Understanding Human Carboxylesterase 2

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Engineering and Technology Sciences, Biotechnology

In vitro and in vivo inhibition of acetylcholinesterase and carboxylesterase by metals in zebrafish (Danio rerio)

Metals are natural components in ecosystems; however, if these elements are in excess, they can have adverse effects on living organisms. This study analyzes the interference of copper, lead, iron and cadmium in acetylcholinesterase (AChE) and carboxylesterase (CbE) activities in zebrafish. AChE was significantly inhibited in vitro by copper, iron, lead and cadmium at higher concentrations (10 and 20 mmol/L), whereas CbE was inhibited only at a concentration of 20 mmol/L. In vivo, only lead and cadmium were able to cause AChE inhibition at higher concentrations, while iron didn't cause any changes, and copper promoted an increase in AChE activity at a concentration of 0.06 mg/L. CbE activity did not change at any of the times (two and seven days) and concentrations tested, except in the case of copper exposure, which resulted in a decrease in CbE activity. Indeed, iodoacetamide treatment didn't changed AChE neither CbE activities, results which indicate that the metal inhibiting effect is probably not due to its biding to thiol groups close the active site of the enzyme. This outcome reveals that metals are important esterase inhibitors in zebrafish, and should be considered in environmental monitoring studies that use esterase inhibition as exposure biomarkers of organophosphate and carbamate pesticides. © 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

A single amino acid substitution converts a carboxylesterase to an organophosphorus hydrolase and confers insecticide resistance on a blowfly

Resistance to organophosphorus (OP) insecticides is associated with decreased carboxylesterase activity in several insect species. It has been proposed that the resistance may be the result of a mutation in a carboxylesterase that simultaneously reduces its carboxylesterase activity and confers an OP hydrolase activity (the “mutant ali-esterase hypothesis”). In the sheep blowfly, Lucilia cuprina, the association is due to a change in a specific esterase isozyme, E3, which, in resistant flies, has a null phenotype on gels stained using standard carboxylesterase substrates. Here we show that an OP-resistant allele of the gene that encodes E3 differs at five amino acid replacement sites from a previously described OP-susceptible allele. Knowledge of the structure of a related enzyme (acetylcholinesterase) suggests that one of these substitutions (Gly137 → Asp) lies within the active site of the enzyme. The occurrence of this substitution is completely correlated with resistance across 15 isogenic strains. In vitro expression of two natural and two synthetic chimeric alleles shows that the Asp137 substitution alone is responsible for both the loss of E3’s carboxylesterase activity and the acquisition of a novel OP hydrolase activity. Modeling of Asp137 in the homologous position in acetylcholinesterase suggests that Asp137 may act as a base to orientate a water molecule in the appropriate position for hydrolysis of the phosphorylated enzyme intermediate.

Susceptibilidade de pacus, Piaractus mesopotamicus (Holmberg, 1887), sob hipoxia aos agrotóxicos organofosforados

A ação inibitória dos organofosforados sobre as esterases, por ser específica, pode ser empregada como um eficiente biomarcador da exposição de seres vivos aos organofosforados. A inibição da acetilcolinesterase (AChE; EC 3.1.1.7) provoca acúmulo do neurotransmissor acetilcolina nas fendas sinápticas colinérgicas, o que pode resultar na morte do indivíduo. Outra atividade também afetada por organofosforados é a da enzima carboxilesterase (CarbE; EC 3.1.1.1). CarbE estão envolvidas na fase I da biotransformação de xenobióticos e atuam como captadoras (scavengers) de organofosfatos, incluindo os formados pela biotransformação dos organofosforados. As CarbE estudadas até hoje se ligam com maior velocidade aos organofosfatos do que as colinesterases. Por isto se admite que CarbE possam diminuir, por captação estequiométrica, a ligação tóxica de moléculas de organofosfatos às acetilcolinesterases das sinapses colinérgicas e das placas motoras dos músculos. Experimentos realizados em nosso laboratório mostraram que a atividade da CarbE está aproximadamente 50% menor no soro e no fígado de pacus submetidos à hipoxia. Por causa disso, em razão de uma possível diminuição da capacidade captadora da CarbE, decidimos verificar se o pacu em hipoxia seria mais sensível aos agrotóxicos organofosforados. Para este propósito foram colocados seis pacus divididos em dois tanques. No primeiro tanque, os animais foram submetidos a 24 horas de hipoxia seguidos por mais 4 horas de exposição ao organofosforado metilparation em duas concentrações diferentes (0,02 ou 0,01 mg / L). No segundo tanque os animais permaneceram em normoxia durante o mesmo período de 24 horas e depois foram expostos ao metilparation como no primeiro tanque. As atividades da AChE ensaiada com acetiltiocolina, a da butirilcolinesterase (BChE) ensaiada com butiriltiocolina e a da CarbE ensaiada com p-nitrofenilacetato foram avaliadas no soro, fígado, cérebro, músculo e coração dos pacus. Houve redução de aproximadamente 35% da atividade de CarbE no soro dos pacus submetidos a 24 horas de hipoxia. Uma queda de 85% na atividade de CarbE do soro foi observada nos animais que sofreram hipoxia e subsequente exposição a 0,02 mg de metilparation por litro. Com metilparation a 0,01 mg/L a diminuição observada foi de 48,2%. No músculo dos pacus expostos a 0,02 mg/L, as atividades de AChE e BChE cairam pela metade quando os mesmos foram submetidos à hipoxia quando comparados a animais que permaneceram em normoxia. Nos diversos tecidos dos pacus expostos a 0,01 mg/L de metilparation não observamos diferenças significativas nas atividades de AChE, BChE ou CarbE. Concluímos que a duplicação da concentração de metilparation de 0,01 para 0,02 mg/L levou à atividade residual de CarbE do soro de 51,8% para 15%. A ausência de mudanças nas atividades das esterases dos tecidos de animais expostos a 0,01 mg/L entre os grupos hipoxia e normoxia deve ter ocorrido porque a concentração de organofosforado não foi suficiente para superar a primeira barreira de proteção das esterases séricas e atingir os tecidos. Mas, no experimento com 0,02 mg/L de metilparation, as inibições de AChE e de BChE no músculo dos animais em hipoxia podem ser explicadas pela diminuição da atividade de CarbE do soro dos pacus.

Carboxilesterase como biomarcador de hipoxia em peixes

Quando as esterases acetilcolinesterase (AChE), butirilcolinesterase (BChE) e carboxilesterase (CarbE) hidrolisam ésteres de fosfato seus sítios ativos sofrem fosfatação inibitória. Por isto, tal fosfatação pode proteger seres vivos contra o espalhamento de xenobióticos organofosforados dentro de seus corpos, já que estas enzimas têm a capacidade de captar moléculas de pesticidas organofosforados estequiometricamente. Os organismos terrestres vivem em um ambiente com mais oxigênio do que os organismos aquáticos. Na água, quando o nível de oxigênio atinge aproximadamente 2,6 mg/L o ambiente está em hipoxia. Este fenômeno afeta ecossistemas aquáticos, uma vez que muitos organismos não conseguem se adaptar à baixa do oxigênio. Estudamos peixes em hipoxia e hiperoxia para entender melhor a bioquímica do funcionamento de suas enzimas captadoras de organofosforados quando eles estão expostos às variações físico-químicas de seus habitats. Dois grupos de no mínimo seis pacus (Piaractus mesopotamicus), seis peixes dourados (Carassius auratus auratus), seis tilápias (Oreochromis niloticus niloticus), seis piavussus (Leporinus macrocephalus), seis apaiaris (Astronotus ocellatus), ou seis carpas (Cyprinus carpio carpio) foram aclimatados à temperatura ambiente em dois aquários de 250 L. No primeiro aquário, pelo menos três animais ensaio de cada espécie sofreram hipoxia por diminuição da concentração de oxigênio até 0,5 mg/L através de borbulhamento de nitrogênio na água. Quando estes animais atingiram a hipoxia foram mantidos a 0,5 mg/L de oxigênio por 6, 8, 24 ou, no máximo, por 42 horas. Três peixes controle de cada espécie foram mantidos em normoxia (4,5 até 7,0 mg/L de oxigênio). Após estes tempos houve a retirada de cerca de 3,5 mL de sangue e dos fígados. Depois de coagular, o sangue foi centrifugado para retirada do soro sobrenadante, que foi usado como amostra para ensaios das esterases. Os fígados foram armazenados em freezer a -70 C e, no momento do ensaio, homogeneizados e centrifugados para obter as frações citosólica e microssomal. As atividades das esterases foram ensaiadas em espectrofotômetro com os substratos acetiltiocolina, butiriltiocolina ou p-nitrofenilacetato. As atividades sobre p-nitrofenilacetato (CarbE) do soro e do fígado sofreram queda em todos os exemplares das espécies submetidos à hipoxia. Tipicamente, esta atividade caiu cerca de 50% nos soros de pacus mantidos por 42 h sob concentrações de oxigênio abaixo de 1,0 mg/L. O tempo para que ocorresse a queda desta atividade enzimática variou de espécie para espécie.

Carboxilesterase na adaptação do metabolismo de lipídios do pacu à hipoxia

Os peixes são vertebrados que vivem em vários habitats. Adaptações de sua fisiologia e de sua bioquímica são estudadas para entender como conseguem sobreviver aos desafios presentes em cada ambiente. A diminuição da concentração de oxigênio dissolvido na água é um fenômeno natural cíclico em águas do Pantanal e da Amazônia. A crescente poluição antrópica dos rios da Amazônia e do Pantanal pode, somada à hipoxia, oferecer ameaça à permanência de muitas espécies de peixes. Ao estudarmos a carboxilesterase (CarbE), enzima importante para a biotransformação de xenobióticos, observamos que sua atividade diminuía em plasma de pacu, um peixe típico do Pantanal, mantido em hipoxia durante 42 horas. As carboxilesterases participam de inúmeras reações químicas no organismo, incluindo uma transesterificação capaz de produzir ésteres etílicos tóxicos de ácido graxo (FAEE, fatty acid ethyl esters) a partir de etanol e ésteres de ácidos graxos. Já que a diminuição da atividade de CarbE poderia ser uma vantagem, pois que o etanol (um produto da glicólise em peixes sob hipoxia) seria menos esterificado, resolvemos saber mais sobre a bioquímica da CarbE do plasma e do fígado de pacus. Os pacus foram submetidos à hipoxia por diminuição da concentração até 0,5 mg O2/L por meio de borbulhamento de nitrogênio na água. Os animais ficaram nessas condições por 42 horas, quando então coletamos sangue e retiramos seus fígados. A atividade de CarbE ensaiada foi 50% menor no soro e 25% menor nos microssomos de fígado se comparada com a de peixes sob 6 mg O2/L. A CarbE isolada do soro dos pacus em normoxia possui massa molecular relativa de 56.000. A eletroforese em gel desnaturante com a fração purificada rendeu três bandas, mas o gel nativo apresentou só duas bandas com atividades sobre α-naftil acetato. Inferimos que mais do que uma isoforma da enzima está no plasma dos pacus. A CarbE isolada do soro não possui atividade de lipase sobre o Tween 20, mas os microssomos dos fígados dos animais em normoxia e hipoxia possuem. No entanto, a CarbE possui atividade sobre acil-CoA assim como o microssomo de fígado. A enzima pura apresenta Vmáx três vezes maior e uma KM quatro vezes maior do que a atividade presente nos microssomos. Além disso, os microssomos do fígado dos pacus em normoxia podem hidrolisar acil-CoA com o dobro da velocidade daqueles em hipoxia. A atividade clássica de CarbE do soro foi inibida por 4-HNE a 4 mM. A atividade de acil-CoA dos microssomos de fígado também foi sensível a 4-HNE a 4 mM, enquanto 2 mM de 4-HNE inibiu metade desta atividade do soro.

Molecular comparisons of the Culex pipiens (L.) complex esterase gene amplicons

The amplification of carboxylesterase genes is a mechanism of organophosphate resistance in Culex mosquitoes. Amplified carboxylesterase genes from an insecticide resistant Culex pipiens strain collected in Cyprus were analysed and compared to other Culex amplified carboxylesterase alleles. A 12 kb section of genomic DNA containing two gene loci coding for carboxylesterase alleles A5 and B5 was cloned and sequenced. A comparison between this amplicon and one from a strain with co-amplified carboxylesterase alleles A2 and B2 revealed a number of differences. The intergenic spacer was 3.7 kb in length in the A5-B5 amplicon (2.7 kb in A2-B2) and contained putative Juan and transposable elements upstream of B5. A fragment of a gene with high homology to aldehyde oxidase was also present immediately downstream of A5. The comparison revealed no differences that would explain the successful spread of the A2-B2 amplicon worldwide whilst the A5-B5 amplicon is restricted to the Mediterranean. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Poor survival on an artificial diet of two genotypes of the aphid Myzus persicae: a fitness cost of insecticide resistance?

A fully susceptible genotype (4106A) of Myzus persicae survived the longest on an artificial diet and, in several of the eight replicates, monitoring was terminated when the culture was still thriving. A genotype with elevated carboxylesterase FE4 at the R3 level (800F) had a mean survival of only 98.13 days, whereas 794J, which combines R3 E4 carboxylesterase with target-site resistance (knockdown resistance), survived for the even shorter mean time of 84.38 days. The poorer survival of the two genotypes with extremely elevated carboxylesterase-resistance was not the result of a reluctance to transfer to new diet at each diet change. Although available for only two replicates, a revertant clone of 794J (794Jrev), which has the same genotype as 794J but the amplified E4 genes are not expressed leading to a fully susceptible phenotype, did not appear to survive any better than this clone. This suggests that the poor survival on an artificial diet of the extreme-carboxylesterase genotypes is not the result of the cost of over-producing the enzyme. The frequency of insecticide-resistant genotypes is low in the population until insecticide is applied, indicating that they have reduced fitness, although this does not necessarily reflect a direct cost of expressing the resistance mechanism.

Integrated phenotypic and activity-based profiling links Ces3 to obesity and diabetes

Phenotypic screening is making a comeback in drug discovery as the maturation of chemical proteomics methods has facilitated target identification for bioactive small molecules. A limitation of these approaches is that time-consuming genetic methods or other means are often required to determine the biologically relevant target (or targets) from among multiple protein-compound interactions that are typically detected. Here, we have combined phenotypic screening of a directed small-molecule library with competitive activity-based protein profiling to map and functionally characterize the targets of screening hits. Using this approach, we identify carboxylesterase 3 (Ces3, also known as Ces1d) as a primary molecular target of bioactive compounds that promote lipid storage in adipocytes. We further show that Ces3 activity is markedly elevated during adipocyte differentiation. Treatment of two mouse models of obesity-diabetes with a Ces3 inhibitor ameliorates multiple features of metabolic syndrome, illustrating the power of the described strategy to accelerate the identification and pharmacologic validation of new therapeutic targets.

Tissue-specific expression of esterases in Triatoma infestans (Triatominae, Heteroptera)

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

Biochemical biomarkers in Oreochromis niloticus exposed to mixtures of benzo[a]pyrene and diazinon.

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

Esterase enzymes involved in pyrethroid and organophosphate resistance in a Brazilian population of Riphicephallus (Boophilus) microplus (Acari, Ixodidae)

Esterases are a group of enzymes that are reportedly associated with acaricide resistance in Riphicephallus (Boophilus) microplus. A comparative analysis was made of the esterase patterns in malathion and deltamethrin-sensitive, tolerant and resistant tick groups, using non-denaturing polyacrylamide gel electrophoresis. Electrophoretical profiles revealed four bands of esterase activity against alpha-naphthyl acetate; which were dubbed EST-1 to EST-4. The EST-3 and EST-4 were detected in all strains and were classified as carboxylesterases (CaEs). The EST-2, classified as an acetylcholinesterase (AChE), was detected in all groups, but its staining intensity increased from susceptible to resistant groups, indicating an altered production according to the degree of resistance. EST-1, which was also classified as an AChE, was detected exclusively in tolerant and resistant groups to both acaricides, but displayed greater activity in the malathion-resistant group. These data suggest that these AChEs may represent an important detoxification strategy developed to overcome the effects of acaricides. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Esterase inhibition in tadpoles of Scinax fuscovarius (Anura, Hylidae) as a biomarker for exposure to organophosphate pesticides

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

Biochemical and proteomic effects in Procambarus clarkii after chlorpyrifos or carbaryl exposure under sublethal conditions

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Variation at the Est3 locus and adaptability to organophosphorous compounds in Zaprionus indianus populations

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