Identification of mechanisms controlling the transcriptional activity of nuclear factor kappa B (NF-κB) p65/RelA

Dissertação para a obtenção do grau de doutor em Biologia pelo Instituto de Tecnologia Química e Biológica. Universidade Nova de Lisboa.

Identification du rôle et des modifications post-traductionnelles modulant l’export nucléaire de l’hélicase virale E1 au cours du cycle de réplication du virus du papillome humain

Les virus du papillome humain (VPH) sont de petits virus à ADN double brin infectant les épithéliums de la peau et des muqueuses. La réplication nécessaire au maintien de leur génome dans les cellules infectées dépend des protéines virales E1 et E2. Au cours de la réplication, E1 est recrutée à l’origine de réplication par E2 afin d’être assemblée en doubles hexamères capables de dérouler l’ADN. E1 contient un domaine C-terminal responsable de l’activité ATPase/hélicase, un domaine central de liaison à l’origine et une région N-terminale régulant la réplication in vivo. Cette région contient des signaux de localisation et d’export nucléaire qui modulent le transport intracellulaire de E1. Chez le virus du papillome bovin (VPB), il a été proposé que ce transport est régulé par la sumoylation de E1. Finalement, la région N-terminale de E1 contient un motif de liaison aux cyclines permettant son interaction avec la cycline E/A-Cdk2. La phosphorylation de E1 par cette dernière régule différemment l’export nucléaire des protéines E1 du VPB et du VPH. Dans la première partie de cette étude, nous avons démontré que bien que la protéine E1 des VPH interagit avec Ubc9, l’enzyme de conjugaison de la voie de sumoylation, cette voie n’est pas requise pour son accumulation au noyau. Dans la seconde partie, nous avons déterminé que l’accumulation nucléaire de E1 est plutôt régulée pas sa phosphorylation. En fait, nous avons démontré que l’export nucléaire de E1 est inhibé par la phosphorylation de sérines conservées de la région N-terminale de E1 par Cdk2. Puis, nous avons établi que l’export nucléaire de E1 n’est pas nécessaire à l’amplification du génome dans les kératinocytes différenciés mais qu’il est requis pour le maintien du génome dans les kératinocytes non différenciés. En particulier, nous avons découvert que l’accumulation nucléaire de E1 inhibe la prolifération cellulaire en induisant un arrêt du cycle cellulaire en phase S et que cet effet anti-prolifératif est contrecarrée par l’export de E1 au cytoplasme. Dans la troisième partie de cette étude, nous avons démontré que l’arrêt cellulaire induit par E1 dépend de sa liaison à l’ADN et à l’ATP, et qu’il est accompagné par l’activation de la voie de réponse aux dommages à l’ADN dépendante de ATM (Ataxia Telangiectasia Mutated). Ces deux événements semblent toutefois distincts puisque la formation d’un complexe E1-E2 réduit l’activation de la voie de réponse aux dommages par E1 sans toutefois prévenir l’arrêt de cycle cellulaire. Finalement, nous avons démontré que la réplication transitoire de l’ADN viral peut avoir lieu dans des cellules arrêtées en phase S, indépendamment de l’activation de la voie de réponse aux dommages à l’ADN et de la kinase ATM. Globalement, nos résultats démontrent que l’export nucléaire de E1 est régulé par sa phosphorylation et non par sa sumoylation. Ils démontrent également que l’export nucléaire de E1 est essentiel au maintien du génome dans les kératinocytes, possiblement parce qu’il prévient l’inhibition de la prolifération cellulaire et l’activation de la voie de réponse aux dommages à l’ADN en limitant l’accumulation de E1 au noyau.

Evaluating DNA damage response (DDR) activation in human prostate cancer

Introduction: Au Canada, le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué chez les hommes et le plus mortel après les cancers du poumon et du côlon. Il y a place à optimiser le traitement du cancer de la prostate de manière à mettre en œuvre une médecine personnalisée qui s’adapte aux caractéristiques de la maladie de chaque patient de façon individuelle. Dans ce mémoire, nous avons évalué la réponse aux dommages de l’ADN (RDA) comme biomarqueur potentiel du cancer de la prostate. Les lésions potentiellement oncogènes de l'ADN déclenche une cascade de signalisation favorisant la réparation de l'ADN et l’activation des points de contrôle du cycle cellulaire pour préserver l’intégrité du génome. La RDA est un mécanisme central de suppression tumorale chez l’homme. La RDA joue un rôle important dans l’arrêt de la prolifération des cellules dont les génomes sont compromis, et donc, prévient la progression du cancer en agissant comme une barrière. Cette réponse cellulaire détermine également comment les cellules normales et cancéreuses réagissent aux agents utilisés pour endommager l'ADN lors du traitement du cancer comme la radiothérapie ou la chimiothérapie, en plus la présence d,un certain niveau de RDA dans les cellules du cancer de la prostate peuvent également influer sur l'issue de ces traitements. L’activation des signaux de la RDA peut agir comme un frein au cancer dans plusieurs lésions pré-néoplasiques de l'homme, y compris le cancer de la prostate. Il a été démontré que la RDA est augmentée dans les cellules de néoplasie intra- épithéliale (PIN) comparativement aux cellules prostatiques normales. Toutefois, le devient de la RDA entre le PIN et l’adénocarcinome est encore mal documenté et aucune corrélation n'a été réalisée avec les données cliniques des patients. Notre hypothèse est que les niveaux d’activation de la RDA seront variables selon les différents grades et agressivité du cancer de la prostate. Ces niveaux pourront être corrélés et possiblement prédire les réponses cliniques aux traitements des patients et aider à définir une stratégie plus efficace et de nouveaux biomarqueurs pour prédire les résultats du traitement et personnaliser les traitements en conséquence. Nos objectifs sont de caractériser l'activation de la RDA dans le carcinome de la prostate et corréler ses données avec les résultats cliniques. Méthodes : Nous avons utilisé des micro-étalages de tissus (tissue microarrays- TMAs) de 300 patients ayant subi une prostatectomie radicale pour un cancer de la prostate et déterminé le niveau d’expression de protéines de RDA dans le compartiment stromal et épithélial des tissus normaux et cancéreux. Les niveaux d’expression de 53BP1, p-H2AX, p65 et p-CHK2 ont été quantifiés par immunofluorescence (IF) et par un logiciel automatisé. Ces marqueurs de RDA ont d’abord été validés sur des TMAs-cellule constitués de cellules de fibroblastes normales ou irradiées (pour induire une activation du RDA). Les données ont été quantifiées à l'aide de couches binaires couramment utilisées pour classer les pixels d'une image pour que l’analyse se fasse de manière indépendante permettant la détection de plusieurs régions morphologiques tels que le noyau, l'épithélium et le stroma. Des opérations arithmétiques ont ensuite été réalisées pour obtenir des valeurs correspondant à l'activation de la RDA qui ont ensuite été corrélées à la récidive biochimique et l'apparition de métastases osseuses. Résultats : De faibles niveaux d'expression de la protéine p65 dans le compartiment nucléaire épithélial du tissu normal de la prostate sont associés à un faible risque de récidive biochimique. Par ailleurs, nous avons aussi observé que de faibles niveaux d'expression de la protéine 53BP1 dans le compartiment nucléaire épithéliale du tissu prostatique normal et cancéreux ont été associés à une plus faible incidence de métastases osseuses. Conclusion: Ces résultats confirment que p65 a une valeur pronostique chez les patients présentant un adénocarcinome de la prostate. Ces résultats suggèrent également que le marqueur 53BP1 peut aussi avoir une valeur pronostique chez les patients avec le cancer de la prostate. La validation d'autres marqueurs de RDA pourront également être corrélés aux résultats cliniques. De plus, avec un suivi des patients plus long, il se peut que ces résultats se traduisent par une corrélation avec la survie. Les niveaux d'activité de la RDA pourront éventuellement être utilisés en clinique dans le cadre du profil du patient comme le sont actuellement l’antigène prostatique spécifique (APS) ou le Gleason afin de personnaliser le traitement.

Identification de composé sensibilisant préférentiellement les cellules exprimant les protéines E6 et E7 du VPH à l'irradiation

Le cancer du col utérin (CCU) est dans plus de 99% des cas provoqué par une infection avec le virus du papillome humain (VPH), dont le potentiel oncogénique réside dans l'expression des proto-oncogènes viraux E6/E7. Le potentiel carcinogénique de ces protéines virales réside essentiellement dans leurs actions sur les produits des gènes suppresseurs de tumeur p53 et RB. Les produits de ces gènes, p53 et Rb, font parti des voies de signalisation de réponse aux dommages de l'ADN cellulaire (RDA) et leur perte entraine une perte de fonctionnalité qui mène à une instabilité génomique. À long terme et en présence de d'autres facteurs ceux-ci mèneront au développement d'un cancer. Les protéines E6 et E7 sont constitutivement exprimées dans les cellules du CCU ainsi que dans les cellules de tout autre cancer induit par le VPH et seulement dans ces dernières. La prise en charge des cas avancés de ces cancers se fait principalement par radiothérapie et chimiothérapie concomitante. La chimio-radiothérapie utilisée en traitement est efficace mais résulte en un taux élevé de morbidité et un nombre important de patientes récidiveront. Nous proposons que l'exploitation de l'expression spécifique d’E6 et d’E7 dans les cellules du CCU permette d’envisager une stratégie de létalité synthétique afin d'amplifier l'effet létal de l'irradiation sur les cellules CCU. Ceci permettrait potentiellement d'augmenter l'efficacité du traitement et de diminuer les récidives, ainsi que la morbidité liée au traitement. En s'appuyant sur cette hypothèse, notre objectif est d’identifier des composés dont l'action seule ou couplée à l'irradiation provoquerait préférentiellement la mort des cellules exprimant les protéines E6 et E7 du VPH. Les cellules testées comprennent des cellules isogéniques humaines issues de kératinocytes normaux que nous avons modifiées séquentiellement pour obtenir les modifications associées aux cellules CCU (hTERT, E6 et E7), ainsi que les lignées de cellules de CCU HeLa et CaSki .Nous avons procédé à la mise au point et à la validation du protocole de criblage et des méthodes d’évaluation de la sensibilisation, qui se définit comme une perte de viabilité, un arrêt ou ralentissement de la croissance, par détection d’ATP ainsi que par coloration d’ADN génomique au DRAQ5. Suite à un criblage ciblé impliquant des inhibiteurs connus de la voie de réparation des dommages à l’ADN, nous avons identifié l’inhibiteur de mdm2, Nutlin-3, comme étant un composé sensibilisant et radio-sensibilisant préférentiellement les cellules exprimant E6 et E7 du VPH. La Nutlin-3 a été testée sur des cellules HEKn-hTERT-E6-E7, des cellules CaSki et HeLa. L’effet de sensibilisation et de radio-sensibilisation a été confirmé dans ces trois lignées. Tel que suggéré par son action sur mdmd2, la Nutlin-3 permet la stabilisation de p53 dans les cellules HEKn-hTERT-E6-E7 et CaSki et sa réactivation dans les lignées cellulaires HeLa et CaSki. Malgré cette stabilisation de p53, de façon surprenante, l’effet de la Nutlin-3 sur la sensibilisation et la radio-sensibilisation des cellules HeLa et CaSki semble indépendant de p53, tel qu’observé en utilisant des cellules HeLa-GSE et CaSki-GSE dont le p53 est déficient. In vivo la Nutlin-3a montre dans un essai préliminaire l’inhibition de la croissance tumorale des xénogreffes HeLa chez des souris RAG2γc. Ce résultat reste à confirmer avec un essai impliquant un nombre d’échantillons plus grand. À plus long terme, nous comptons étudier l’implication de mdm2 dans l’effet de sensibilisant de la Nutlin-3 dans les cellules CCUs, ainsi que les autres cibles pouvant être impliquées dans la création de cet effet sensibilisant observé.

Role of oxygen radicals in DNA damage and cancer incidence

The development of cancer in humans and animals is a multistep process. The complex series of cellular and molecular changes participating in cancer development are mediated by a diversity of endogenous and exogenous stimuli. One type of endogenous damage is that arising from intermediates of oxygen (dioxygen) reduction - oxygen-free radicals (OFR), which attacks not only the bases but also the deoxyribosyl backbone of DNA. Thanks to improvements in analytical techniques, a major achievement in the understanding of carcinogenesis in the past two decades has been the identification and quantification of various adducts of OFR with DNA. OFR are also known to attack other cellular components such as lipids, leaving behind reactive species that in turn can couple to DNA bases. Endogenous DNA lesions are genotoxic and induce mutations. The most extensively studied lesion is the formation of 8-OH-dG. This lesion is important because it is relatively easily formed and is mutagenic and therefore is a potential biomarker of carcinogenesis. Mutations that may arise from formation of 8-OH-dG involve GC. TA transversions. In view of these findings, OFR are considered as an important class of carcinogens. The effect of OFR is balanced by the antioxidant action of non-enzymatic antioxidants as well as antioxidant enzymes. Non-enzymatic antioxidants involve vitamin C, vitamin E, carotenoids (CAR), selenium and others. However, under certain conditions, some antioxidants can also exhibit a pro-oxidant mechanism of action. For example, beta-carotene at high concentration and with increased partial pressure of dioxygen is known to behave as a pro-oxidant. Some concerns have also been raised over the potentially deleterious transition metal ion-mediated (iron, copper) pro-oxidant effect of vitamin C. Clinical studies mapping the effect of preventive antioxidants have shown surprisingly little or no effect on cancer incidence. The epidemiological trials together with in vitro experiments suggest that the optimal approach is to reduce endogenous and exogenous sources of oxidative stress, rather than increase intake of anti-oxidants. In this review, we highlight some major achievements in the study of DNA damage caused by OFR and the role in carcinogenesis played by oxidatively damaged DNA. The protective effect of antioxidants against free radicals is also discussed.

An Anisotropic Model of Damage and Unilateral Effect for Brittle Materials

This work deals with the initial applications and formulation of an aniscitropic plastic-damage constitutive model proposed for non-linear analysis of reinforced concrete structures submitted to a loading with change of the sign. The original constitutive model is based on the fundamental hypothesis of energy equivalence between real and continuous medium following the concepts of the Continuum Damage Mechanics. The concrete is assumed as an initial elastic isotropic medium presenting anisotropy, permanent strains and bimodularity (distinct elastic responses whether traction or compression stress states prevail) induced by damage evolution. In order to take into account the bimodularity, two damage tensors governing the rigidity in tension or compression regimes are introduced. Then, some conditions are introduced in the original version of the model in order to simulate the damage unilateral effect. The three-dimensional version of the proposed model is analyzed in order to validate its formulation when compared to micromechanical theory. The one-dimensional version of the model is applied in the analyses of a reinforced concrete beam submitted to a loading with change of the sign. Despite the parametric identification problems, the initial applications show the good performance of the model.

Assessment of DNA damage induced by extracts, fractions and isolated compounds of Davilla nitida and Davilla elliptica (Dilleniaceae)

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Structural integrity identification based on smart materials and neural networks

This paper presents a non-model based technique to detect, locate, and characterize structural damage by combining the impedance-based structural health monitoring technique with an artificial neural network. The impedance-based structural health monitoring technique, which utilizes the electromechanical coupling property of piezoelectric materials, has shown engineering feasibility in a variety of practical field applications. Relying on high frequency structural excitations (typically>30 kHz), this technique is very sensitive to minor structural changes in the near field of the piezoelectric sensors. In order to quantitatively assess the state of structures, two sets of artificial neural networks, which utilize measured electrical impedance signals for input patterns, were developed. By employing high frequency ranges and by incorporating neural network features, this technique is able to detect the damage in its early stage and to estimate the nature of damage without prior knowledge of the model of structures. The paper concludes with an experimental example, an investigation on a massive quarter scale model of a steel bridge section, in order to verify the performance of this proposed methodology.

Structural FRF acquisition via electric impedance measurement applied to damage location

Continuing development of new materials makes systems lighter and stronger permitting more complex systems to provide more functionality and flexibility that demands a more effective evaluation of their structural health. Smart material technology has become an area of increasing interest in this field. The combination of smart materials and artificial neural networks can be used as an excellent tool for pattern recognition, turning their application adequate for monitoring and fault classification of equipment and structures. In order to identify the fault, the neural network must be trained using a set of solutions to its corresponding forward Variational problem. After the training process, the net can successfully solve the inverse variational problem in the context of monitoring and fault detection because of their pattern recognition and interpolation capabilities. The use of structural frequency response function is a fundamental portion of structural dynamic analysis, and it can be extracted from measured electric impedance through the electromechanical interaction of a piezoceramic and a structure. In this paper we use the FRF obtained by a mathematical model (FEM) in order to generate the training data for the neural networks, and the identification of damage can be done by measuring electric impedance, since suitable data normalization correlates FRF and electrical impedance.

Adaptive filter feature identification for structural health monitoring in an aeronautical panel

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

DNA damage and aberrant crypt foci as putative biomarkers to evaluate the chemopreventive effect of annatto (Bixa orellana L.) in rat colon carcinogenesis

Chemoprevention opens new perspectives in the prevention of cancer and other degenerative diseases. Use of target-organ biological models at the histological and genetic levels can markedly facilitate the identification of such potential chemopreventive agents. Colon cancer is one of the highest incidence rates throughout the world and some evidences have indicated carotenoids as possible agents that decrease the risk of colorectal cancer. In the present study, we evaluate the activity of annatto (Bixa orellaria L.), a natural food colorant rich in carotenoid, on the formation of aberrant crypt foci (ACF) induced by dimethy1hydrazine (DMH) in rat colon. Further, we investigate, the effect of annatto on DMH-induced DNA damage, by the comet assay. Male Wistar rats were given s.c. injections of DMH (40 mg/kg body wt.) twice a week for 2 weeks to induce ACE They also received experimental diets containing annatto at 20, 200 or 1000 ppm for five 5 weeks before (pre-treatment), or 10 weeks after (post-treatment) DMH treatment. In both protocols the rats were sacrificed on week 15th. For the comet assay, the animals were fed with the same experimental diets for 2 weeks. Four hours before the sacrifice, the animals received an s.c. injection of DMH (40 mg/kg body wt.). Under such conditions, dietary administration of 1000 ppm annatto neither induce DNA damage in blood and colon cells nor aberrant crypt foci in rat distal colon. Conversely, annatto was successful in inhibiting the number of crypts/colon (animal), but not in the incidence of DMH-induced ACF, mainly when administered after DMH. However, no antigenotoxic effect was observed in colon cells. These findings suggest possible chemopreventive effects of annatto through their modulation of the cryptal cell proliferation but not at the initiation stage of colon carcinogenesis. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Non-linear analysis of reinforced concrete plates by the boundary element method and continuum damage mechanics

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Adaptive filter feature identification for structural health monitoring in aeronautical panel

This paper presents an approach for structural health monitoring (SHM) by using adaptive filters. The experimental signals from different structural conditions provided by piezoelectric actuators/sensors bonded in the test structure are modeled by a discrete-time recursive least square (RLS) filter. The biggest advantage to use a RLS filter is the clear possibility to perform an online SHM procedure since that the identification is also valid for non-stationary linear systems. An online damage-sensitive index feature is computed based on autoregressive (AR) portion of coefficients normalized by the square root of the sum of the square of them. The proposed method is then utilized in a laboratory test involving an aeronautical panel coupled with piezoelectric sensors/actuators (PZTs) in different positions. A hypothesis test employing the t-test is used to obtain the damage decision. The proposed algorithm was able to identify and localize the damages simulated in the structure. The results have shown the applicability and drawbacks the method and the paper concludes with suggestions to improve it. ©2010 Society for Experimental Mechanics Inc.

Identification of foliar diseases in cotton crop

The pathogens manifestation in plantations are the largest cause of damage in several cultivars, which may cause increase of prices and loss of crop quality. This paper presents a method for automatic classification of cotton diseases through feature extraction of leaf symptoms from digital images. Wavelet transform energy has been used for feature extraction while Support Vector Machine has been used for classification. Five situations have been diagnosed, namely: Healthy crop, Ramularia disease, Bacterial Blight, Ascochyta Blight, and unspecified disease. © 2012 Taylor & Francis Group.

Molecular identification and antimicrobial susceptibility of Nocardia spp. isolated from bovine mastitis in Brazil

Nocardia spp. infections can cause severe damage to the mammary gland due to suppurative pyogranulomatous lesions and lack of clinical cure in response to conventional antimicrobial therapy. Although Nocardia infections are considered relatively uncommon in cows, there has been an apparent worldwide increase in the incidence of bovine mastitis caused by Nocardia spp, perhaps due to environmental transmission of this ubiquitous pathogen. The objectives of present study were to determine: (i) species distribution of 80 Nocardia isolates involved in bovine mastitis (based on molecular methods); and (ii) antimicrobial susceptibility pattern of all isolates from three geographical areas in Brazil. In this study, Nocardia nova (80%) was the most frequently isolated species, followed by Nocardia farcinica (9%). Additionally, Nocardia puris, Nocardia cyriacigeorgica, Nocardia veterana, Nocardia africana, and Nocardia arthritidis were detected using 16S rRNA sequencing. This is apparently the first report of N. puris, N. veterana, N. cyriacigeorgica, N. arthritidis and N. africana in association with bovine mastitis. Based on the disk diffusion test, isolates were most frequently resistant to cloxacillin (75%), ampicillin (55%) and cefoperazone (47%), whereas few Nocardia spp. were resistant to amikacin, cefuroxime or gentamicin. © 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.