Dimethylsphingosine evokes diverse cellular death modes in HL60

Among the barriers to successful cancer treatment is the acquired resistance that tumors undergo due to clonal evolution. Non-cross resistant drugs could add to the current options of chemotherapeutic drugs. In order to improve tumor response, investigators have been identifying defective death pathways acquired by specific cancer types, so to target directly those pathways. Sphingolipids have emerged as potential drugs for tumor-targeted therapy, and among them, Dimethylsphingosine (DMS), known to be a competitive inhibitor of Sphingosine Kinase (SK). DMS actions have been documented by several investigators, but the mechanisms by which DMS exerts cytotoxicity have not been fully investigated. We evaluated the cytotoxicity of DMS against human leukemia cell lines and against blasts isolated from leukemia patients. Cell line viability decreased proportionally to DMS concentration and treatment time. Resistant and MDR positive cell lines were the most sensitive, indicating DMS efficacy against human leukemia MDR. Importantly, leukemia samples showed a similar sensitivity to DMS, the first demonstration of DMS activity against fresh human leukemia specimens. Mechanistically we have demonstrated that DMS efficacy is due to its ability to induce cytotoxicity by inducing necrosis, apoptosis or both concomitantly, revealing a mixed-feature cell death mode never described before for DMS. Further, we have shown evidence suggesting pathways cross-talk, since apoptosis inhibition led to accelerated rate of necrosis. DMS diverse killing mechanisms and the high expression of SK in leukemias could explain DMS potent cytotoxicity. DMS-based regimens may increase response rates and therefore, improve leukemia treatment. ^

1-42 beta-Amyloid peptide requires PDK1/nPKC/Rac 1 pathway to induce neuronal death

1-42 beta-Amyloid (A beta(1-42)) peptide is a key molecule involved in the development of Alzheimer's disease. Some of its effects are manifested at the neuronal morphological level. These morphological changes involve loss of neurites due to cytoskeleton alterations. However, the mechanism of A beta(1-42) peptide activation of the neurodegenerative program is still poorly understood. Here, A beta(1-42) peptide-induced transduction of cellular death signals through the phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K)/phosphoinositol- dependent kinase (PDK)/novel protein kinase C (nPKC)/Rac 1 axis is described. Furthermore, pharmacological inhibition of PDK1 and nPKC activities blocks Rac 1 activation and neuronal cell death. Our results provide insights into an unsuspected connection between PDK1, nPKCs and Rac 1 in the same signal-transduction pathway and points out nPKCs and Rac 1 as potential therapeutic targets to block the toxic effects of A beta(1-42) peptide in neurons.

Cocaine induces cell death and activates the transcription nuclear factor kappa-b in pc12 cells

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

Cocaine induces cell death and activates the transcription nuclear factor kappa-b in pc12 cells

Cocaine is a worldwide used drug and its abuse is associated with physical, psychiatric and social problems. The mechanism by which cocaine causes neurological damage is very complex and involves several neurotransmitter systems. For example, cocaine increases extracellular levels of dopamine and free radicals, and modulates several transcription factors. NF-κB is a transcription factor that regulates gene expression involved in cellular death. Our aim was to investigate the toxicity and modulation of NF-κB activity by cocaine in PC 12 cells. Treatment with cocaine (1 mM) for 24 hours induced DNA fragmentation, cellular membrane rupture and reduction of mitochondrial activity. A decrease in Bcl-2 protein and mRNA levels, and an increase in caspase 3 activity and cleavage were also observed. In addition, cocaine (after 6 hours treatment) activated the p50/p65 subunit of NF-κB complex and the pretreatment of the cells with SCH 23390, a D1 receptor antagonist, attenuated the NF-κB activation. Inhibition of NF-κB activity by using PDTC and Sodium Salicilate increased cell death caused by cocaine. These results suggest that cocaine induces cell death (apoptosis and necrosis) and activates NF-κB in PC12 cells. This activation occurs, at least partially, due to activation of D1 receptors and seems to have an anti-apoptotic effect on these cells.

Lindane induced cellular dysfunction in MDCK cells: The role of the peripheral benzodiazepine receptor

The central nervous system GABAA/Benzodiazepine (GABAA/BZD) receptors are targets for many pharmaceutical agents and several classes of pesticides. Lindane is an organochlorine pesticide, although banned from production in the U.S. since 1977, still imported for use as an insecticide and pharmaceutically to control ectoparasites (ATSDR, 1994). Lindane functions as a GABA/BZD receptor antagonist within the central nervous system (CNS). Outside of the CNS, peripheral BZD receptors have been localized to the distal tubule of the kidney. Previous research in our laboratory has shown that incubation of renal cortical slices with lindane can produce an increase in kallikrein leakage, suggesting a distal tubular effect. In this study, Madin Darby Canine Kidney (MDCK) cells were used as an in vitro system to assess the toxicity of lindane. This purpose of this study was to determine if interactions between a renal distal tubular BZD-like receptor and lindane could lead to perturbations in renal distal cellular chloride (Cl−) transport and mitochondrial dysfunction and ultimately, cellular death. ^ Pertubations in renal chloride transport were measured indirectly by determining if lindane altered cell function responsiveness following osmotic stress. MDCK cells pre-treated with lindane and then subjected to osmotic stress remained swollen for up to 12 hours post-stress. Lindane-induced dysfunction was assessed through stress protein induction measured by Western Blot analysis. Lindane pretreatment delayed Heat Shock Protein 72 (HSP72) induction by 36 hours in osmotically stressed cells. Pretreatment with 1 × 10 −5 M LIN followed by osmotic stress elevated p38 and Stress Activated Protein Kinase (SAPK/JNK) at 15 minutes which declined at 30 minutes. Lindane appeared to have no effect on Endoplasmic Reticulum Related Kinase (ERK) induction. Lindane did not effect osmotically stressed LLC-PKI cells, a control cell line. ^ Lindane-treated MDCK cells did not exhibit necrosis. Instead, apoptosis was observed in lindane-treated MDCK cells in both time- and dose-dependent manners. LLC-PKI cells were not affected by LIN treatment. ^ To better understand the mechanism of lindane-induced apoptosis, mitochondrial function was measured. No changes in cytochrome c release or mitochondrial membrane potential were observed suggesting the mitochondrial pathway was not involved in lindane-induced apoptosis. ^ Further research will need to be conducted to determine the mechanism of lindane-induced adverse cellular effects. ^

Dissociation among in vitro telomerase activity, telomere maintenance, and cellular immortalization

The immortalization of human cells is a critical step during tumorigenesis. In vitro, normal human somatic cells must overcome two proliferative blockades, senescence and crisis, to become immortal. Transformation with viral oncogenes extends the life span of human cells beyond senescence. Such transformed cells eventually succumb to crisis, a period of widespread cellular death that has been proposed to be the result of telomeric shortening. We now show that ectopic expression of the telomerase catalytic subunit (human telomerase reverse transcriptase or hTERT) and subsequent activation of telomerase can allow postsenescent cells to proliferate beyond crisis, the last known proliferative blockade to cellular immortality. Moreover, we demonstrate that alteration of the carboxyl terminus of human telomerase reverse transcriptase does not affect telomerase enzymatic activity but impedes the ability of this enzyme to maintain telomeres. Telomerase-positive cells expressing this mutant enzyme fail to undergo immortalization, further tightening the connection between telomere maintenance and immortalization.

Immune system's role in viral encephalitis.

Viral infections can be a major thread for the central nervous system (CNS), therefore, the immune system must be able to mount a highly proportionate immune response, not too weak, which would allow the virus to proliferate, but not too strong either, to avoid collateral damages. Here, we aim at reviewing the immunological mechanisms involved in the host defense in viral CNS infections. First, we review the specificities of the innate as well as the adaptive immune responses in the CNS, using several examples of various viral encephalitis. Then, we focus on three different modes of interactions between viruses and immune responses, namely human Herpes virus-1 encephalitis with the defect in innate immune response which favors this disease; JC virus-caused progressive multifocal leukoencephalopathy and the crucial role of adaptive immune response in this example; and finally, HIV infection with the accompanying low grade chronic inflammation in the CNS in some patients, which may be an explanation for the presence of cognitive disorders, even in some well-treated HIV-infected patients. We also emphasize that, although the immune response is generally associated with viral replication control and limited cellular death, an exaggerated inflammatory reaction can lead to tissue damage and can be detrimental for the host, a feature of the immune reconstitution inflammatory syndrome (IRIS). We will briefly address the indication of steroids in this situation.

Mutagénèse semi-aléatoire au site actif de la DHFR humaine : création et caractérisation de variantes hautement résistantes au MTX.

La dihydrofolate réductase humaine (DHFRh) est une enzyme essentielle à la prolifération cellulaire. Elle réduit le dihydrofolate en tétrahydrofolate, un co-facteur impliqué dans la biosynthèse des purines et du thymidylate. La DHFRh est une cible de choix pour des agents de chimiothérapie comme le méthotrexate (MTX), inhibant spécifiquement l’enzyme ce qui mène à un arrêt de la prolifération et ultimement à la mort cellulaire. Le MTX est utilisé pour le traitement de plusieurs maladies prolifératives, incluant le cancer. La grande utilisation du MTX dans le milieu clinique a mené au développement de mécanismes de résistance, qui réduisent l’efficacité de traitement. La présente étude se penche sur l’un des mécanismes de résistance, soit des mutations dans la DHFRh qui réduisent son affinité pour le MTX, dans le but de mieux comprendre les éléments moléculaires requis pour la reconnaissance de l’inhibiteur au site actif de l’enzyme. En parallèle, nous visons à identifier des variantes plus résistantes au MTX pour leur utilisation en tant que marqueurs de sélection en culture cellulaire pour des systèmes particuliers, tel que la culture de cellules hématopoïétiques souches (CHS), qui offrent des possibilités intéressantes dans le domaine de la thérapie cellulaire. Pour étudier le rôle des différentes régions du site actif, et pour vérifier la présence d’une corrélation entre des mutations à ces régions et une augmentation de la résistance au MTX, une stratégie combinatoire a été dévelopée pour la création de plusieurs banques de variantes à des résidus du site actif à proximité du MTX lié. Les banques ont été sélectionnées in vivo dans un système bactérien en utilisant des milieux de croissance contenant des hautes concentrations de MTX. La banque DHFRh 31/34/35 généra un nombre considérable de variantes combinatoires de la DHFRh hautement résistantes au MTX. Les variantes les plus intéressantes ont été testées pour leur potentiel en tant que marqueur de sélection dans plusieurs lignées cellulaires, dont les cellules hématopoïétiques transduites. Une protection complète contre les effets cytotoxiques du MTX a été observée chez ces cellules suite à leur infection avec les variantes combinatoires. Pour mieux comprendre les causes moléculaires reliées à la résistance au MTX, des études de structure tridimensionnelle de variantes liées au MTX ont été entreprises. La résolution de la structure de la double variante F31R/Q35E lié au MTX a révélé que le phénotype de résistance était attribuable à d’importantes différences entre le site actif de la double variante et de l’enzyme native, possiblement dû à un phénomème dynamique. Une compréhension plus générale de la reconnaissance et la résistance aux antifolates a été réalisée en comparant des séquences et des structures de variantes de la DHFR résistants aux antifolates et provenant de différentes espèces. En somme, ces travaux apportent de nouveaux éléments pour la comprehension des intéractions importantes entre une enzyme et un ligand, pouvant aider au développement de nouveaux antifolates plus efficaces pour le traitement de diverses maladies. De plus, ces travaux ont généré de nouveaux gènes de résistance pouvant être utilisés en tant que marqueurs de sélection en biologie cellulaire.

Effets de la purification d’alginate et de la co-encapsulation avec des cellules canaliculaires sur la survie et fonction d’îlots de Langerhans microencapsulés

La transplantation d’îlots chez des sujets diabétiques permet la normalisation de leur glycémie mais nécessite l’utilisation d’immunosuppresseurs. Afin d’éliminer l’utilisation de ceux-ci, une capsule d’alginate capable d’immunoprotéger l’îlot a été proposée. Cependant, un problème persiste : la survie de l’implant est limitée. Deux moyens afin d’améliorer ce facteur seront présentés dans ce mémoire: l’utilisation d’alginate purifié et la co-encapsulation des îlots avec des cellules canaliculaires pancréatiques. La première étude rapporte un aspect nouveau : les effets directs de l’alginate non-purifié, versus purifié, sur la survie d’îlots encapsulés. Ceci est démontré in vitro sur la viabilité à long terme des îlots, leur fonction et l’incidence de leur mort cellulaire par apoptose et nécrose. Ces investigations ont permis de conclure que l’alginate purifié permet de maintenir à long terme une meilleure survie et fonction des îlots. De plus, cette étude ajoute un autre rôle aux contaminants de l’alginate en plus de celui d’initier la réaction immunitaire de l’hôte; celle-ci étant indirectement reliée à la mort des îlots encapsulés. La deuxième étude consiste à déterminer les impacts possibles d’une co-encapsulation d’îlots de Langerhans avec des cellules canaliculaires pancréa-tiques. Les résultats obtenus démontrent que cette co-encapsulation n’améliore pas la survie des îlots microencapsulés, par des tests de viabilité et de morts cellulaires, ni leur fonction in vivo testée par des implantations chez un modèle murin immmunodéficient. Pour conclure, la survie des îlots encapsulés peut être améliorée par la purification de l’alginate mais reste inchangée lors d’une co-encapsulation avec des cellules canaliculaires pancréatiques.

Conception et synthèse d’aminoglycosides semi-synthétiques

Plusieurs aminoglycosides font partie d’une famille d’antibiotiques à large spectre d’action. Les aminoglycosides ayant une activité antibiotique viennent interférer dans la synthèse protéique effectuée par les bactéries. Les protéines mal codées entraineront la mort cellulaire. Au fil des années, de nombreux cas de résistance ont émergé après une utilisation soutenue des aminoglycosides. De nombreux aminoglycosides semi-synthétiques ont été synthétisés avec comme objectif de restaurer leur activité antimicrobienne. Parmi les modifications ayant connu du succès, notons la didésoxygénation d’un diol et l’introduction de la chaine latérale HABA. Des études précédentes ont montré l’efficacité de ces modifications sur les aminoglycosides. Les présents travaux portent sur l’installation de la chaine latérale HABA et la didésoxygénation d’un diol sur la paromomycine et la néomycine. La didésoxygénation sélective des diols a été effectuée en utilisant la méthodologie développée par Garegg et Samuelsson, une variation de la réaction de Tipson-Cohen. Cette méthode a permis l’obtention du motif didésoxygéné sur les cycles A et D dans des rendements jamais égalés pour ce motif synthétique. La chaîne latérale a été introduite en tirant profit de la réactivité et de la sélectivité d’un carbamate cyclique. Ces méthodes combinées ont permis la synthèse efficace de nombreux analogues semi-synthétiques nouveaux. La 3',4'-didéhydro-N-1-HABA-néomycine et la 3',4',3''',4'''-tétradésoxy-N-1-HABA-néomycine montrent une activité impressionnante contre des souches de bactéries résistantes aux aminoglycosides. Des tests de toxicité effectués en collaboration avec Achaogen Inc. ont démontré que ces composés sont relativement toxiques sur les cellules rénales de type H2K, ce qui réduit de façon importante leur index thérapeutique. Afin d’abaisser la toxicité des composés, la relation entre toxicité et basicité a été explorée. Des substitutions de l’amine en 6''' ont été effectuées afin d’abaisser la basicité de l’amine. Les résultats de toxicité et d’activité antimicrobienne démontrent une corrélation importante entre la basicité des amines et la toxicité/activité des aminoglycosides antibiotiques. L’effet d’une modulation du pKa a aussi été exploré en installant des chaines fluorées sur l’amine en 6''' de la paromomycine et de la néomycine. Une séquence synthtétique pour isoler l’amine en 6''' de la néomycine a aussi été développée.

Évaluation de l'acquisition de la résistance à la colistine chez Escherichia coli O149 chez le porc.

La diarrhée post-sevrage est une maladie d’importance dans l’industrie porcine et est principalement causée Escherichia coli O149. Le traitement habituellement utilisé est la néomycine. Cependant, en raison de l’antibiorésistance, les vétérinaires se tournent vers la colistine sulfate (CS). La CS lie les lipopolysaccharides (LPS) et provoque un déplacement des cations divalents causant la formation de pores entrainant la mort cellulaire. Le système à deux composantes PmrA/PmrB est le plus incriminé dans la résistance à la colistine en ajoutant un groupement 4-amino-4-déoxy-L-arabinose (L-Ara4N) au lipide A des LPS, augmentant ainsi la charge du LPS et diminuant son affinité pour la CS. L’objectif principal est d’évaluer l’acquisition de la résistance à la CS d’E. coli in vitro et dans un modèle in vivo. Nous avons utilisé des souches associées à des cas cliniques d’E. coli O149 et avons créé 22 mutants résistants à la CS. La concentration minimale inhibitrice (CMI) a été mesurée par une méthode de double dilution et comparée au seuil de résistance. Suite au séquençage des gènes pmrA/pmrB, nous avons identifié sept nouveaux polymorphismes, trois dans PmrA : A80V, N128I, S144G et quatre dans PmrB : V87E, D148Y, D148V et T156M. Pour l’essai in vivo, nous avons suivi une souche expérimentale ETEC:F4 (E. coli O149) et isolé des E. coli de la flore commensale. Le séquençage des gènes pmrA et pmrB de ces isolats a montré un polymorphisme spécifique, G15R et T156M respectivement. Cependant, plusieurs souches récoltées possédaient une résistance à la CS, mais sans polymorphisme de PmrA/PmrB, suggérant d’autre(s) mécanisme(s) de résistance.

Diesel exhaust particulate matter induces multinucleate cells and zinc transporter-dependent apoptosis in human airway cells

The cellular effects of biodiesel emissions particulate matter (BDEP) and petroleum diesel emissions particulate matter (PDEP) were compared using a human airway cell line, A549. At concentrations of 25 µg/ml, diesel particulate matter induced the formation of multinucleate cells. In cells treated with a mixture of 80% PDEP:20% BDEP, 52% of cells were multinucleate cells compared with only 16% of cells treated with 20% PDEP:80% BDEP with a background multinucleate rate of 7%. These results demonstrate a causal relation between the formation of multinucleate cells and exposure to exhaust particulate matter, in particular diesel exhaust. Exposure of A549 cells to PDEP induced apoptosis, seen by active caspase-3 expression and the presence of cleaved pancytokeratin. PDEP exhaust was a much stronger inducer of cellular death through apoptosis than BDEP. There was an eightfold increase in the expression of SLC30A3 (zinc transporter-3 or ZnT3) in cells exposed to 80% PDEP:20% BDEP compared to untreated cells. The increase in ZnT3 expression seen in apoptotic cells following PDEP suggests a role for this zinc transporter in the apoptotic pathway, possibly through controlling zinc fluxes. As exposure to diesel exhaust particles is associated with asthma and apoptosis in airway cells, diesel exhaust particles may directly contribute to asthma by inducing epithelial cell death through apoptotic pathway.

Fishy business : effect of omega-3 fatty acids on zinc transporters and free zinc availability in human neuronal cells

Omega-3 (ω-3) fatty acids are one of the two main families of long chain polyunsaturated fatty acids (PUFA). The main omega-3 fatty acids in the mammalian body are α-linolenic acid (ALA), docosahexaenoic acid (DHA) and eicosapentaenoic acid (EPA). Central nervous tissues of vertebrates are characterized by a high concentration of omega-3 fatty acids. Moreover, in the human brain, DHA is considered as the main structural omega-3 fatty acid, which comprises about 40% of the PUFAs in total. DHA deficiency may be the cause of many disorders such as depression, inability to concentrate, excessive mood swings, anxiety, cardiovascular disease, type 2 diabetes, dry skin and so on. On the other hand, zinc is the most abundant trace metal in the human brain. There are many scientific studies linking zinc, especially excess amounts of free zinc, to cellular death. Neurodegenerative diseases, such as Alzheimer's disease, are characterized by altered zinc metabolism. Both animal model studies and human cell culture studies have shown a possible link between omega-3 fatty acids, zinc transporter levels and free zinc availability at cellular levels. Many other studies have also suggested a possible omega-3 and zinc effect on neurodegeneration and cellular death. Therefore, in this review, we will examine the effect of omega-3 fatty acids on zinc transporters and the importance of free zinc for human neuronal cells. Moreover, we will evaluate the collective understanding of mechanism(s) for the interaction of these elements in neuronal research and their significance for the diagnosis and treatment of neurodegeneration.

Investigação de proteínas envolvidas na vulnerabilidade seletiva do hipocampo

Uma das principais características do hipocampo após a isquemia é a vulnerabilidade diferencial das células da região CA1 e DG à morte celular. Os neurônios granulares do DG são resistentes, enquanto que os neurônios piramidais da região CA1 são mais sensíveis. Nosso objetivo nesse estudo foi investigar o possível envolvimento da via de sinalização celular PI3K, uma via que possui efeito proliferativo e antiapoptótico, e das proteínas de choque térmico (HSPs) no fenômeno da vulnerabilidade seletiva. Para isso foram usadas culturas organotípicas de hipocampo de ratos Wistar de 6-8 dias. As culturas foram tratadas com o inibidor da PI3K, LY294002 (LY), nas doses 10μM e 50μM. A morte celular foi quantificada pela medida da incorporação de iodeto de propídeo e da atividade das caspases 3 e 7. Alterações na fosforilação e no imunoconteúdo das proteínas foram obtidas com o uso de anticorpos específicos. Os resultados mostraram que a região do DG parece responder de forma tempo dependente e precocemente à presença da droga, sugerindo uma importância da via nessa região. Para investigar se a proteína AKT, uma cinase ativada por PI3K, estava envolvida na vulnerabilidade seletiva das células às condições de privação de oxigênio e glicose (POG), medimos a fosforilação e o imunoconteúdo dessa cinase após 60 minutos de POG seguida dos tempos de recuperação de 30 minutos, 6 horas e 24 horas. Nenhuma alteração foi observada nesses parâmetros, sugerindo que , nesse caso, a fosforilação da AKT não está envolvida na vulnerabilidade seletiva. Quando o imunoconteúdo da HSP27 e da HSP70 foi investigado após as condições de POG em ambas as áreas do hipocampo, não foi observada nenhuma alteração na HSP27 nos tempos de recuperação escolhidos. Por outro lado, observou-se aumento no imunoconteúdo da HSP70 em ambas as regiões 24 horas após a exposição às condições de POG, sendo este maior no CA1. Quando as quantidades das HSPs nas duas regiões em condições basais foram comparadas, observou-se que ambas estão em maior quantidade na região do DG. Esta diferença poderia estar relacionada com a resistência à morte celular observada no DG, uma vez que, possuindo maior quantidade HSPs, estas poderiam atuar como protetoras contra a morte. Esses resultados sugerem que a via de sinalização da PI3K pode estar envolvida na vulnerabilidade seletiva observada no hipocampo em resposta à condições de POG, e esta não envolve alterações na fosforilação da AKT. Por outro lado, HSP27 e HSP70 podem estar envolvidas no fenômeno da vulnerabilidade seletiva, protegendo o DG das lesões.