Q192R polymorphism of the paraoxonase-1 gene as a risk factor for obesity in Portuguese women

Introduction - Obesity became a major public health problem as a result of its increasing prevalence worldwide. Paraoxonase-1 (PON1) is an esterase able to protect membranes and lipoproteins from oxidative modifications. At the PON1 gene, several polymorphisms in the promoter and coding regions have been identified. The aims of this study were i) to assess PON1 L55M and Q192R polymorphisms as a risk factor for obesity in women; ii) to compare PON1 activity according to the expression of each allele in L55M and Q192R polymorphisms; iii) to compare PON1 activity between obese and normal-weight women. Materials and methods - We studied 75 healthy (35.9±8.2 years) and 81 obese women (34.3±8.2 years). Inclusion criteria for obese subjects were body mass index ≥30 kg/m2 and absence of inflammatory/neoplasic conditions or kidney/hepatic dysfunction. The two PON1 polymorphisms were assessed by real-time PCR with TaqMan probes. PON1 enzymatic activity was assessed by spectrophotometric methods, using paraoxon as a substrate. Results - No significant differences were found for PON1 activity between normal and obese women. Nevertheless, PON1 activity was greater (P<0.01) for the RR genotype (in Q192R polymorphism) and for the LL genotype (in L55M polymorphism). The frequency of allele R of Q192R polymorphism was significantly higher in obese women (P<0.05) and was associated with an increased risk of obesity (odds ratio=2.0 – 95% confidence interval (1.04; 3.87)). Conclusion - 55M and Q192R polymorphisms influence PON1 activity. The allele R of the Q192R polymorphism is associated with an increased risk for development of obesity among Portuguese Caucasian premenopausal women.

Exposição ocupacional a mercúrio: associação com a atividade da paraoxonase humana e vitaminas A e E

Mestrado em Segurança e Higiene no Trabalho

Alterations in lipid transfer to High-Density Lipoprotein (HDL) and activity of paraoxonase-1 in HIV+ patients

HIV+ patients often develop alterations of the plasma lipids that may implicate in development of premature coronary artery disease. High-density lipoprotein (HDL) has an important role in preventing atherogenesis and the aim of this study was to investigate aspects of HDL function in HIV+ patients. HIV+ patients (n = 48) and healthy control subjects (n = 45) of both sexes with similar age were studied. Twenty-five were not being treated with antiretroviral agents, 13 were under reverse transcriptase inhibitor nucleosidic and non-nucleosidic (NRTI+NNRTI) and 10 were under NRTI + protease inhibitors (NRTI+PI) treatment. Paraoxonase 1 (PON1) activity and the transfer of free and esterified cholesterol, tryglicerides and phospholipids from a lipidic nanoemulsion to HDL were analyzed. In comparison with healthy controls, HIV+ patients presented low PON-1 activity and diminished transfer of free cholesterol and tryglicerides. In contrast, phospholipid transfer was increased in those patients, whereas the transfer of cholesteryl esters was unchanged. NRTI+NNRTI increases the transfer of cholesteryl esters and triglycerides but in NRTI+PI there was no difference in respect to non-treated HIV+ patients. HDL from HIV+ patients has smaller antioxidant properties, as shown by lower PON-1 activity, and the transfer of lipids to this lipoprotein fraction is also altered, suggesting that HDL function is defective in those patients.

HDL in HIV-1 infection: a quality perspective through paraoxonase-1 activities

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Genética Molecular e Biomedicina

Desenvolvimento de novas ferramentas analíticas para a monitorização da actividade da Paraoxonase 1 em amostras de plasma humano

Segundo a Organização Mundial da Saúde (OMS), as doenças cardiovasculares (DCV) são a principal causa de morte nos países desenvolvidos. Há uma necessidade urgente de métodos eficazes para a detecção precoce de doenças cardiovasculares, devido à falta de factores de risco convencionais. Os níveis elevados de homocisteína (Hcy) no sangue, homocisteinemia, são um factor de risco independente bem estabelecido para DCV. De acordo com alguns autores, a conversão metabólica de Hcy no metabolito tóxico Hcy-Tl e subsequente N-homocisteinilação de proteínas induz a agregação e a formação de amiloide, contribuindo assim para a alterações próaterogénicas no sistema cardiovascular. A enzima associada à lipoproteína de alta densidade (HDL), paraoxonase 1 (PON1), é capaz de hidrolisar o metabolito tóxico Hcy-Tl de volta a Hcy no soro humano, como observado em estudos recentes que indicam o papel de patogénese em DCV da hPON1. As paraoxonases de soro (PON1, PON2 e PON3) são hidrolases dependentes de cálcio, que pertencem a uma família de enzimas que exibem propriedades antioxidantes e anti-inflamatórias. Foram identificadas três actividades catalíticas principais para PON1: (i) actividade paraoxonase, que corresponde à conversão hidrolítica de paraoxon em p-nitrofenol e a dietil fosfato, (ii) a actividade arilesterase que promove a hidrólise de ésteres aromáticos, e a (iii) actividade de lactonase, que catalisa a hidrólise de Hcy a Hcy-Tl, sendo considerada a actividade principal da PON1. Vários estudos têm relacionado estas actividades enzimáticas a diversas patologias, o que sugere a sua potencial utilidade no diagnóstico clínico. Neste trabalho pretende-se desenvolver um novo método electroquímico para a detecção fácil do substrato e produto resultantes da hidrólise enzimática de paraoxon pela hPON1. Utilizando uma célula electroquímica constituída por um eléctrodo de referência Ag /AgCl., um contra-eléctrodo de Pt e um electrodo de trabalho de carbono vítreo, o paraoxon e p-nitrofenol foram detectados simultaneamente por voltametria de onda quadrada, numa janela de potencial de [-0,3;-1,2] V. Os resultados dos ensaios com a enzima testada a pH 7,6 e 37°C, na presença de paraoxon e utilizando plasma humano como uma fonte de PON1 serão discutidos. Usando a mesma composição de célula electroquímica, Hcy e Hcy-Tl foram estudados utilizando diferentes interfaces e tipos de tratamento para testar a melhor maneira possível de detecção das duas espécies na mesma experiência electroquímica.

Effects of rosiglitazone on serum paraoxonase activity and metabolic parameters in patients with type 2 diabetes mellitus

Human serum paraoxonase contributes to the anti-atherogenic effect of high-density lipoprotein cholesterol (HDL-C) and has been shown to protect both low-density lipoprotein cholesterol (LDL-C) and HDL-C against lipid peroxidation. We investigated the effects of rosiglitazone on paraoxonase activity and metabolic parameters in patients with type 2 diabetes mellitus [50 patients (30 males, 20 females); mean±SD age: 58.7±9.2 years, body mass index: 28.2±4.1'kg/m2], in whom glucose control could not be achieved despite treatment with metformin, sulphonylurea, and/or insulin. The patients were given 4'mg/day rosiglitazone for 3 months in addition to their usual treatment. Serum paraoxonase activity, malondialdehyde, homocysteine, and lipid profile were measured at the time of initiation and at the end of therapy with rosiglitazone. After rosiglitazone therapy, serum levels of HDL-C, apolipoprotein A-1, and paraoxonase activity increased significantly (P<0.05) and malondialdehyde, homocysteine, lipoprotein(a), and glucose levels decreased significantly (P<0.05), but no significant changes in levels of total cholesterol and apolipoprotein B were observed. Triglyceride levels also increased significantly (P<0.05). Rosiglitazone treatment led to an improvement in glycemic control and to an increase in paraoxonase activity and HDL-C levels. Although rosiglitazone showed favorable effects on oxidant/antioxidant balance and lipid profile, further studies are needed to determine the effect of rosiglitazone on cardiovascular risk factors and cardiovascular morbidity and mortality.

Chlorogenic acid protects paraoxonase 1 activity in high density lipoprotein from inactivation caused by physiological concentrations of hypochlorite

We hypothesized that chlorogenic acids, the main phenolics in coffee, many fruits and Ilex paraguariensis extracts, protect paraoxonase 1 activity in HDL from inactivation by chlorination at concentrations of HOCl (50 mu M) and chlorogenic acid (2-10 mu M) compatible with those found in humans. When human HDL was incubated in the presence of HOCl/OCl-, a concentration dependent loss of activity was apparent. Of interest, 5 caffeoylquinic acid at 5 mu mol/L affords more than 60% protection of the activity reaching 100% at 25 mu mol/L. This compound and the plant sources that are rich in them may be protectors of paraoxonase 1 activity. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Frequency of the Q192R and L55M polymorphisms of the human serum paraoxonase gene (PON1) in ten Amazonian Amerindian tribes

Human serum paraoxonase (PON1) is an esterase associated with high density lipoproteins (HDLs) in the plasma and may confer protection against coronary artery disease. Serum PON1 levels and activity vary widely among individuals and populations of different ethnic groups, such variations appearing to be related to two coding region polymorphisms (L55M and Q192R). Several independent studies have indicated that the polymorphism at codon 192 (the R form) is a significant risk factor for cardiovascular disease in some populations, although this association has not been confirmed in other populations. Given the possible associations of these mutations with heart diseases and the fact that little or nothing is known of their prevalence in Amerindian populations, we investigated the variability of both polymorphisms in ten Amazonian Indian tribes and compared the variation found with that of other Asian populations in which both polymorphisms have been investigated. The results show that the LR haplotype is the most frequent and the MR haplotype is absent in all Amerindians and Asian populations. We also found that South America Amerindians present the highest frequency of the PON1192*R allele (considered a significant risk factor for heart diseases in some populations) of all the Amerindian and Asian populations so far studied.

Der enzymatische und anti-oxidative Mechanismus des anti-atherogenen Enzyms Paraoxonase-2

Das humane Enzym PON2 ist in eine Vielzahl pathophysiologischer Prozesse involviert und ist durch zwei Funktionen gekennzeichnet - eine enzymatische Laktonase-Aktivität und eine anti-oxidative Aktivität. Durch die Laktonase-Aktivität hydrolysiert PON2 vorwiegend das bakterielle Signalmolekül 3oxoC12. PON2 ist als Bestandteil des angeborenen Immunsystems anzusehen und trägt wahrscheinlich zur Immunabwehr gegen Infektionen mit den human-pathogenen Pseudomonas aeruginosa Bakterien bei. Durch die anti-oxidative Aktivität vermindert PON2 oxidative Schäden und verringert redox-abhängige pro-apoptotische Stimulation. Diese einzigartige Funktion von PON2 ist jedoch ambivalent zu betrachten, da hohe PON2-Spiegel zwar Arteriosklerose reduzieren können, aber im Verdacht stehen Tumorzellen zu stabilisieren.rnIn dieser Arbeit wurden die noch unbekannten Mechanismen und der Zusammenhang der enzymatischen und der anti-oxidativen Aktivität analysiert. In diesem Rahmen wurde gezeigt, dass PON2 spezifisch die Superoxidfreisetzung an Komplex I und III der Atmungskette in der inneren Mitochondrienmembran reduzieren kann. PON2 veränderte dabei weder die Aktivitäten der Superoxiddismutasen noch die Cytochrom C-Expression. Weiterhin konnte in dieser Arbeit erstmals gezeigt werden, dass PON2 O2- nicht direkt abbaut, sondern vielmehr dessen Bildung verhindert. Diese Erkenntnisse implizieren, dass PON2 die anti-oxidative Aktivität über eine Beeinflussung des Quinon-Pools vermittelt. Anhand von verschiedenen Punktmutationen konnte gezeigt werden, dass die Histidinreste-114 und -133 für die Laktonase-Aktivität essentiell sind. Weiterhin wurden die Glykosylierungsstellen von PON2 identifiziert und gezeigt, dass die Glykosylierung, nicht aber der natürliche Polymorphismus Ser/Cys311 für die Laktonase-Aktivität von Bedeutung ist. Von besonderer Bedeutung ist, dass keine dieser Mutationen die anti-oxidative Aktivität beeinflusste, wodurch erstmals die Unabhängigkeit der beiden Funktionen von PON2 gezeigt werden konnte. rnEs war bekannt, dass PON2 gegen intrinsische und ER-Stress-induzierte Apoptose schützt. Die Spezifität der anti-oxidativen / anti-apoptotischen Wirkung wurde hier an einem weiteren pathophysiologischen Modell untersucht. 7-Ketocholesterol (7-KC) ist der Hauptbestandteil des pro-arteriosklerotischen oxLDL und verursacht in Zellen des Gefäßsystems ER-Stress, oxidativen Stress und Apoptose. Unerwarteterweise konnte PON2 Endothelzellen nicht gegen den 7-KC-induzierten Zelltod schützen. Mehrere unabhängige experimentelle Ansätze belegen, dass 7-KC in Endothelzellen im Gegensatz zu Gefäßmuskelzellen den Zelltod über Autophagie und nicht über ER-Stress oder intrinsische Apoptose bewirkt. Weiterhin führt 7-KC, wie auch 3oxoC12 und Thapsigargin zu einem Abbau der PON2-mRNA, die über die 5’UTR der PON2-mRNA vermittelt wird. Diese Arbeit vermittelt detaillierte mechanistische Einsichten in die Funktionen von PON2, die für ihre Rolle bei Arteriosklerose, in der körpereigenen Immunabwehr und bei Krebs entscheidend sind.rn

Expression und Funktion der Paraoxonase-2 im Hinblick auf oxidativen Stress im Gefäßsystem

Erhöhte Spiegel von oxidativem Stress bedingen Atherosklerose, eine Krankheit die über 50% aller Todesfälle in der westlichen Welt ausmacht. Es ist entscheidend Mechanismen zur Abwehr dieser Krankheit zu ergründen.rnDa genetische Polymorphismen des körpereigenen Enzyms Paraoxonase 2 (PON2) mit kardiovaskulären Erkrankungen assoziiert sind, wurden ihre Regulation und potentiell antioxidativen Funktionen in vaskulären Zellen analysiert. Mittels verschiedener molekularbiologischer Methoden konnte ich erstmals zeigen, dass PON2 in vaskulären Zellen vornehmlich subzellulär im ER lokalisiert ist. Anhand verschiedener Experimente wurde PON2 als potenter Faktor zur Reduktion von ROS identifiziert. Erhöhte ROS-Spiegel führen zur Aktivierung eines als unfolded protein response (UPR) bekannten ER-Stress-Signalwegs. Dieser ist neben Atherosklerose in eine Vielzahl von Erkrankungen involviert und hat kritischen Einfluss auf das Überleben oder Absterben von Zellen. Durchgeführte Promoter-Reporter Studien bewiesen die Induktion der Protein-Expression von PON2 nach Aktivierung des UPR-Signalwegs, was als kompensatorischer Mechanismus der Zelle zur Vermeidung UPR-induzierter Apoptose verstanden werden könnte. PON2 wehrt oxidativen Stress und die UPR-induzierte Apoptose ab und ist ein protektiver Faktor vor Atherosklerose.rnIn einem Krebsmodell könnte PON2 aber als antiapoptotischer Faktor entscheidend am Überleben von Tumorzellen beteiligt sein. Gerade diese beiden gegensätzlichen Aspekte der antiapoptotischen Funktion des Proteins zeigen die Notwendigkeit für weitere Untersuchungen zu PON2 auf.rn

Die Regulation des Enzyms Paraoxonase-2 sowie dessen Einfluss auf die Hämatopoese

In der vorliegenden Arbeit wurden durch den Einsatz von drei unabhängigen Methoden Proteine und Faktoren identifiziert, die die PON2-mRNA-Expression beeinflussen. Anhand der erhaltenen Faktoren wurden verstärkt solche ausgewählt, die eine Rolle in der Tumorbiologie spielen. Unter Verwendung verschiedener Zellmodelle wurde schließlich der Effekt dieser Faktoren auf die PON2-Expression analysiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die PON2-Expression in K562-Zellen durch den PI3K / Akt-Signalweg, der in vielen Tumoren übermäßig aktiviert vorliegt, gesteigert wird. Auch eine Beteiligung des Wnt / β-Catenin-Signalweges kann nicht ausgeschlossen werden. Pharmakologische Inhibitoren von GSK-3β, einer Kinase die in beiden Signalwegen involviert ist, führt zu einer Steigerung der PON2-Expression durch den Transkriptionsfaktor LEF-1. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die Familie der FoxO-Transkriptionsfaktoren an der Regulation der PON2-Expression in K562-Zellen beteiligt sind, wenn gleich es für die jeweiligen FoxO-Isoformen Unterschiede gibt.rnIm Hinblick auf die Assoziation von PON2 mit Leukämien wurde anhand eines PON2-/--Mausmodells, der Einfluss von PON2 auf die Hämatopoese untersucht. Dabei wurden signifikante Unterschiede in einigen Stammzellkompartimenten festgestellt. Ferner scheint PON2 die Entwicklung von Erythrozyten und Thrombozyten zu beeinflussen. Dies äußert sich in einer offensichtlichen Splenomegalie, zumindest bei alten weiblichen PON2-/--Mäusen.rnAbschließend wurde zur Generierung eines konditionalen PON2-Überexpressionsmausmodells erfolgreich ein Gene-Targeting-Vektor entwickelt. Durch eine gewebe-, zeit- und zellspezifische Steigerung der PON2-Expression ist es möglich, den Effekt einer PON2-Überexpression im Hinblick auf verschiedene Erkrankungen zu untersuchen.rnBisher war wenig über die Regulation des humanen PON2 bekannt. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen erstmals, durch welche Signalwege und Transkriptionsfaktoren PON2 in Leukämiezellen reguliert wird. Im Hinblick auf die Rolle von PON2 in der Tumorbiologie ist es erstmals möglich, die PON2-Expression gezielt durch die Inhibition bzw. Aktivierung der PON2-regulierenden Faktoren zu beeinflussen, und damit neue Wege in der Krebstherapie zu beschreiten. rn

Die Rolle der humanen Enzyme Paraoxonase-2 und -3 bei Krebserkrankungen und Pseudomonas-Infektionen

Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Charakterisierung molekularer Funktionen humaner Paraoxonase (PON) Enzyme, insbesondere die der Proteine PON2 und PON3 im Hinblick auf medizinisch-relevante Fragestellungen. Zum einen wurde die Rolle von PON3 in der Tumorgenese und zum anderen eine mögliche Schutzfunktion von PON2 und PON3 gegenüber P. aeruginosa Infektionen untersucht. Bereits seit dem Jahr 2000 ist die anti-oxidative Eigenschaft von PON3 bekannt, jedoch war der zugrundeliegende Mechanismus bisher ungeklärt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass PON3 die Superoxid-Entstehung in den Mitochondrien abschwächt, wobei sie ihre anti-oxidative Eigenschaft vermutlich durch eine direkte Coenzym Q10-Interaktion in der inneren mitochondrialen Membran vermittelt. Dies führt zu weniger oxidativen Stress, zur Abschwächung mitochondrial-induzierter apoptotischer Signalwege und zur erhöhten Resistenz gegenüber Chemotherapeutika. Gleichzeitig wurde demonstriert, dass sich Tumorzellen diese anti-oxidative Eigenschaft zu Nutze machen. PON3 war in zahlreichen Tumorgeweben überexprimiert. Es konnte eine mögliche Funktion von PON3 als Tumormarker und Angriffspunkt in der Krebstherapie aufgezeigt werden. Die hier erlangten Daten liefern wertvolle Hinweise auf die Rolle von PON3 in Krebserkrankungen, welche eine Basis für zukünftige Analysen darstellen, die der Entwicklung neuer Krebstherapien dienen könnten. Ein weiterer Teil der Arbeit befasste sich mit der gegenseitigen Beeinflussung der Enzyme PON2 / PON3 und der für P.aeruginosa essentiellen Virulenzfaktoren Pyocyanin (PCN) und dem Lacton 3OC12. Erstmalig wurde gezeigt, dass PON3 zellschädigende PCN-Effekte abschwächen kann, nämlich die PCN-induzierte Superoxid-Produktion, NF-kB-Aktivierung und IL-8-Sekretion. PON2 schützt in gleicher Weise gegen PCN und hydrolysiert zugleich noch das Lacton 3OC12. Folglich sind PON2 und PON3 wichtige Bestandteile der angeborenen Immunität, werden jedoch durch eine 3OC12-induzierte Ca2+-Mobilisation inaktiviert. Weitere Analysen ergaben, dass die PON2-Inaktivierung wahrscheinlich über einen Ca2+ / Calcineurin / Calmodulin-abhängigen Signalweg erfolgt, welcher eine offenbar regulative Serin311-Dephosphorylierung in PON2 vermittelt. Ähnliches könnte für PON3 gelten und wird derzeit erforscht, da eine Stabilisierung der enzymatischen Aktivitäten von PON2 und PON3 der bakteriellen Virulenz entscheidend entgegen wirken könnte.

Reconsideration of the catalytic center and mechanism of mammalian paraoxonase/arylesterase.

For three decades, mammalian paraoxonase (A-esterase, aromatic esterase, arylesterase; PON, EC 3.1.8.1) has been thought to be a cysteine esterase demonstrating structural and mechanistic homologies with the serine esterases (cholinesterases and carboxyesterases). Human, mouse, and rabbit PONs each contain only three cysteine residues, and their positions within PON have been conserved. In purified human PON, residues Cys-41 and Cys-352 form an intramolecular disulfide bond and neither could function as an active-center cysteine. Highly purified, enzymatically active PON contains a single titratable sulfhydryl group. Thus, Cys-283 is the only probable candidate for an active-center cysteine. Through site-directed mutagenesis of the human cDNA, Cys-283 was replaced with either serine (C283S) or alanine (C283A). The expressed C283 (wild-type) enzyme was inactivated by para-hydroxymercuribenzoate, but the C283S and C283A mutant enzymes were not inactivated. C283A and C283S mutant enzymes retained both paraoxonase and arylesterase activities, and the Km values for paraoxon and phenyl acetate were similar to those of the wild type. Clearly, residue Cys-283 is free in active PON, but a free sulfhydryl group is not required for either paraoxonase or arylesterase activities. Consequently, it is necessary to examine other models for the active-site structure and catalytic mechanism of PON.