Biliverdin modulates the expression of C5aR in response to endotoxin in part via mTOR signaling

Macrophages play a crucial role in the maintenance and resolution of inflammation and express a number of pro- and anti-inflammatory molecules in response to stressors. Among them, the complement receptor 5a (C5aR) plays an integral role in the development of inflammatory disorders. Biliverdin and bilirubin, products of heme catabolism, exert anti-inflammatory effects and inhibit complement activation. Here, we define the effects of biliverdin on C5aR expression in macrophages and the roles of Akt and mammalian target of rapamycin (mTOR) in these responses. Biliverdin administration inhibited lipopolysaccharide (LPS)-induced C5aR expression (without altering basal expression), an effect partially blocked by rapamycin, an inhibitor of mTOR signaling. Biliverdin also reduced LPS-dependent expression of the pro-inflammatory cytokines TNF-alpha and IL-6. Collectively, these data indicate that biliverdin regulates LPS-mediated expression of C5aR via the mTOR pathway, revealing an additional mechanism underlying biliverdin's anti-inflammatory effects.

Effect of water on the electrochemical oxidation process of biliverdin in dimethylformamide

A systematic study has been made for the electrochemical oxidation reaction of biliverdin (BV) in pure dimethylformamide (DMF) and in DMF - H2O mixed solvent by in situ time resolved spectroelectrochemical and cyclic voltametric techniques. The experiments show that not only the oxidation of BV is promoted, the reaction mechanism is also changed from a ECEC to a ECCECC process by the introduction of water into DMF.

STUDY ON THE REDOX PROCESS OF BILIRUBIN AND BILIVERDIN AT PLATINUM-ELECTRODE BY IN-SITU SPECTROELECTROCHEMISTRY

The electrochemical redox behavior of bilirubin (BR IValpha), biliverdin (BV IValpha) and their oxidized product bile-purpurin (Bi-Pu) have been studied by in situ spectroelectrochemical techniques, which reveals that the transformation of BR IValpha [GRA

STUDY ON THE ELECTROOXIDATION OF BILIVERDIN BY IN-SITU THIN-LAYER SPECTROELECTROCHEMISTRY

The electrooxidation reaction of biliverdin (BY) is studied by in situ spectroelectrochemistry with rapid spectra scanning in an optically transparent thin-layer cell. The study reveals that the oxidation process of BY is very complicated and involves many stages. The average formal potential of BY is obtained for the first time as E-degrees' = 0.634 V (vs- Ag/AgCl), and the electrooxidation mechanism of BY is proposed.

APPLICATIONS OF RAPID SCAN SPECTROELECTROCHEMISTRY - DETERMINATION OF HETEROGENEOUS ELECTRON-TRANSFER RATE-CONSTANT OF BILIVERDIN OXIDATION

The rapid scan spectrometer was used to determine the heterogeneous electron transfer rate parameters for the oxidation of Biliverdin in DMF by single potential step thin layer spectroelectrochemical techniques and yielded an average formal heterogeneous electron transfer rate constant K(s, h)0' = 2.45 (+/-0.12) x 10(-4) cm s-1, electrochemical transfer coefficient alpha = 0.694+/-0.008. The oxidation process of Biliverdin was also studied and the formal potential E0 = 0.637 V (vs. Ag/AgCl) was obtained.

Heme oxygenase-1 in cardiovascular diseases

Myocardial infarction (MI) and heart failure are major causes of morbidity and mortality worldwide. Treatment of MI involves early restoration of blood flow to limit infarct size and preserve cardiac function. MI leads to left ventricular remodeling, which may eventually progress to heart failure, despite the established pharmacological treatment of the disease. To improve outcome of MI, new strategies for protecting the myocardium against ischemic injury and enhancing the recovery and repair of the infarcted heart are needed. Heme oxygenase-1 (HO-1) is a stress-responsive and cytoprotective enzyme catalyzing the degradation of heme into the biologically active reaction products biliverdin/bilirubin, carbon monoxide (CO) and free iron. HO-1 plays a key role in maintaining cellular homeostasis by its antiapoptotic, anti-inflammatory, antioxidative and proangiogenic properties. The present study aimed, first, at evaluating the role of HO-1 as a cardioprotective and prohealing enzyme in experimental rat models and at investigating the potential mechanisms mediating the beneficial effects of HO-1 in the heart. The second aim was to evaluate the role of HO-1 in 231 critically ill intensive care unit (ICU) patients by investigating the association of HO-1 polymorphisms and HO-1 plasma concentrations with illness severity, organ dysfunction and mortality throughout the study population and in the subgroup of cardiac patients. We observed in an experimental rat MI model, that HO-1 expression was induced in the infarcted rat hearts, especially in the infarct and infarct border areas. In addition, pre-emptive HO-1 induction and CO donor pretreatment promoted recovery and repair of the infarcted hearts by differential mechanisms. CO promoted vasculogenesis and formation of new cardiomyocytes by activating c-kit+ stem/progenitor cells via hypoxia-inducible factor 1 alpha, stromal cell-derived factor 1 alpha (SDF-1a) and vascular endothelial growth factor B, whereas HO-1 promoted angiogenesis possibly via SDF-1a. Furthermore, HO-1 protected the heart in the early phase of infarct healing by increasing survival and proliferation of cardiomyocytes. The antiapoptotic effect of HO-1 persisted in the late phases of infarct healing. HO-1 also modulated the production of extracellular matrix components and reduced perivascular fibrosis. Some of these beneficial effects of HO-1 were mediated by CO, e.g. the antiapoptotic effect. However, CO may also have adverse effects on the heart, since it increased the expression of extracellular matrix components. In isolated perfused rat hearts, HO-1 induction improved the recovery of postischemic cardiac function and abrogated reperfusion-induced ventricular fibrillation, possibly in part via connexin 43. We found that HO-1 plasma levels were increased in all critically ill patients, including cardiac patients, and were associated with the degree of organ dysfunction and disease severity. HO-1 plasma concentrations were also higher in ICU and hospital nonsurvivors than in survivors, and the maximum HO-1 concentration was an independent predictor of hospital mortality. Patients with the HO-1 -413T/GT(L)/+99C haplotype had lower HO-1 plasma concentrations and lower incidence of multiple organ dysfunction. However, HO-1 polymorphisms were not associated with ICU or hospital mortality. The present study shows that HO-1 is induced in response to stress in both experimental animal models and severely ill patients. HO-1 played an important role in the recovery and repair of infarcted rat hearts. HO-1 induction and CO donor pretreatment enhanced cardiac regeneration after MI, and HO-1 may protect against pathological left ventricular remodeling. Furthermore, HO-1 induction potentially may protect against I/R injury and cardiac dysfunction in isolated rat hearts. In critically ill ICU patients, HO-1 plasma levels correlate with the degree of organ dysfunction, disease severity, and mortality, suggesting that HO-1 may be useful as a marker of disease severity and in the assessment of outcome of critically ill patients.

Análise de uma heme oxigenase funcional em Trypanosoma cruzi

O Trypanosoma cruzi é o agente etiológico da doença de Chagas, transmitida através de insetos vetores triatomíneos durante a alimentação no hospedeiro vertebrado. Os triatomíneos ingerem numa única alimentação cerca de 10 mM de heme ligado à hemoglobina. O heme é uma importante molécula no metabolismo dos organismos. Um mecanismo intracelular importante no controle de sua homeostase é a degradação enzimática pela Heme Oxigenase (HO) formando biliverdina (Bv), monóxido de carbono e ferro. Como esta enzima não está presente no genoma de T. cruzi, esse trabalho tem por objetivo identificar uma atividade funcional de HO neste parasito, uma vez que dados do nosso laboratório mostram a presença de biliverdina nas incubações dessas células com heme. No presente trabalho testamos o efeito do SnPPIX (inibidor da HO-1), CoPPIX (indutor da HO-1) e Bv sobre a proliferação da forma epimastigota do parasito. A adição de SnPPIX diminuiu a proliferação do parasito na tanto na ausência quanto na presença de heme. Quando a Bv foi adicionada à cultura esse efeito foi revertido; a Bv aumenta a proliferação celular na presença de heme. Por outro lado, a adição de CoPPIX não interferiu na proliferação. Posteriormente, mostramos através da técnica de immunoblotting, utilizando anticorpo monoclonal contra a HO-1, um aumento da expressão de uma proteína em resposta ao heme. Diferentemente das HO-1 já descritas que possuem massa molecular de 32 kDa, a única banda reconhecida pelo anticorpo apresenta 45 kDa. Analisamos também a expressão da HO-1 na presença de CoPPIX, SnPPIX e biliverdina, e somente o CoPPIX foi capaz de modular os níveis de expressão da HO-1. A análise estrutural através da técnica de imunocitoquímica mostrou uma maior expressão da enzima na presença de heme, e que a HO-1 de T. cruzi pode ter mais de uma localização, apresentando marcação citoplasmática e glicossomal. A fim de investigar a sequência da HO-1 de T. cruzi, o DNA genômico foi extraído para amplificação por PCR do gene da HO-1 utilizando oligonucleotídeos desenhados no genoma de T. cruzi. Os dois pares de oligonucleotídeos utilizados nao foram capazes de amplificar uma sequência equivalente a uma HO. Em seguida, utilizamos a técnica de imunoprecipitação, seguida de immunoblotting, com anticorpo anti-HO-1, com objetivo de concentrar a proteína alvo, e observamos um aumento significativo do imunocomplexo nas células tratadas com heme 300 mM, cerca de 2 vezes em relação ao controle. Dando seguimento à tentativa de identificação da HO-1 de T. cruzi, utilizamos a técnica de espectrometria de massa a partir de eletroforese unidimensional, que mostrou uma grande alteração do perfil protéico na presença de heme, mas futuros experimentos são necessários, como eletroforese 2D, para a identificação da proteína alvo

Análise e identificação de produtos do catabolismo de heme nas formas epimastigotas de Trypanosoma cruzi

O Trypanosoma cruzi, agente etiológico da doença de Chagas, possui um ciclo de vida complexo, deve lidar com diversas condições do ambiente e depende dos hospedeiros para suprir suas necessidades nutricionais. Uma delas é a necessidade de captar a molécula de heme (Fe-protoporfirina IX) que será utilizada como fator de crescimento. Os mecanismos envolvendo o metabolismo de heme são cruciais para a sobrevivência do T. cruzi pois o parasito não possui várias enzimas de biossíntese dessa porfirina e o heme livre pode apresentar citotoxicidade para célula. Na tentativa de perseguir o destino final do heme no parasito, nós estudamos essa via inexplorada no T. cruzi. Nessa tese, nós demonstramos que epimastigotas cultivados com heme, produziram os compostos, α-meso hidroxiheme, verdoheme e biliverdina (identificados por HPLC acoplado á espectrofotômetria). Além disso, nós observamos através de análise dos extratos de epimastigotas no espectrômetro de massas (LQT Orbitrap), espécies iônicas de m/z 583,4 e m/z 619,3. A fragmentação subsequente desses íons originaram espécies filhas típicas das moléculas de biliverdina e verdoheme, respectivamente. Nós observamos também, espécies iônicas de m/z 1397,4 e m/z 1135,4. A fragmentação dessas espécies produziram íons, sendo um deles com a mesma massa molecular de heme (m/z 616,3). Essa espécie iônica por sua vez, gerou fragmentos iônicos idênticos a uma molécula de heme, confirmando que esses intermediários são produtos da modificação da porfirina. Baseado nesses resultados, nós propomos um modelo onde o catabolismo de heme em T. cruzi, envolveria a conjugação da bis(glutationil)spermina, um derivado da tripanotiona presente em tripanossomatídeos, à porfirina (m/z 1137,4), seguido da remoção de dois resíduos de ácidos glutâmicos (m/z 1135,4). Embora o significado bioquímico e fisiológico da adição desse resíduo tiol na molécula de heme ainda é pouco compreendido, alguns trabalhos demonstram a abilidade desses compostos em ligar na porfirina, sem contar também, que esse heme conjugado poderia resultar em uma forma efetiva de prevenção de danos à membrana e a célula ocasionados pelo acúmulo de heme livre. Em conjunto, esses resultados fornecem novas abordagens do metabolismo de heme em T. cruzi, revelando possíveis alvos de intervenção quimioterápica futuros. Nossa proposta está direcionada para uma via ativa de catabolismo de heme que inclui a adição de grupos tiol (derivado da tripanotiona) à heme e a clivagem do anel porfirínico originando a molécula de biliverdina.

Modulação redox da homeostase de células musculares lisas através de estimuladores do sistema NADPH oxidase

As doenças cardiovasculares representam a principal causa de morte nos países ocidentais. Dentre essas doenças, a aterosclerose é que mais se destaca, sendo caracterizada pelo acúmulo de células musculares lisas vasculares (CMLV). O efeito patológico das CMLV em resposta a diferentes estímulos pode acarretar em disfunções nestas células. É notável que a aterosclerose ocorra principalmente em vasos sinuosos onde ocorre um forte turbilhonamento do fluxo sanguíneo, que pode acarretar em hemólise e, consequentemente, acúmulo de heme livre. Além disso, no processo de aterogênese as moléculas de adesão, principalmente integrinas, são de crucial importância durante a resposta de CMLV. Nesse trabalho nosso objetivo inicial foi avaliar o efeito do heme livre nas funções de CMLV, bem como os mecanismos moleculares por trás desses efeitos. Em uma segunda parte, investigamos o envolvimento da integrina α1ß1 no efeito da Angiotensina II (Ang II) em CMLV. Nós observamos que o heme livre é capaz de induzir a proliferação e migração de CMLV via espécies reativas de oxigênio (ERO) provenientes da NADPHoxidase (NADPHox). Adicionalmente vimos que o heme ativa vias de sinalização redox-sensíveis relacionadas à proliferação celular, como MAPKinases e o fator de transcrição NFκB. Também observamos que há uma ligação entre a NADPHox e o sistema heme oxigenase (HO), uma vez que o heme induz a expressão de HO-1 e o pré-tratamento das CMLV com inibidores de HO levam ao aumento tanto o efeito proliferação quanto a indução de ERO promovidas pelo heme. Além disso, vimos que o efeito contra-regulatório promovido pela HO ocorre devido as metabolites do heme: biliverdina, bilirrubina e monóxido de carbono. Por último, quando bloqueamos tanto a NADPHox quanto o sistema HO o heme não teve efeito algum na proliferação de CMLV. Em um segundo estudo, observamos que o efeito da Ang II sobre a migração de CMLV foi inibido quando as células foram pré-tratadas com o ligante da integrina α1ß1, a desintegrina Obtustatina. A seguir observamos que o efeito da Ang II na ativação de FAK e na colocalização actina-ILK é dependente da integrina α1ß1, que possivelmente ativa PKCα, uma vez que vimos que a produção de ERO induzida por Ang II foi inibida pela Obtustatina. Vimos que a indução da expressão de ILK por Ang II em CMLV é dependente da integrina α1ß1 e também observamos que a Obtustatina inibibiu o desacoplamento de ILK da FAK, uma vez que a Obtustatina bloqueou a fosforilação de FAK induzida por Ang II (processo crucial para o desacoplamento da ILK). Nós também observamos que a Ang II induz, via integrina α1ß1, a fosforilação de AKT e a diminuição da expressão de p21, provavelmente via ILK. Corroborando estes dados, nós mostramos que o pré-tratamento com Obtustatina induziu um estacionamento na fase G0 e diminuição da proliferação de CMLV tratadas com Ang II. Portanto, mostramos nesse trabalho que o heme livre induz a ativação de CML via NADPHox, que é elegantemente contra-regulado pelo sistema HO. Além disso, sugerimos que a integrina α1ß1 pode ser um importante alvo molecular para o desenvolvimento de intervenções mais efetivas para a aterosclerose.

Inductive transcription and protective role of fish heme oxygenase-1 under hypoxic stress

Heme oxygenase-1 is the rate-limiting enzyme in the degradation of heme into biliverdin, carbon monoxide and free divalent iron. In this study, we cloned heme oxygenase isoform 1 (CaHO-1) from a hypoxia-tolerant teleost fish Carassius auratus. The full-length cDNA of CaHO-1 is 1247 bp and encodes a protein of 272 amino acids. RT-PCR and real-time PCR analysis indicated that CaHO-1 was predominantly transcribed in posterior kidney, head kidney, gill and intestine, and induction of gene transcription was observed predominantly in posterior kidney under hypoxic stress. Moreover, the hypoxia-induced transcription was confirmed in goldfish larvae and in in vitro cultured CAB cells. Fluorescence of the HO-1-GFP fusion protein revealed a cytoplasmic and plasma membrane localization, which was consistent with the putative transmembrane structure. Subsequently, we established a stably transfected CAB/pcDNA3.1-HO-1 cell line and a control CAB/pcDNA3.1 cell line, and found that the number of dead cells was obviously reduced in the pcDNA3.1-HO-1-transfected group following 4 days of hypoxic (1% O-2) treatment in comparison with numerous detached dead cells in the control pcDNA3.1-transfected cells. Furthermore, a significant cell viability difference between the two kinds of transfected cells during hypoxia-reoxygenation was revealed. Therefore, the data suggest that fish HO-1 might play a significant protective role in cells in response to hypoxic stress.

A NEW SIMPLE LONG-PATH-LENGTH THIN-LAYER SPECTROELECTROCHEMICAL CELL IN VARIOUS USES

This article describes the design of a new type of long-path-length thin-layer cell (LPTLC), which is constructed by inserting two Teflon cell bodies into a standard cuvette. This cuvette holder enables the LPTLC to combine with photometric instrumentation conveniently. Gold, platinum, glassy carbon, and other materials can be used for the working electrode. Since no soluble adhesive material is used, the cell can meet various needs (in situ conventional and derivative W-vis, in situ circular dichroism, etc.) in both aqueous and nonaqueous systems.

ELECTROCHEMICAL REDUCTION PROCESS OF BILIRUBIN IN DIMETHYLFORMAMIDE

The electrochemical reduction behavior of bilirubin (BR) at platinum electrode in DMF was investigated by cyclic voltammetry, in situ electron spin resonance spectroscopy and in situ rapid scanning thin layer spectroelectrochemistry. Experimental results revealed that the reduction of BR firstly undergoes an ECE process: GRAPHICS The generated (BR)(2)(3-). can be re-oxidized to BR and then to purpurin (Pu) by a series of oxidation processes: GRAPHICS However, the re-reduction reactions of Pu are not the reverse processes. The different reduction mechanisms are discussed in detail.

INVESTIGATION ON MECHANISMS FOR THE ELECTROOXIDATION OF SOME BILE-PIGMENTS BY SPECTROELECTROCHEMISTRY

The electrooxidation behavior of bilirubin (BR), biliverdin (BV), purpurin (Pu), and choletelin (Ch in dimethylformamide (DMF) have been investigated bv voltammetry, in situ electron spin resonance (ESR) thin-layer spectroelectrochemistry and especially i

Comparison of the total amount of eggshell pigments in Dongxiang brown-shelled eggs and Dongxiang blue-shelled eggs

Based on the knowledge of the heme biosynthetic and metabolic pathway and the structures of biliverdin and protoporphyrin, experiments were carried out to compare the difference between the total quality of eggshell pigments in blue-shelled eggs and brown-shelled eggs from the same population (Dongxiang, China) and to analyze the correlation between the quantity of protoporphyrin and biliverdin in the 2 kinds of eggshells. It was found that there was no significant difference between the total quantity of eggshell pigments in Dongxiang blue-shelled eggs and Dongxiang brown-shelled eggs (P = 0.9006), and a highly significant positive correlation between the quantity of protoporphyrin and biliverdin in blue eggshells (P < 0.01) and a significant positive correlation between the quantity of protoporphyrin and biliverdin in brown eggshells (P < 0.05). These results suggested that eggshell protoporphyrin and eggshell biliverdin probably derived from common precursor material.