dissertação de mest., Biologia Marinha (Aquacultura), Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2010

Estudo preliminar do efeito supressor de genes do Citrus tristeza virus (CTV) no silenciamento pós-transcripcional em Nicotiana benthamiana

Dissertação de mest., Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2011

Identification of genes regulated by mir-363*, a regulator of bone marrow endothelial cell properties

As células estaminais hematopoiéticas residem na medula óssea e possuem capacidade para se auto-renovar e dar origem a todos os tipos de células sanguíneas. O endotélio da medula óssea é constituído por células endoteliais de medula óssea (BMEC) e compreende dois nichos com funções distintas: o nicho osteoblástico e o nicho vascular. O nicho osteoblásctico proporciona condições para a quiescência de células estaminais hematopoiéticas, enquanto no nicho vascular ocorre proliferação e diferenciação das mesmas. Quando ocorre um desequilíbrio na expressão de genes que codificam para proteínas envolvidas na mobilização de células do nicho osteoblástico para o nicho vascular – factores angiócrinos – ocorre uma desestabilização do microambiente medular, que se pode traduzir num processo tumoral. Os microRNAs (miRNAs) são uma classe de RNAs não codificantes, de cadeia simples, que regula a expressão génica. Os miRNAs são sequências endógenas de RNA que possuem entre 19 e 25 nucleótidos de tamanho. Os miRNAs são reguladores da expressão genica, induzindo o silenciamento a nível da pós-transcrição, através da sua ligação com uma sequência específica para a qual possuem afinidade, na região 3’ não traduzida (3’ UTR) dos seus mRNA alvo, conduzindo à inibição da tradução ou à sua degradação. Os miRNAs estão envolvidos na regulação de genes de diversas vias afectando processos fundamentais como hematopoiese, apoptose, proliferação celular e tumorigénese. Os níveis de expressão dos miRNAs estão alterados no cancro, podendo actuar directamente como supressores de tumor ou como oncogenes, sendo neste caso denominados de oncomirs. Os perfis dos níveis de expressão de vários miRNAs foram estudados, tendo-se verificado que se alteram durante o processo de carcinogénese, podendo actuar directamente como supressores de tumor ou como oncogenes, sendo neste caso denominados de oncomirs. Apesar do miR-363* estar envolvido na regulação da expressão de genes que regulam propriedades das células endoteliais e medula óssea, os genes sobre os quais exerce a sua função ainda não foram identificados.O objectivo do presente estudo é a identificação dos genes directamente regulados pelo miR-363* (genes alvo) e a sua relevância para a disfunção medular e a sua caracterização nos síndromes mielodisplásicos. A estratégia usada baseou-se na redução ou aumento forçados dos níveis de miR-363* em células endoteliais e subsequente análise da expressão génica através de microarrays de cDNA do genoma humano. A redução do miR-363* vai implicar o aumento da expressão dos seus genes alvo, assim como o aumento dos níveis do miR-363* vai induzir a degradação e consequente redução dos seus genes alvos. A intersecção dos dados gerados através do estudo da expressão com bases de dados que possuem algoritmos para previsão de genes alvo directos dos miRNAs (miRBase e MicroCosm Targets) permitiu restringir os genes a analisar a sete genes, nomeadamente BST1, ESAM, FCER1G, IKBKG, SELE, THBS3 e TIMP1. A interacção directa destes candidatos a alvos directos do miR-363* foi posteriormente validada. Para tal, as 3’UTR dos genes foram clonadas num vector que contém o gene da luciferase. Uma vez as clonagens realizadas, efectuaram-se ensaios funcionais em células endoteliais, nomeadamente HUVEC, nas quais se co-transfectaram os vectores gerados, anti-miRs ou pre-miRs (para diminuir ou aumentar o nível de miRNA) e o plasmídeo controlo da Renilla para normalização dos ensaios de luciferase. A variação da luminescência obtida em presença do aumento ou redução do miR-363* deu uma forte indicação da regulação directa do miR-363* nesses alvos. No entanto, a confirmação desta interacção directa foi efectuada através de ensaios de mutagénese, nos quais de induziram mutações na 3’UTR nos locais de ligação do miRNA, seguidos dos ensaios funcionais como acima descritos. Esta estratégia sugere que o TIMP1, inibidor da metaloprotease-9 (MMP-9), é regulado directamente pelo miR-363*. Adicionalmente, os níveis de expressão dos alvos directos do miR-363* foram estudados em 17 amostras de aspirados de medula óssea de doentes com síndromes mielodisplásicos. Os síndromes mielodisplásicos são caracterizados como um grupo heterogéneo de condições, que apresentam citopenias (produção deficiente de eritrócitos, leucócitos e/ou megacariócitos) e medula óssea displástica e hipercelular. A escalonagem dos doentes foi feita de acordo com o sistema de prognóstico IPSS elaborado pela Organização Mundial de Saúde, e que consiste numa tabela de risco de progressão de síndromes mielodisplásicos para leucemia mielóide aguda (LMA) e que agrupa os doentes em baixo risco – que compreende os níveis baixo e intermédio 1 – e em alto risco – que compreende os níveis intermédio 2 e alto. Dos genes regulados pelo miR-363*, o destacam-se o TIMP1, estando aumentando em doentes com mau prognóstico, e o THBS3 que apresenta um aumento nos doentes com prognóstico intermédio. Em suma, os estudos realizados permitiram a identificação de genes regulados pelo miR-363* e contribuiram para o conhecimento de como o miR-363* contribui para a disfunção medular, particularmente em síndromes mielodisplásicos, pela desregulação das propriedades endoteliais.

Identification and study of novel genes expressed in the heart precursor cells

Understanding heart development on a molecular level is a requirement for uncovering the causes of congenital heart diseases. Several genes have been implicated as critical for heart development. However, the inducers of these genes as well as their targets and pathways, remain largely unknown. We have identified a promoter element of chick cCer able to drive EGFP expression in a population of cells that consistently exit from the anterior primitive streak region, from as early as stage HH3+, and that later will populate the heart. Using this promoter element as a tool allowed us to identify novel genes previously not known to potentially play a role in heart development. In order to identify and study genes expressed and involved in the correct development and differentiation of the vertebrate heart precursor cell (HPC) lineages, a differential screening using Affymetrix GeneChip® system technologies was performed. Remarkably, this screening led to the identification of more than 700 transcripts differentially expressed in the heart forming regions (HFR). Bioinformatic tools allowed us to filter the large amount of data generated from this approach and to select a few transcripts for in vivo validation. Five genes were selected for further characterization by whole mount in situ hybridization leading to the validation of their expression in the HPC. From those, Adtk1 and Ccbe1 were selected for functional analysis. Regarding to ccbe1, a more detailed WISH analysis was performed and showed that Ccbe1 is expressed specifically on the cardiac progenitors regions at HH4, more specifically in primary heart field and at later stages is present in the second heart field. Further functional analyses by knockdown and overexpression revealed an important role for Ccbe1 in early heart tube formation. Moreover, the results presented in this thesis suggested that Ccbe1 is a key gene during heart development and might be limited to multipotent and highly proliferative progenitors and downregulated upon cellular commitment into more specific cardiac phenotypes. Other of the genes identified, Adtk1 was also subjected to further functional studies. Knockdown of Adtk1 using morpholino oligonucleotides suggested that it might be necessary for the migration and fusion of the heart tube as well as for neural tube closure.