Evolution of Drug Resistance: Insight on TEM -Lactamases Structure and Activity and Beta-Lactam Antibiotics

Extended-spectrum β-lactamases (ESBLs) prevalence was studied in the north of Portugal, among 193 clinical isolates belonging to citizens in a district in the boundaries between this country and Spain from a total of 7529 clinical strains. In the present study we recovered some members of Enterobacteriaceae family, producing ESBL enzymes, including Escherichia coli (67.9%), Klebsiella pneumoniae (30.6%), Klebsiella oxytoca (0.5%), Enterobacter aerogenes (0.5%), and Citrobacter freundii (0.5%). β-lactamases genes blaTEM, blaSHV, and blaCTX-M were screened by polymerase chain reaction (PCR) and sequencing approaches. TEM enzymes were among the most prevalent types (40.9%) followed by CTX-M (37.3%) and SHV (23.3%). Among our sample of 193 ESBL-producing strains 99.0% were resistant to the fourth-generation cephalosporin cefepime. Of the 193 isolates 81.3% presented transferable plasmids harboring genes. Clonal studies were performed by PCR for the enterobacterial repetitive intragenic consensus (ERIC) sequences. This study reports a high diversity of genetic patterns. Ten clusters were found for E. coli isolates and five clusters for K. pneumoniae strains by means of ERIC analysis. In conclusion, in this country, the most prevalent type is still the TEM-type, but CTX-M is growing rapidly.

Hydrogen evolution on nanostructured Ni-Cu foams

Three-dimensional (3D) nickel-copper (Ni-Cu) nanostructured foams were prepared by galvanostatic electrodeposition, on stainless steel substrates, using the dynamic hydrogen bubble template. These foams were tested as electrodes for the hydrogen evolution reaction (HER) in 8 M KOH solutions. Polarisation curves were obtained for the Ni-Cu foams and for a solid Ni electrode, in the 25-85 degrees C temperature range, and the main kinetic parameters were determined. It was observed that the 3D foams have higher catalytic activity than pure Ni. HER activation energies for the Ni-Cu foams were lower (34-36 kJ mol(-1)) than those calculated for the Ni electrode (62 kJ mol(-1)). The foams also presented high stability for HER, which makes them potentially attractive cathode materials for application in industrial alkaline electrolysers.

The insular shelves of the Faial-Pico Ridge (Azores archipelago): a morphological record of its evolution

Shelves surrounding reefless volcanic ocean islands are formed by surf erosion of their slopes during changing sea levels. Posterosional lava flows, if abundant, can cross the coastal cliffs and fill partially or completely the accommodation space left by erosion. In this study, multibeam bathymetry, high-resolution seismic reflection profiles, and sediment samples are used to characterize the morphology of the insular shelves adjacent to Pico Island. The data show offshore fresh lava flow morphologies, as well as an irregular basement beneath shelf sedimentary bodies and reduced shelf width adjacent to older volcanic edifices in Pico. These observations suggest that these shelves have been significantly filled by volcanic progradation and can thus be classified as rejuvenated. Despite the general volcanic infilling of the shelves around Pico, most of their edges are below the depth of the Last Glacial Maximum, revealing that at least parts of the island have subsided after the shelves formed by surf erosion. Prograding lava deltas reached the shelf edge in some areas triggering small slope failures, locally decreasing the shelf width and depth of their edges. These areas can represent a significant risk for the local population; hence, their identification can be useful for hazard assessment and contribute to wiser land use planning. Shelf and subaerial geomorphology, magnetic anomalies and crustal structure data of the two islands were also interpreted to reconstruct the long-term combined onshore and offshore evolution of the Faial-Pico ridge. The subaerial emergence of this ridge is apparently older than previously thought, i.e., before approximate to 850 ka.

Evolution and biogenesis of microtubule-derived structures

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Biologia Celular pelo Instituto de Tecnologia Química e Biológica da Universidade Nova de Lisboa

One-step preparation of optically transparent Ni-Fe oxide film electrocatalyst for oxygen evolution reaction

Optically transparent cocatalyst film materials is very desirable for improved photoelectrochemical (PEC)oxygen evolution reaction (OER) over light harvesting photoelectrodes which require the exciting light to irradiate through the cocatalyst side, i.e., front-side illumination. In view of the reaction overpotential at electrode/electrolyte interface, the OER electrocatalysts have been extensively used as cocatalysts for PEC water oxidation on photoanode. In this work, the feasibility of a one-step fabrication of the transparent thin film catalyst for efficient electrochemical OER is investigated. The Ni-Fe bimetal oxide films, 200 nm in thickness, are used for study. Using a reactive magnetron co-sputtering technique, transparent(> 50% in wavelength range 500-2000 nm) Ni-Fe oxide films with high electrocatalytic activities were successfully prepared at room temperature. Upon optimization, the as-prepared bimetal oxide film with atomic ratio of Fe/Ni = 3:7 demonstrates the lowest overpotential for the OER in aqueous KOH solution, as low as 329 mV at current density of 2 mA cm 2, which is 135 and 108 mV lower than that of as-sputtered FeOx and NiOx thin films, respectively. It appears that this fabrication strategy is very promising to deposit optically transparent cocatalyst films on photoabsorbers for efficient PEC water splitting.

Evolution of IgG antibody response against Toxoplasma gondii tissue cyst in acute and chronic human infections

The recognition profile of the tissue cysts antigens by IgG antibodies was studied during acute and chronic human toxoplasmic infection. Thus the IgG response against Toxoplasma gondii was investigated by immunoblotting in two patients accidentally infected with the RH strain as well as in group of naturally infected patients at acute and chronic phase. There was an overall coincidence of molecular mass among antigens of tachyzoites and tissue cysts recognized by these sera, however, they appear not to be the same molecules. The response against tissue cysts starts early during acute infection, and the reactivity of antibodies is strong against a wide range of antigens. Six bands (between 82 and 151 kDa) were exclusively recognized by chronic phase sera but only the 132 kDa band was positive in more than 50% of the sera analysed. A mixture of these antigens could be used to discriminate between the two infection phases. The most important antigens recognized by the acute and the chronic phase sera were 4 clusters in the ranges 20-24 kDa, 34-39 kDa, 58-80 kDa and 105-130 kDa as well as two additional antigens of 18 and 29 kDa. Both accidentally infected patients and some of the naturally infected patients showed a weak specific response against tissue cyst antigens.

Evolution of Drug Resistance: Insight on TEM β-Lactamases Structure and Activity and β-Lactam Antibiotics

Since the discovery of the first penicillin bacterial resistance to β-lactam antibiotics has spread and evolved promoting new resistances to pathogens. The most common mechanism of resistance is the production of β-lactamases that have spread thorough nature and evolve to complex phenotypes like CMT type enzymes. New antibiotics have been introduced in clinical practice, and therefore it becomes necessary a concise summary about their molecular targets, specific use and other properties. β-lactamases are still a major medical concern and they have been extensively studied and described in the scientific literature. Several authors agree that Glu166 should be the general base and Ser70 should perform the nucleophilic attack to the carbon of the carbonyl group of the β-lactam ring. Nevertheless there still is controversy on their catalytic mechanism. TEMs evolve at incredible pace presenting more complex phenotypes due to their tolerance to mutations. These mutations lead to an increasing need of novel, stronger and more specific and stable antibiotics. The present review summarizes key structural, molecular and functional aspects of ESBL, IRT and CMT TEM β-lactamases properties and up to date diagrams of the TEM variants with defined phenotype. The activity and structural characteristics of several available TEMs in the NCBI-PDB are presented, as well as the relation of the various mutated residues and their specific properties and some previously proposed catalytic mechanisms.

Positive Epistasis Drives the Acquisition of Multidrug Resistance

The evolution of multiple antibiotic resistance is an increasing global problem. Resistance mutations are known to impair fitness, and the evolution of resistance to multiple drugs depends both on their costs individually and on how they interact-epistasis. Information on the level of epistasis between antibiotic resistance mutations is of key importance to understanding epistasis amongst deleterious alleles, a key theoretical question, and to improving public health measures. Here we show that in an antibiotic-free environment the cost of multiple resistance is smaller than expected, a signature of pervasive positive epistasis among alleles that confer resistance to antibiotics. Competition assays reveal that the cost of resistance to a given antibiotic is dependent on the presence of resistance alleles for other antibiotics. Surprisingly we find that a significant fraction of resistant mutations can be beneficial in certain resistant genetic backgrounds, that some double resistances entail no measurable cost, and that some allelic combinations are hotspots for rapid compensation. These results provide additional insight as to why multi-resistant bacteria are so prevalent and reveal an extra layer of complexity on epistatic patterns previously unrecognized, since it is hidden in genome-wide studies of genetic interactions using gene knockouts.

The role of complex chromosome translocations in leukemia

Resumo A tumorigénese é um processo de transformação celular que se desenrola tipicamente em várias etapas. Os diferentes níveis de evolução tumoral resultam da acumulação sucessiva de mutações genéticas numa célula normal que lhe conferem uma vantagem selectiva no respectivo meio tecidular. As mutações podem manifestar-se sob a forma de alterações nucleotídicas pontuais ao nível da sequência de DNA, levando a uma desregulação da função proteíca ou à formação de proteínas não-funcionais, ou através de alterações cromossómicas numéricas ou estruturais. Na leucemia, por exemplo, os genes híbridos que resultam de translocações cromossómicas desempenham um importante papel no processo tumorigénico. Estes genes são transcritos sob a forma de um RNA mensageiro de fusão, o qual é traduzido numa proteína híbrida com função oncogénica. Frequentemente, os subtipos de doença leucémica estão associados com translocações cromossómicas que envolvem 2 pontos de quebra recorrentes e específicos. É disto exemplo a leucemia mielóide crónica, em que uma translocação recíproca entre os cromossomas 9 e 22 conduz à formação de um gene de fusão BCR-ABL1. Em diferentes subtipos de doença, existe também uma pequena proporção de casos que apresenta translocações cromossómicas complexas, que envolvem um ou mais pontos de quebra adicionais em outras localizações genómicas além das que estão implicadas na formação dos genes de fusão. Por vezes, os pontos de quebra estão também associados a delecções extensas de material genético que se pensa terem uma função importante na tumorigénese. No entanto, o papel destas regiões genómicas no desenvolvimento tumoral não tem sido um motivo recorrente de estudo. Neste contexto, o objectivo desta dissertação foi o de determinar o potencial papel tumorigénico de alterações génicas adicionais ocorridas nos pontos de quebra de translocações cromossómicas complexas. Para a prossecução do objectivo proposto, foram estudados 5 rearranjos cromossómicos distintos associados com diferentes tipos de doença hematológica maligna, nomeadamente a leucemia linfoblástica aguda de células B (2 casos), leucemia mielóide aguda, neoplasma mieloproliferativo e síndrome mielodisplásico/neoplasma ieloproliferativo, não classificável. O mapeamento dos pontos de quebra foi efectuado utilizando a hibridação fluorescente in situ e diferentes metodologias de biologia molecular, tendo como base a informação inicial da análise citogenética. Em casos seleccionados, o papel dos novos genes candidatos foi avaliado in vitro utilizando modelos de linhas celulares, nomeadamente no que respeita às funções de controlo da proliferação celular e de regulação transcricional. De entre os 5 casos estudados, quatro deles evidenciaram translocações complexas envolvendo 3 cromossomas, nomeadamente t(12;21;5)(p13;q22;q13), t(12;6;15)(p13;p24~25;q22), t(9;11;19)(p22;q23;p13) e t(X;20;16)(p11;q13;q23). No caso remanescente, foi observada uma translocação dicêntrica dic(9;12)(p11;p11) acompanhada de delecções extensas em ambos os pontos de quebra. Nos casos com t(12;21;5) e t(9;11;19) as translocações estavam associadas com a presença de genes de fusão recorrentes, nomeadamente TV6(12p13)-RUNX1(21q22) e TLL(11q23)-MLLT3(9p22), indicando que se tratavam de rearranjos complexos das translocações t(12;21) e t(9;11) associadas com a leucemia linfoblástica aguda de células B e a leucemia mielóide aguda, respectivamente. O papel dos pontos de quebra adicionais foi estudado em detalhe no caso com t(9;11;19). Através da metodologia de long distance inverse-polymerase chain reaction, foram identificados os pontos de quebra na sequência de DNA dos 3 cromossomas envolvidos na translocação. Além dos pontos de quebra nos genes MLL e MLLT3, foi observado que o local de quebra no cromossoma 19 interrompeu a sequência de um novo gene, designado CCDC94,conduzindo à sua haplo-insuficiência nas células com t(9;11;19). Através de ensaios de reverse transcription-polymerase chain reaction verificámos que o gene CCDC94 é expresso ubiquitariamente em tecidos humanos normais. A análise informática da sequência prevista da proteína CCDC94 indicou uma elevada identidade de aminoácidos com a proteína cwf16, envolvida na regulação do ciclo celular da levedura Schizosaccharomyces pombe. Através da clonagem do DNA complementar de CCDC94 em vectores de expressão, e após a transfecção destes em culturas de linhas celulares in vitro, observámos que este gene codifica uma proteína de localização exclusivamente nuclear. A expressão ectópica da proteína CCDC94 diminuiu a progressão do ciclo celular e a proliferação das células em cultura. Inversamente, a supressão do transcrito do gene CCDC94 através de interferência de RNA conduziu a um aumento significativo da proliferação celular, confirmando que CCDC94 regula negativamente a proliferação e a progressão do ciclo celular. Estes resultados mostram que os pontos de quebra adicionais, presentes em translocações cromossómicas complexas em leucemia, podem resultar na haplo-insuficiência de genes controladores dos mecanismos proliferativos, cooperando desta forma com a acção das proteínas de fusão para proporcionar ao clone leucémico uma proliferação celular descontrolada. Nos restantes 3 casos estudados não foram identificados genes de fusão. Ao invés, todos aqueles apresentaram delecções de extensão variável associadas com os pontos de quebra cromossómicos. No caso com t(12;6;15), identificámos uma delecção de 1.2 megabases de DNA na banda 12p13 que resultou na eliminação de 9 genes incluindo ETV6 e CDKN1B. O gene ETV6 codifica um factor de transcrição que é essencial para a formação das diferentes linhagens hematopoiéticas na medula óssea, enquanto CDKN1B é traduzido numa proteína responsável por bloquear a entrada das células na fase G1 do ciclo celular e,consequentemente, por travar a proliferação celular. Neste contexto, os resultados obtidos indicam que a perda simultânea de ETV6 e de CDKN1B, através de uma translocação cromossómica complexa, constituiu uma acção cooperativa na leucemogénese. A mesma noção pode aplicar-se ao caso com dic(9;12), no qual pelo menos 2 genes que codificam para factores de transcrição importantes na linhagem hematopoiética, PAX5 no cromossoma 9 e ETV6 no cromossoma 12, estavam deleccionados como resultado do rearranjo cromossómico. Dado que o factor de transcrição PAX5 regula negativamente a expressão do gene FLT3, que desempenha uma função pró-proliferativa, é expectável que a haplo-insuficiência de PAX5 no caso com dic(9;12) terá tido como consequência uma elevação dos níveis de expressão de FLT3, contribuindo deste modo para uma proliferação celular aumentada. A t(X;20;16) foi identificada num doente com trombocitémia essencial (TE), uma doença que está intimamente relacionada com alterações de vias intracelulares reguladas por citocinas. Neste caso, através da utilização de um array genómico, identificámos a presença de pequenas delecções associadas com os pontos de quebra nos cromossomas 16 e 20. No cromossoma 16 apenas um gene, MAF, estava deleccionado, enquanto no cromossoma 20 a delecção tinha abrangido 3 genes. Dos genes deleccionados, dois deles, NFATC2 (20q13) e MAF (16q23), codificam proteínas que operam como reguladores transcricionais de citocinas hematopoiéticas. Dado que NFATC2 se localiza numa região que constitui um alvo frequente de delecções em neoplasmas ieloproliferativos, incluindo a trombocitémia essencial,efectuámos um estudo detalhado do papel deste gene na proliferação megacariocítica e na regulação da expressão de uma citocina hematopoiética (GM-CSF), implicada na maturação das diferentes linhagens mielóides. Utilizando um modelo de linha celular de trombocitémia essencial, verificámos que a supressão do transcrito do gene NFATC2 in vitro, por interferência de RNA, estava associada com um aumento da proliferação celular. Em concordância, o bloqueio da activação da proteína NFATC2 através de um inibidor específico da sua interacção com a calcineurina, conduziu a um aumento da proliferação celular in vitro. Utilizando a PCR quantitativa em tempo real, detectou-se um aumento da produção do RNA de GM-CSF em ambos os ensaios celulares, indicando que o factor de transcrição NFATC2 pode regular negativamente a expressão de GM-CSF em células de trombocitémia essencial. No geral, estes resultados mostram que a redução dos níveis fisiológicos do transcrito NFATC2, ou a redução da respectiva actividade proteica, estão relacionados com a proliferação de megacariocitos através do aumento da produção de GM-CSF. De acordo com estes resultados, verificámos que as células dos doentes com TE apresentam níveis mais baixos do transcrito NFATC2 do que a população normal. Dado que o factor de transcrição MAF desempenha igualmente um papel como regular transcricional de citocinas, é plausível que a haplo-insuficiência dos genes NFATC2 e MAF, resultante do rearranjo cromossómico complexo t(X;20;16), teve um efeito cooperativo importante na patogénese da trombocitémia essencial através da alteração do padrão normal de expressão das citocinas hematopoiéticas. Em síntese, efectuámos nesta dissertação um estudo citogenético de 4 translocações cromossómicas complexas incluindo t(12;21;5), t(12;6;15), t(9;11;19) e t(X;20;16), e de uma translocação dicêntrica dic(9;12), associadas com diferentes neoplasmas hematológicos. Em casos seleccionados efectuámos também um estudo molecular detalhado das regiões dos pontos de quebra. Esta análise permitiu-nos identificar 2 genes, CCDC94 no cromossoma 19 e NFATC2 no cromossoma 20, cuja haplo-insuficiência pode promover o aumento da proliferação celular das células leucémicas. A partir destes estudos podem ser retiradas 2 noções principais: (i) Os pontos de quebra adicionais, que ocorrem em translocações complexas associadas com a formação de genes de fusão, podem ter como consequência a desregulação de genes controladores da proliferação celular (e.g., CCDC94); (ii) As translocações complexas caracterizadas pela ausência de genes de fusão recorrentes poderão estar preferencialmente associadas com a presença de delecções, envolvendo um ou mais genes, nos pontos de quebra; nestas situações, serão necessários pelo menos 2 genes com funções celulares semelhantes (e.g., NFATC2 e MAF) ou complementares (e.g., ETV6 e CDKN1B) para, quando deleccionados, promoverem de forma cooperativa a leucemogénese. Nestes termos, o modelo de alterações genéticas sequenciais que caracteriza o desenvolvimento do cancro pode ser substituído por um modelo em que vários genes-alvo são simultaneamente desregulados pela formação de uma translocação cromossómica complexa, evitando deste modo a necessidade de ocorrência de alterações genéticas subsequentes.----------------------ABSTRACT: Tumourigenesis is a multistep process which results from the accumulation of successive genetic mutations in a normal cell. In leukemia for instance, recurrent translocations play a part in this process by generating fusion genes which lead to the production of hybrid proteins with an oncogenic role. However, a minor subset of chromosomal translocations referred to as complex or variant involves extra breakpoints at variable genome locations in addition to those implicated in the formation of fusion genes. We aimed to describe in this work the role, if any, of genes located at extra breakpoint locations or which are affected by breakpoint-adjacent deletions through the study of 5 leukemia patients.Two of the patients presented with TV6(12p13)-RUNX1(21q22) and MLL(11q23)- MLLT3(9p22) fusion genes as a result of a t(12;21;5) and a t(9;11;19), respectively. Detailed molecular characterization of the extra breakpoint at chromosome 19 in the latter case revealed that a novel ubiquitously expressed gene, CCDC94, with a potential role in cell cycle regulation, was disrupted by the breakpoint. We demonstrated using in vitro cellular assays that this gene codifies for a nuclear protein which negatively regulates cell cycle progression. These data shows that extra breakpoint locations of complex translocations may result in haplo-insufficiency of critical proliferation genes, thereby cooperating with the generation of hybrid proteins to provide unrestrained cell proliferation. In the other 3 patients there were reakpoint-associated deletions which precluded the formation of putative fusion genes. In a case with a t(12;6;15) we characterized a deletion at 12p13 which eliminated ETV6 and 8 other genes including CDKN1B. These findings indicate that concomitant loss of ETV6 and CDKN1B, which encodes a cyclin-dependent kinase inhibitor responsible for blocking entry of cells into the G1 phase of the cell cycle, acted cooperatively to promote leukemogenic proliferation. The same notion applied to a case with a dic(9;12) in which 2 genes encoding hematopoietic transcription factors - ETV6 and PAX5 (9p13)- were deleted as a result of breakpoint-adjacent deletions. Similarly, we found that 2 transcription factor genes involved in the regulation of cytokine expression, NFATC2 (20q13) and MAF (16q23), were involved in deletions contiguous to the breakpoints in a patient with a t(X;20;16). In vitro suppression of NFATC2 mRNA or inhibiton of NFATC2 protein activity enhanced cell proliferation as a result of an increase in the production of a myeloid-lineage stimulating hematopoietic cytokine, GM-CSF. These results suggest that haplo-insufficiency of NFATC2 and MAF genes had a cooperative effect in inducing cell proliferation as a result of a disregulation of cytokine production. Two main conclusions may be drawn from our studies: (i) In complex translocations associated with the production of fusion genes, additional breakpoints may cooperate in tumourigenesis by targeting genes that control cell proliferation; (ii) In complex translocations associated with small breakpoint-adjacent deletions, at least 2 genes with similar or complementary functions need to be deregulated to promote tumourigenesis.