Selective elimination of cancer cells by PEITC: Biological basis and therapeutic implications

Toxic side effect is a major problem in cancer chemotherapy. Therefore, identification and development of new agents that can selectively remove cancer with low toxicity to normal cells would have significant clinical impact. Compared to normal cells, cancer cells are under intrinsic stress with elevated reactive oxygen species (ROS) production. My research aimed to exploit this biochemical alteration as a novel basis to develop a selective agent. The goal of my dissertation research was to test the hypothesis that since most cancer cells are under higher oxidative stress than normal cells, compounds which modulate oxidative stress such as pphenylethyl isothiocyanate (PEITC) may preferentially impact cancer cells through ROS-mediated mechanisms and have implications in cancer therapeutics. Using H-RasV1-transformed ovarian cells and their immortalized non-tumorigenic counterparts, I discovered that the transformed cells exhibited increased ROS generation and this intrinsic stress rendered them highly dependent on glutathione antioxidant system to maintain redox balance. Abolishing this system by PEITC through depletion of glutathione and inhibition of GPX activity led to a preferential ROS increase in the transformed cells. The severe ROS accumulation caused oxidative damage to the mitochondria membranes and impaired the membrane integrity leading to massive cell death. In contrast, PEITC caused only a modest increase of ROS insufficient to cause significant cell death in non-transformed cells. Promisingly, PEITC exhibited anticancer activity in vivo by prolonging survival of mice bearing the Ras-transformed ovarian xenograft with minimal toxic side effect. Further study in chronic lymphocytic leukemia (CLL) cells isolated from the blood samples of CLL patients revealed that PEITC not only exhibits promising selectivity against primary CLL cells compared to normal lymphocytes, but it is also effective in removing CLL cells resistant to standard anti-cancer drug Fludarabine. In conclusion, the data implicate that intrinsic oxidative stress in cancer cells could serve as a biochemical basis to develop selective novel anticancer agents such as PEITC, with significant therapeutic implications. ^

Methionine residues as endogenous antioxidants in proteins

Cysteine and methionine are the two sulfur-containing residues normally found in proteins. Cysteine residues function in the catalytic cycle of many enzymes, and they can form disulfide bonds that contribute to protein structure. In contrast, the specific functions of methionine residues are not known. We propose that methionine residues constitute an important antioxidant defense mechanism. A variety of oxidants react readily with methionine to form methionine sulfoxide, and surface exposed methionine residues create an extremely high concentration of reactant, available as an efficient oxidant scavenger. Reduction back to methionine by methionine sulfoxide reductases would allow the antioxidant system to function catalytically. The effect of hydrogen peroxide exposure upon glutamine synthetase from Escherichia coli was studied as an in vitro model system. Eight of the 16 methionine residues could be oxidized with little effect on catalytic activity of the enzyme. The oxidizable methionine residues were found to be relatively surface exposed, whereas the intact residues were generally buried within the core of the protein. Furthermore, the susceptible residues were physically arranged in an array that guarded the entrance to the active site.

Variação sazonal do metabolismo energético no primeiro ciclo anual de lagartos teiú Tupinambis merianae: correlatos com atividades diárias, adiposidade e proteção antioxidante

Lagartos teiú eclodem no verão e enfrentam o desafio de crescer e armazenar substratos em um curto período de tempo, antes do início do período de jejum e depressão metabólica (≈80%) a temperaturas amenas durante o inverno (≈17 °C). No despertar, o aumento do metabolismo e a reperfusão de órgãos favoreceriam a ocorrência de estresse oxidativo. Na primeira parte do presente estudo investigou−se os ajustes que compatibilizam as demandas em teiús neonatos, especialmente na pré-hibernação, por meio da gravação do comportamento em vídeo e da análise da massa dos corpos gordurosos abdominais e do nível plasmático de corticosterona (CORT) durante o primeiro ciclo anual. No início do outono a massa corpórea dos teiús foi 27 g e o comprimento rostro−cloacal 9,3 cm e aumentaram 40% e 20%, respectivamente, ao longo do outono, enquanto que as taxas diminuíram progressivamente até atingirem o valor zero no início do inverno. Na primavera, a massa corpórea dos teiús aumentou 80% em relação ao despertar e dobrou em relação ao final do verão; o comprimento acumulou um aumento de 27% em relação ao final do verão. A massa relativa dos corpos gordurosos foi 3,7% no início do outono e diminuiu nos meses subsequentes; no despertar, este estoque acumulou uma perda de 63% da sua massa. No início do outono 74% dos teiús estavam ativos por 4,7 h e permaneceram 2 h assoalhando diariamente; ao longo do outono o número de animais ativos e o tempo em atividade diminuíram até que todos se tornaram inativos. Na primavera 83% dos teiús estavam ativos por 7 h e permaneceram 4 h assoalhando. Um padrão sazonal similar foi observado na atividade locomotora e na alimentação. No outono, a alimentação cessou antes da atividade diária e os teiús tornaram−se afágicos algumas semanas antes da entrada em hibernação. Os maiores níveis de CORT foram observados no início do outono, reduzindo progressivamente até valores 75 e 86% menores na dormência e despertar, respectivamente; na primavera os níveis de CORT foram 32% menores em comparação com o início do outono. Este padrão sugere um papel da CORT nos ajustes que promovem a ingestão de alimento e a deposição de substratos energéticos no outono. A redução da atividade geral no final do outono contribuiria para a economia energética e manutenção da massa corpórea, apesar da redução da ingestão de alimento. O curso temporal das alterações fisiológicas e comportamentais em neonatos reforça a ideia de que a dormência sazonal nos teiús é o resultado da expressão de um ritmo endógeno. Na segunda parte do estudo foi investigada a hipótese de que ocorreriam ajustes das defesas antioxidantes durante a hibernação, em antecipação ao despertar. Foram analisados marcadores de estresse oxidativo e antioxidantes em vários órgãos de teiús em diferentes fases do primeiro ciclo anual. A CS, um indicador do potencial oxidante, não variou no fígado e foi menor no rim e no pulmão na hibernação. As enzimas antioxidantes revelaram (1) um efeito abrangente de redução das taxas na hibernação e despertar; por exemplo, GR e CAT foram menores em todos órgãos analisados e a GST tendeu a diminuir no fígado e no rim, embora constante no coração e no pulmão. A G6PDH no fígado e no rim não variou. (2) No fígado, a GST, a Se−GPX e o teor de TBARS foram maiores na atividade de outono em relação à primavera e a Se−GPX permaneceu elevada na hibernação. (3) No fígado, a SOD foi maior na hibernação e despertar em relação ao outono e a Mn−SOD seguiu este padrão. Em contraste, no rim, coração e pulmão a SOD foi menor na hibernação e as taxas se recuperaram no coração e pulmão no despertar. A Mn−SOD seguiu este padrão no pulmão. A concentração e o estado redox da glutationa não variaram no fígado, rim e coração; no pulmão o teor de Eq−GSH e GSH foi menor na hibernação, com tendência à recuperação no despertar. O teor de PC no rim foi maior na hibernação e diminuiu no despertar. No fígado, as alterações no jejum se assemelham às sazonais, como sugerem a inibição da CAT e GR e aumento da Se−GPX. Os efeitos do jejum na primavera no rim diferem dos efeitos sazonais, como sugerem a redução do teor de Eq−GSH e GSH e o aumento da razão GSSG:GSH, a redução da G6PDH e o aumento de PC. No conjunto, houve um efeito predominante de redução das taxas enzimáticas na hibernação e no despertar, exceto pelas taxas aumentadas da SOD e Se−GPX no fígado e pela recuperação da SOD no coração e da GR, SOD e Mn−SOD no pulmão no despertar. As elevadas taxas das enzimas antioxidantes no teiú em comparação a outros ectotermos e a ausência de evidências de estresse oxidativo no despertar sugerem que a atividade enzimática remanescente é suficiente para prevenir danos aos tecidos face às flutuações do metabolismo