Na presente tese, nós estudamos os efeitos do estresse crônico repetido (CRS) e do estresse crônico imprevisível moderado (UCMS) sobre comportamentos do tipo- ansioso e do tipo- depressivo na tentativa de estabelecer possíveis diferenças comportamentais sobre os modelos de estresse. Além disso, verificar os efeitos de ambos os modelos sobre parâmetros bioquímicos como a atividade da enzima Na+, K+-ATPase e o binding dos receptores de adenosina A1 (A1Rs) e A2A (A2ARs) no hipocampo e estriado, respectivamente, de ratos machos adultos Wistar. Nos dois trabalhos apresentados neste estudo, os animais foram submetidos ao CRS e ao UCMS durante 40 dias e subsequentemente foram avaliados em uma série de tarefas comportamentais para estudo de comportamentos do tipo- ansioso e do tipo- depressivo. O primeiro artigo demonstrou que ratos submetidos ao CRS e UCMS apresentaram comportamento do tipo- ansioso, analisado pela diminuição na permanência nos quadrados centrais na tarefa do campo aberto. Além disso, foi demonstrada uma diminuição da atividade da enzima Na+, K+-ATPase na amígdala desses ratos, não sendo, todavia, observado alteração do imunoconteúdo da enzima. Adicionalmente, com o objetivo de elucidar as possíveis causas da diminuição da atividade da Na+, K+-ATPase,medimos diversos parâmetros de estresse oxidativo, porém não obtivemos qualquer diferença significativa nessas medidas, capaz de explicar, ao menos em parte, uma possível causa dessa diminuição da Na+, K+-ATPase na amígdala dos ratos estressados cronicamente. No segundo trabalho, somente o UCMS foi capaz de induzir comportamento do tipo- depressivo, verificado pelo aumento no tempo de imobilidade no teste do nado forçado. Este comportamento tem sido interpretado como desamparo aprendido. Desse modo, utilizamos somente o UCMS como variável para o consumo de solução de sacarose 1%. Este consumo foi monitorado semanalmente, durante oito semanas. De fato, UCMS foi capaz de induzir diminuição no consumo de solução de sacarose, comportamento entendido como anedonia, perda de motivação em situações prazerosas. Uma vez estabelecidas as diferenças comportamentais entre CRS e UCMS, verificamos alterações no sisterma adenosinérgico ao analisarmos os A1Rs e os A2ARs. Demonstramos uma similaridade no binding de A1Rs, aumentando Bmax com aumento do imunoconteúdo dos A1Rs tanto no CRS quanto no UCMS. Interessantemente, quanto ao binding de A2ARs, o grupo UCMS mostrou-se diferente do CRS, com aumento de Bmax para A2AR. Em suma, concluímos que os dois modelos de estresse crônico causaram alterações similares na atividade da Na+, K+-ATPase na amígdala de ratos, e ambos os grupos estressados aumentaram o comportamento do tipo- ansioso e sensibilização (up-regulation) de A1Rs no hipocampo. Por outro lado, somente UCMS foi capaz de induzir desamparo aprendido, anedonia e aumento no binding de A2ARs no estriado. Enfim, acreditamos que estas alterações neuroquímicas e comportamentais expostas na presente tese possam servir no refinamento do conhecimento básico para posteriores interesses no melhoramento de terapias farmacológicas sobre psicopatologias. / The aim of this dissertation was to study the effects of Chronic Restraint Stress (CRS) and Unpredictable Chronic Mild Stress (UCMS) upon anxiety-like and depressive-like behaviors in order to establish possible behavioral differences between CRS and UCMS. In addition, we aimed to verify effects of both stress models upon biochemical parameters such as Na+, K+-ATPase activity and binding of the A1 (A1Rs) e A2A (A2ARs) adenosine receptors in hippocampus and striatum, respectively, in adult male Wistar rats. In all studies, the animals were submitted to CRS and UCMS during 40 days; the control group was no submitted to any kind of stress, and subsequently all groups were submitted to behavioral tasks to evaluate anxiety-like and depressive-like behaviors. The first paper demonstrated that both stress models (CRS and UCMS) were able to increase anxiety-like behavior evaluated as the time in the central area of the open field task. Additionally, there was decreased Na+, K+-ATPase activity in amygdala of stressed rats. Besides that, there were no alterations in α 3 subunit immuncontent. We tried next to elucidate possible causes for the decreased Na+, K+-ATPase activity, and we measured several oxidative stress parameters, however no important differences were detected in this analysis, that could explain, at least in part, the possible causes of a decrease in Na+, K+-ATPase activity in amygdala of chronically stressed rats. On the other hand, only the UCMS group was able to induce depressive-like behavior, displayed by increased immobility time on the forced swimming test, which has been interpreted as learning helplessness. Therefore, we next studied if UCMS could lead to altered consumption of sucrose 1%, and this consumption was monitored weekly during eight weeks. Indeed, UCMS was able to induce decreased consumption of sucrose solution, a response that was considered as anhedonia, lost of motivation for pleasant situations. Once these behavioral differences between CRS and UCMS were detected, we studied possible alterations on the adenosinergic system, analyzing A1Rs e A2ARs We showed similarities on the effects of both types of chronic stress on A1Rs binding, since both increased Bmax as well as A1Rs immunocontent. Interestingly, when we analyzed A2ARs binding, only UCMS increased A2ARs Bmax. Finally, we concluded that CRS and UCMS were capable of inducing similar alterations in Na+, K+-ATPase activity in amygdala of rats. Additionally, both stressed groups increased anxiety-like behavior and showed up-regulation in hippocampal A1Rs. Besides, UCMS was able to induce learned helplessness, anhedonia and up-regulation in striatal A2ARs. It is expected that the behavioral and biochemical changes presented in this dissertation could refine the basic knowledge in this area, improving pharmacological therapies to treat psychopathologies.

A hipermetioninemia ocorre em muitas doenças metabólicas, dentre elas, na deficiência da enzima metionina adenosiltransferase e na homocistinúria. Pacientes afetados por essas doenças podem apresentar alterações neurológicas e hepáticas; entretanto, os mecanismos responsáveis por essas manifestações não estão totalmente elucidados. No presente trabalho inicialmente avaliamos o efeito in vitro da metionina sobre a atividade da Na+,K+-ATPase e sobre alguns parâmetros de estresse oxidativo em hipocampo de ratos. Resultados mostraram que a pré-incubação de homogeneizados de hipocampo com metionina diminuiu a atividade da Na+,K+-ATPase e que antioxidantes (glutationa e trolox) preveniram esse efeito. Verificou-se também que a metionina diminuiu o potencial antioxidante total não enzimático (TRAP), aumentou a lipoperoxidação (medida pela quantidade de substâncias reativas ao ácido tiobarbitúrico – TBARS e pela quimiluminescência) e não alterou a atividade das enzimas antioxidantes catalase (CAT), glutationa peroxidase (GSH-Px) e superóxido dismutase (SOD). A seguir, desenvolvemos um modelo químico experimental de hipermetioninemia em ratos, a fim de estudar e melhor compreender os mecanismos fisiopatológicos dessa doença. Utilizando esse modelo, verificamos diversos parâmetros bioquímicos cerebrais, como a atividade da Na+,K+-ATPase e da acetilcolinesterase, alguns parâmetros de estresse oxidativo, o conteúdo lipídico total, bem como o aprendizado e a memória em ratos submetidos à tarefa do labirinto aquático de Morris. Também avaliamos parâmetros de estresse oxidativo em fígado de ratos hipermetioninêmicos. O modelo crônico de hipermetioninemia foi realizado do 6o ao 28o dia de vida e as doses de metionina administradas variaram de 1,34 a 2,68 mmol/g de peso corporal. Os ratos controles receberam solução salina no mesmo volume. As concentrações plasmáticas obtidas foram de 2 mmol/L, similares àquelas encontradas no plasma de pacientes hipermetioninêmicos. Os níveis cerebrais de metionina foram de aproximadamente 1 mmol/g de tecido. No tratamento agudo, ratos de 29 dias receberam uma injeção de metionina, na dose VIII de 2,68 mmol/g de peso corporal. Os resultados mostraram que a hipermetioninemia aguda e crônica aumentou o TBARS e reduziu a Na+,K+- ATPase em cérebro de ratos. A hipermetioninemia crônica reduziu o conteúdo total de gangliosídios, fosfolipídios e colesterol, e não alterou a CAT e o conteúdo tiólico total em cérebro de ratos. Também observamos que a administração crônica de metionina provocou um déficit na memória de trabalho e um aumento na atividade da acetilcolinesterase cerebral. Por outro lado, a administração aguda de metionina não alterou a atividade dessa enzima em cérebro de ratos. Por fim, demonstramos que a hipermetioninemia crônica aumentou a quimiluminescência, o conteúdo de carbonilas e a atividade da GSH-Px, e diminuiu o TRAP e a atividade da CAT em fígados de ratos. Em contraste, não houve alteração nos níveis de TBARS, TAR, conteúdo tiólico total e na atividade da SOD em fígado de ratos. Nossos achados, em conjunto, poderão auxiliar na compreensão das alterações neurológicas e hepáticas observadas em pacientes hipermetioninêmicos. / Hypermethioninemia is the biochemical hallmark of many metabolic disorders, such as methionine adenosyltransferase activity deficiency and homocystinuria. Affected patients can present neurological and hepatic alterations, whose underlying mechanisms are not yet fully established. In the present work, we evaluated the in vitro effect of methionine on Na+,K+-ATPase activity and some parameters of oxidative stress in hippocampus of rats. Results showed that incubation of homogenates of hippocampus with methionine diminished Na+,K+- ATPase activity and that simultaneous incubation with some antioxidants, such as glutathione and trolox prevented this effect. We also demonstrated that methionine decreased total radical antioxidant potential (TRAP), increased thiobarbituric acid reactive substances (TBARS) e chemiluminescence (both are markers of lipid peroxidation), but did not alter the activities of antioxidant enzymes catalase (CAT), glutathione peroxidase (GSH-Px) and superoxide dismutase (SOD) in hippocampus of rats. Afterwards, considering that animal models are useful to better understand the physiopathology of human diseases, we developed a chemically induced experimental model of hypermethioninemia in rats. By using this model, we verified many biochemical parameters, as Na+,K+-ATPase and acetylcholinesterase activities, some oxidative stress parameters, total lipid content, as well as learning and memory in rats on Morris water maze task. We also determined the effect chronic hypermethioninemia on some parameters of oxidative stress in liver of rats. Chronic hypermethioninemia was performed from the 6th to the 28th day of life and methionine doses administered (1.34–2.68 mmol/g of body weight) were chosen in order to induce plasma levels similar to those described in hypermethioninemic patients (around to 2 mmol/L). By this treatment, we also produced high levels of methionine (approximately 1 mmol/g wet tissue) in brain of rats. Control rats received saline in the same volumes. In acute treatment, 29-day-old rats received one single injection of methionine (2.68 mmol/g of body weight). Results showed that acute and chronic administration of methionine X enhanced TBARS levels and decreased Na+,K+-ATPase activity in brain of rats. Chronic hypermethioninemia reduced total content of gangliosides, phospholipids and cholesterol, but did not change CAT activity and total thiol content brain of rats. We also observed that methionine-treated rats presented impaired performance on working memory task and an increase in brain acetylcholinesterase activity. On the other hand, acute administration did not alter this enzyme activity. Finally, we demonstrated that chronic hypermethioninemia increased chemiluminescence, protein carbonyl content and GSH-Px activity, and decreased TRAP and CAT activity in liver of rats. In contrast, TBARS, TAR, total thiol content and SOD activity were not affected by methionine administration in liver of rats. Altogether, our findings may be helpful in the understanding of the neurological and hepatic alterations observed in hypermethioninemic patients.

A deficiência de sulfito oxidase é uma doença autossômica recessiva que afeta o metabolismo da metionina e cisteína. Os indivíduos afetados comumente apresentam, no período neonatal, convulsões refratárias, retardo mental e desordens do movimento cuja fisiopatologia é desconhecida. Os distúrbios no desenvolvimento e o dano cerebral podem ocorrer como resultado do acúmulo tecidual de sulfito no cérebro. Os objetivos deste estudo foram verificar os efeitos in vitro e in vivo do sulfito sobre alguns parâmetros de estresse oxidativo (avaliação de lipoperoxidação e capacidade antioxidante tecidual) e sobre a atividade da Na+, K+-ATPase em córtex cerebral, estriado e hipocampo de ratos. Primeiramente, verificamos o efeito in vitro do sulfito sobre o estresse oxidativo e a Na+, K+-ATPase em cérebro de ratos de 10 e 60 dias. Posteriormente, nos estudos in vivo, investigamos o efeito da administração intracerebroventricular de sulfito sobre os parâmetros estudados in vitro. Os estudos in vitro demonstraram uma ação direta do sulfito (500μM) na indução de estresse oxidativo verificada pela redução na atividade da catalase e aumento da peroxidação lipídica, enquanto que nos estudos in vivo o sulfito não alterou a atividade das enzimas antioxidantes, TRAP ou TBARS. Tanto nos estudos in vitro como in vivo, o sulfito mostrou-se incapaz de alterar a atividade da Na+,K+-ATPase. Nossos resultados, em conjunto, não excluem o potencial efeito neurotóxico do sulfito na fisiopatologia da doença. O conhecimento dos níveis deste composto no cérebro pode evidenciar além da condição de estresse oxidativo, o comprometimento de outras vias metabólicas importantes no funcionamento cerebral e podem apontar estratégias terapêuticas na prevenção dos efeitos neurológicos da deficiência de sulfito oxidase. / The sulfite oxidase deficiency is a rare autosomal recessive disorder affecting the metabolism of methionine and cysteine. Affected individuals commonly present in the neonatal period intractable seizures, mental retardation and movement disorder which the physiopathology is unknown. The disturbed development and damage to the brain might occur as a result of tissue accumulation of sulfite in the cerebro. The objectives of this study was to investigate the in vitro and in vivo effects of sulfite on some parameters of oxidative stress (lipoperoxidation and antioxidant capacity) and on Na+, K+-ATPase activity in cerebral cortex, striatum and hippocampus from rats. Firstly, we verified the in vitro effects of sulfite on oxidative stress and Na+, K+- ATPase in brains from 10 and 60 days old rats. In the subsequent events, in the in vitro studies, we investigated the effect of intracerebroventricular injection of sulfite on the same parameters studied in vitro. The in vitro studies showed a direct action of sulfite (500 μM) in the induction of oxidative stress through the decrease of catalase activity and increase of peroxidation lipid, while the in vivo studies didn’t alter the antioxidants enzyme activity, TRAP or TBARS. Both in vitro and in vivo studies, showed that sulfite was incapable to disturb the Na+,K+-ATPase activity. Our results, together, don’t exclude the potencial neurotoxic effect of sulfite in the physiopathology of disease. The kwonledge of levels from this compound in the brain can show over there the oxidative stress, the compromise of others metabolic patways important to the brain function and can to lead to strategies therapeutics in the prevention of neurologic effects on sulfite oxidase deficiency.

Considerando que a deficiência hormonal causada pela ovariectomia promove alterações nas atividades das enzimas Na+,K+-ATPase, acetilcolinesterase (AChE) e ectonucleotidases e pode prejudicar a memória em ratas, no presente trabalho nós investigamos a influência do exercício físico sobre a ativação da Na+,K+-ATPase e acetilcolinesterase em hipocampo e córtex cerebral causada pela ovariectomia em ratas adultas, bem como sobre a hidrólise de nucleotídeos de adenosina no córtex cerebral e no soro. Também investigamos o efeito do exercício sobre a memória espacial e aversiva em ratas adultas ovariectomizadas. Ratas Wistar adultas foram divididas em quatro grupos: sham (submetidas à cirurgia sem a remoção dos ovários), exercício, ovariectomizadas (Ovx) e Ovx+exercício. Trinta dias após a cirurgia, os animais foram submetidos a um mês de exercício físico por 20 min, três vezes por semana. Logo após, as ratas foram decapitados, o soro coletado e o hipocampo e córtex cerebral dissecados, ou foram submetidas às tarefas de esquiva inibitória e labirinto aquático de Morris. Os dados demonstraram que o exercício físico reverte a ativação das atividades da Na+,K+-ATPase e AChE em hipocampo e córtex cerebral de ratas ovariectomizadas. A ovariectomia diminuiu a hidrólise de AMP no córtex cerebral e não alterou a hidrólise de nucleotídeos de adenosina sérica. Exercício per se diminuiu a hidrólise de ADP e AMP em córtex cerebral. Resultados também mostraram que ratas ovariectomizadas apresentaram prejuízo na memória aversiva e espacial (memória de referência e de trabalho), quando comparadas ao grupo controle (sham). Confirmando nossa hipótese, o déficit na memória foi revertido pelo exercício físico. Nossos achados mostram que a ovariectomia prejudica significativamente a memória/aprendizado aversiva e espacial e altera as enzimas Na+,K+-ATPase e AChE, e que o exercício físico preveniu tais efeitos. Esses dados sugerem que o exercício físico pode se mostrar uma estratégia importante para minimizar déficits cognitivos encontrados em mulheres pósmenopáusicas. / Hormone deficiency following ovariectomy causes activation of Na+,K+- ATPase and acetylcholinesterase (AChE), that has been related to cognitive deficits in experimental animals, and memory impairment. Considering that physical exercise presents neuroprotector effects, we decide to investigate whether exercise training would affect enzyme activation in hippocampus and cerebral cortex, as well as adenosine nucleotide hydrolysis in synaptosomes from cerebral cortex of ovariectomized rats, and ovariectomy-induced memory deficits in inhibitory avoidance and Morris water maze tasks. Female adult Wistar rats were assigned to one of the following groups: sham (submitted to surgery without removal of the ovaries), exercise, ovariectomized (Ovx) and Ovx plus exercise. Thirty days after surgery, animals were submitted to one month of exercise training for 20 min, three times per week. After, rats were euthanized, blood serum was collected and hippocampus and cerebral cortex were dissected, or rats were tested in inhibitory avoidance and Morris water maze tasks. Data demonstrated that exercise reversed the activation of Na+,K+-ATPase and AChE activities both in hippocampus and cerebral cortex of ovariectomized rats. Ovariectomy decreased AMP hydrolysis in cerebral cortex and did not alter adenosine nucleotides hydrolysis in blood serum. Exercise per se decreased ADP and AMP hydrolysis in cerebral cortex. On the other hand, AMP hydrolysis in blood serum was increased by exercise in ovariectomized adult rats. Results also show that ovariectomized rats presented impairment in aversive memory and spatial navigation, both in reference and working memory protocols, when compared to sham group (control). Confirming our hypothesis, ovariectomized rats submitted to exercise had those impairments prevented. We conclude that ovariectomy significantly impairs aversive and spatial reference learning/memory and related enzymes, and that physical exercise prevents such effects. These findings support that physical exercise might constitute an important strategy to minimize cognitive deficits found in postmenopausal women.

AN ABSTRACT OF THE DISSERTATION OF SOLOMON G. HAILU, for the Doctor of Philosophy degree in Molecular Biology, Microbiology and Biochemistry, presented on August 22, 2017, at Southern Illinois University, School of Medicine. TITLE: DISTINCT GENOME WIDE FUNCTIONS OF CHROMATIN REMODELERS IN NUCLEOSOME ORGANIZATION AND TRANSCRIPTION REGULATION MAJOR PROFESSOR: Dr. Blaine Bartholomew Chromatin remodelers are conserved from yeast to humans and are the gatekeepers of chromatin. They regulate transcription by occluding or exposing DNA regulatory elements globally. They are crucial for DNA processes such as DNA replication, repair and recombination. In addition, they are critical in developmental processes and differentiation. Chromatin remodelers are categorized into several families based on their conserved ATPase domain, an essential component required for their DNA translocation ability. In this study, we investigated the role yeast ISWI and SWI/SNF family of chromatin remodelers play on nucleosome rearrangement and transcription regulation by targeted mutagenesis of domains in accessory subunits and at the C-terminus of the catalytic subunit. All members of the ISWI family (ISW1a, ISW1b, ISW2) share a conserved C-terminal HAND, SANT and SLIDE domains, which are important for sensing linker DNA. We find an auto-regulation of ISWI complexes by the SLIDE domain, independent of the histone H4 Nterminal tail. Our protein-protein chemical crosslinking and mass spectrometry (CX-MS) analysis indicate that the SLIDE domain regulates the ATPase core through N terminal domains of the accessory subunit Itc1. Moreover, we show that the accessory subunits of ISWI modulate the ATPase activity and specificity of ISWI complexes. The DNA sensing ability of the SLIDE domain is required for the in vivo nucleosome spacing and transcription regulation by ISWI. We find that while ISW2 primarily regulates transcription at the 5’ end of genes, ISW1a is important in transcription elongation by rearranging nucleosomes starting at the +2 nucleosome and through the rest of the body of genes towards the 3’ end. ISW1b on the other hand rearrange nucleosomes in the gene body to facilitate suppression of cryptic transcription. For the first time, we show the potential division of labor between ISW1a and ISW1b during transcription elongation. On the other hand, SWI/SNF chromatin remodelers are essential epigenetic factors that are frequently mutated in cancer and neurological disorders. They harbor a C-terminal SnAC and AT hook domains that positively regulate their DNA dependent ATPase activity and nucleosome mobilizing capabilities. By deleting the AT hook motifs, we have identified the role of SWI/SNF in organizing the -1 and +1 nucleosomes at transcription start sites flanking the nucleosome free region (NFR). Our RNA-seq analysis shows SWI/SNF positively regulates the bi-directional transcription of non-coding RNA (ncRNA) which are activated when the AT hook motifs are deleted. Moreover, AT hooks regulate such activities of SWI/SNF through direct protein-protein interactions with the ATPase core as evidenced by our chemical crosslinking and mass spectrometry (CX-MS) analysis.

The mitochondrial F-ATPases make about 90% of cellular ATP. They are multi-protein assemblies with a membrane extrinsic catalytic domain attached to a membrane embedded sector. They operate by a mechanical rotary mechanism powered by an electro-chemical gradient, generated across the inner mitochondrial membrane by respiration. A detailed molecular description has been provided by X-ray crystallographic studies and "single molecule" observations of the mechanism of the F1 catalytic domain. Details are known also of the architecture of the peripheral stalk of part of the stator and the membrane embedded region of the rotor. However, knowledge of the detailed structure of the rest of the membrane domain, and the detailed mechanism of generation of rotation is lacking. Recently, studies of the intact mitochondrial F-ATPases, determined by cryo-electron microscopy (cryo-em), have provided structural information at intermediate levels of resolution. Whilst these structures have given insights into the mechanism of generation of rotation, the information required for a molecular understanding of this mechanism is still lacking. Moreover, the locations and roles of six supernumerary membrane subunits are unclear. Some of them are likely to be involved in the formation of dimers of the enzyme which line the edges of mitochondrial cristae. Therefore, in this thesis, a procedure is described for the purification of dimers of the bovine and yeast F-ATPases. The structure of the bovine dimer has been determined by cryo-em at a resolution of ca. 6.9 Angstrom. This structure confirms features concerning the trans-membrane spans of the a-, A6L- and b-subunits observed in the monomeric complex. In addition, the single trans-membrane a-helix of the f-subunit has been located, and the subunit appears to mediate dimer formation. The structure of A6L has been extended, and the a-helices of subunits e- and g- have been located. Another novel feature has been assigned to the DAPIT subunit, and may provide links between dimers in forming larger oligomers. Further improvement in the resolution of the structure is hampered by the extreme conformational heterogeneity of the F-ATPase. To this end, the simpler Fo membrane domain has been isolated and characterized initially by electron microscopy in negative stain.

A hipermetioninemia ocorre em muitas doenças metabólicas, dentre elas, na deficiência da enzima metionina adenosiltransferase e na homocistinúria. Pacientes afetados por essas doenças podem apresentar alterações neurológicas e hepáticas; entretanto, os mecanismos responsáveis por essas manifestações não estão totalmente elucidados. No presente trabalho inicialmente avaliamos o efeito in vitro da metionina sobre a atividade da Na+,K+-ATPase e sobre alguns parâmetros de estresse oxidativo em hipocampo de ratos. Resultados mostraram que a pré-incubação de homogeneizados de hipocampo com metionina diminuiu a atividade da Na+,K+-ATPase e que antioxidantes (glutationa e trolox) preveniram esse efeito. Verificou-se também que a metionina diminuiu o potencial antioxidante total não enzimático (TRAP), aumentou a lipoperoxidação (medida pela quantidade de substâncias reativas ao ácido tiobarbitúrico – TBARS e pela quimiluminescência) e não alterou a atividade das enzimas antioxidantes catalase (CAT), glutationa peroxidase (GSH-Px) e superóxido dismutase (SOD). A seguir, desenvolvemos um modelo químico experimental de hipermetioninemia em ratos, a fim de estudar e melhor compreender os mecanismos fisiopatológicos dessa doença. Utilizando esse modelo, verificamos diversos parâmetros bioquímicos cerebrais, como a atividade da Na+,K+-ATPase e da acetilcolinesterase, alguns parâmetros de estresse oxidativo, o conteúdo lipídico total, bem como o aprendizado e a memória em ratos submetidos à tarefa do labirinto aquático de Morris. Também avaliamos parâmetros de estresse oxidativo em fígado de ratos hipermetioninêmicos. O modelo crônico de hipermetioninemia foi realizado do 6o ao 28o dia de vida e as doses de metionina administradas variaram de 1,34 a 2,68 mmol/g de peso corporal. Os ratos controles receberam solução salina no mesmo volume. As concentrações plasmáticas obtidas foram de 2 mmol/L, similares àquelas encontradas no plasma de pacientes hipermetioninêmicos. Os níveis cerebrais de metionina foram de aproximadamente 1 mmol/g de tecido. No tratamento agudo, ratos de 29 dias receberam uma injeção de metionina, na dose VIII de 2,68 mmol/g de peso corporal. Os resultados mostraram que a hipermetioninemia aguda e crônica aumentou o TBARS e reduziu a Na+,K+- ATPase em cérebro de ratos. A hipermetioninemia crônica reduziu o conteúdo total de gangliosídios, fosfolipídios e colesterol, e não alterou a CAT e o conteúdo tiólico total em cérebro de ratos. Também observamos que a administração crônica de metionina provocou um déficit na memória de trabalho e um aumento na atividade da acetilcolinesterase cerebral. Por outro lado, a administração aguda de metionina não alterou a atividade dessa enzima em cérebro de ratos. Por fim, demonstramos que a hipermetioninemia crônica aumentou a quimiluminescência, o conteúdo de carbonilas e a atividade da GSH-Px, e diminuiu o TRAP e a atividade da CAT em fígados de ratos. Em contraste, não houve alteração nos níveis de TBARS, TAR, conteúdo tiólico total e na atividade da SOD em fígado de ratos. Nossos achados, em conjunto, poderão auxiliar na compreensão das alterações neurológicas e hepáticas observadas em pacientes hipermetioninêmicos. / Hypermethioninemia is the biochemical hallmark of many metabolic disorders, such as methionine adenosyltransferase activity deficiency and homocystinuria. Affected patients can present neurological and hepatic alterations, whose underlying mechanisms are not yet fully established. In the present work, we evaluated the in vitro effect of methionine on Na+,K+-ATPase activity and some parameters of oxidative stress in hippocampus of rats. Results showed that incubation of homogenates of hippocampus with methionine diminished Na+,K+- ATPase activity and that simultaneous incubation with some antioxidants, such as glutathione and trolox prevented this effect. We also demonstrated that methionine decreased total radical antioxidant potential (TRAP), increased thiobarbituric acid reactive substances (TBARS) e chemiluminescence (both are markers of lipid peroxidation), but did not alter the activities of antioxidant enzymes catalase (CAT), glutathione peroxidase (GSH-Px) and superoxide dismutase (SOD) in hippocampus of rats. Afterwards, considering that animal models are useful to better understand the physiopathology of human diseases, we developed a chemically induced experimental model of hypermethioninemia in rats. By using this model, we verified many biochemical parameters, as Na+,K+-ATPase and acetylcholinesterase activities, some oxidative stress parameters, total lipid content, as well as learning and memory in rats on Morris water maze task. We also determined the effect chronic hypermethioninemia on some parameters of oxidative stress in liver of rats. Chronic hypermethioninemia was performed from the 6th to the 28th day of life and methionine doses administered (1.34–2.68 mmol/g of body weight) were chosen in order to induce plasma levels similar to those described in hypermethioninemic patients (around to 2 mmol/L). By this treatment, we also produced high levels of methionine (approximately 1 mmol/g wet tissue) in brain of rats. Control rats received saline in the same volumes. In acute treatment, 29-day-old rats received one single injection of methionine (2.68 mmol/g of body weight). Results showed that acute and chronic administration of methionine X enhanced TBARS levels and decreased Na+,K+-ATPase activity in brain of rats. Chronic hypermethioninemia reduced total content of gangliosides, phospholipids and cholesterol, but did not change CAT activity and total thiol content brain of rats. We also observed that methionine-treated rats presented impaired performance on working memory task and an increase in brain acetylcholinesterase activity. On the other hand, acute administration did not alter this enzyme activity. Finally, we demonstrated that chronic hypermethioninemia increased chemiluminescence, protein carbonyl content and GSH-Px activity, and decreased TRAP and CAT activity in liver of rats. In contrast, TBARS, TAR, total thiol content and SOD activity were not affected by methionine administration in liver of rats. Altogether, our findings may be helpful in the understanding of the neurological and hepatic alterations observed in hypermethioninemic patients.

A deficiência de sulfito oxidase é uma doença autossômica recessiva que afeta o metabolismo da metionina e cisteína. Os indivíduos afetados comumente apresentam, no período neonatal, convulsões refratárias, retardo mental e desordens do movimento cuja fisiopatologia é desconhecida. Os distúrbios no desenvolvimento e o dano cerebral podem ocorrer como resultado do acúmulo tecidual de sulfito no cérebro. Os objetivos deste estudo foram verificar os efeitos in vitro e in vivo do sulfito sobre alguns parâmetros de estresse oxidativo (avaliação de lipoperoxidação e capacidade antioxidante tecidual) e sobre a atividade da Na+, K+-ATPase em córtex cerebral, estriado e hipocampo de ratos. Primeiramente, verificamos o efeito in vitro do sulfito sobre o estresse oxidativo e a Na+, K+-ATPase em cérebro de ratos de 10 e 60 dias. Posteriormente, nos estudos in vivo, investigamos o efeito da administração intracerebroventricular de sulfito sobre os parâmetros estudados in vitro. Os estudos in vitro demonstraram uma ação direta do sulfito (500μM) na indução de estresse oxidativo verificada pela redução na atividade da catalase e aumento da peroxidação lipídica, enquanto que nos estudos in vivo o sulfito não alterou a atividade das enzimas antioxidantes, TRAP ou TBARS. Tanto nos estudos in vitro como in vivo, o sulfito mostrou-se incapaz de alterar a atividade da Na+,K+-ATPase. Nossos resultados, em conjunto, não excluem o potencial efeito neurotóxico do sulfito na fisiopatologia da doença. O conhecimento dos níveis deste composto no cérebro pode evidenciar além da condição de estresse oxidativo, o comprometimento de outras vias metabólicas importantes no funcionamento cerebral e podem apontar estratégias terapêuticas na prevenção dos efeitos neurológicos da deficiência de sulfito oxidase. / The sulfite oxidase deficiency is a rare autosomal recessive disorder affecting the metabolism of methionine and cysteine. Affected individuals commonly present in the neonatal period intractable seizures, mental retardation and movement disorder which the physiopathology is unknown. The disturbed development and damage to the brain might occur as a result of tissue accumulation of sulfite in the cerebro. The objectives of this study was to investigate the in vitro and in vivo effects of sulfite on some parameters of oxidative stress (lipoperoxidation and antioxidant capacity) and on Na+, K+-ATPase activity in cerebral cortex, striatum and hippocampus from rats. Firstly, we verified the in vitro effects of sulfite on oxidative stress and Na+, K+- ATPase in brains from 10 and 60 days old rats. In the subsequent events, in the in vitro studies, we investigated the effect of intracerebroventricular injection of sulfite on the same parameters studied in vitro. The in vitro studies showed a direct action of sulfite (500 μM) in the induction of oxidative stress through the decrease of catalase activity and increase of peroxidation lipid, while the in vivo studies didn’t alter the antioxidants enzyme activity, TRAP or TBARS. Both in vitro and in vivo studies, showed that sulfite was incapable to disturb the Na+,K+-ATPase activity. Our results, together, don’t exclude the potencial neurotoxic effect of sulfite in the physiopathology of disease. The kwonledge of levels from this compound in the brain can show over there the oxidative stress, the compromise of others metabolic patways important to the brain function and can to lead to strategies therapeutics in the prevention of neurologic effects on sulfite oxidase deficiency.

Considerando que a deficiência hormonal causada pela ovariectomia promove alterações nas atividades das enzimas Na+,K+-ATPase, acetilcolinesterase (AChE) e ectonucleotidases e pode prejudicar a memória em ratas, no presente trabalho nós investigamos a influência do exercício físico sobre a ativação da Na+,K+-ATPase e acetilcolinesterase em hipocampo e córtex cerebral causada pela ovariectomia em ratas adultas, bem como sobre a hidrólise de nucleotídeos de adenosina no córtex cerebral e no soro. Também investigamos o efeito do exercício sobre a memória espacial e aversiva em ratas adultas ovariectomizadas. Ratas Wistar adultas foram divididas em quatro grupos: sham (submetidas à cirurgia sem a remoção dos ovários), exercício, ovariectomizadas (Ovx) e Ovx+exercício. Trinta dias após a cirurgia, os animais foram submetidos a um mês de exercício físico por 20 min, três vezes por semana. Logo após, as ratas foram decapitados, o soro coletado e o hipocampo e córtex cerebral dissecados, ou foram submetidas às tarefas de esquiva inibitória e labirinto aquático de Morris. Os dados demonstraram que o exercício físico reverte a ativação das atividades da Na+,K+-ATPase e AChE em hipocampo e córtex cerebral de ratas ovariectomizadas. A ovariectomia diminuiu a hidrólise de AMP no córtex cerebral e não alterou a hidrólise de nucleotídeos de adenosina sérica. Exercício per se diminuiu a hidrólise de ADP e AMP em córtex cerebral. Resultados também mostraram que ratas ovariectomizadas apresentaram prejuízo na memória aversiva e espacial (memória de referência e de trabalho), quando comparadas ao grupo controle (sham). Confirmando nossa hipótese, o déficit na memória foi revertido pelo exercício físico. Nossos achados mostram que a ovariectomia prejudica significativamente a memória/aprendizado aversiva e espacial e altera as enzimas Na+,K+-ATPase e AChE, e que o exercício físico preveniu tais efeitos. Esses dados sugerem que o exercício físico pode se mostrar uma estratégia importante para minimizar déficits cognitivos encontrados em mulheres pósmenopáusicas. / Hormone deficiency following ovariectomy causes activation of Na+,K+- ATPase and acetylcholinesterase (AChE), that has been related to cognitive deficits in experimental animals, and memory impairment. Considering that physical exercise presents neuroprotector effects, we decide to investigate whether exercise training would affect enzyme activation in hippocampus and cerebral cortex, as well as adenosine nucleotide hydrolysis in synaptosomes from cerebral cortex of ovariectomized rats, and ovariectomy-induced memory deficits in inhibitory avoidance and Morris water maze tasks. Female adult Wistar rats were assigned to one of the following groups: sham (submitted to surgery without removal of the ovaries), exercise, ovariectomized (Ovx) and Ovx plus exercise. Thirty days after surgery, animals were submitted to one month of exercise training for 20 min, three times per week. After, rats were euthanized, blood serum was collected and hippocampus and cerebral cortex were dissected, or rats were tested in inhibitory avoidance and Morris water maze tasks. Data demonstrated that exercise reversed the activation of Na+,K+-ATPase and AChE activities both in hippocampus and cerebral cortex of ovariectomized rats. Ovariectomy decreased AMP hydrolysis in cerebral cortex and did not alter adenosine nucleotides hydrolysis in blood serum. Exercise per se decreased ADP and AMP hydrolysis in cerebral cortex. On the other hand, AMP hydrolysis in blood serum was increased by exercise in ovariectomized adult rats. Results also show that ovariectomized rats presented impairment in aversive memory and spatial navigation, both in reference and working memory protocols, when compared to sham group (control). Confirming our hypothesis, ovariectomized rats submitted to exercise had those impairments prevented. We conclude that ovariectomy significantly impairs aversive and spatial reference learning/memory and related enzymes, and that physical exercise prevents such effects. These findings support that physical exercise might constitute an important strategy to minimize cognitive deficits found in postmenopausal women.

Estudos com resveratrol (RSV) tiveram um crescimento exponencial nos últimos anos, especialmente focando seu efeito benéfico na saúde humana. Recentemente, foram publicados trabalhos mostrando um forte efeito neuroprotetor, não somente reduzindo lesões cerebrais, mas também promovendo a recuperação funcional após a isquemia cerebral. Entretanto, as bases moleculares para a neuroproteção ainda são desconhecidas. Neste trabalho, avaliamos diversos mecanismos que são modulados pelo resveratrol em modelos experimentais de isquemia cerebral. Inicialmente, demonstramos que o tratamento com RSV, administrado durante 7 dias antes da indução da lesão isquêmica, diminuiu a morte neuronal em hipocampo e córtex cerebral de ratos submetidos a isquemia cerebral global. Em paralelo, reduziu a geração de espécies reativas de oxigênio e nitrogênio. Este efeito foi associado com o aumento de antioxidantes endógenos, além da prevenção do aumento da peroxidação lipídica e da diminuição da atividade da Na+K+-ATPase induzidos pela isquemia cerebral global. Tendo em vista que o insulto isquêmico aumentou rapidamente os níveis de espécies reativas de oxigênio, investigamos o efeito do resveratrol sobre o perfil lipídico, e demonstramos que ele foi capaz de prevenir a diminuição de gangliosídeos, fosfolipídios e colesterol observada em hipocampo e córtex de ratos isquêmicos. A análise de vias de sinalização possivelmente envolvidas, mostrou que o efeito neuroprotetor do resveratrol envolve a modulação da via de sobrevivência PI3- K/Akt através da ativação de seus substratos GSK-3β e CREB. Adicionalmente, vias que controlam a neuroinflamação foram moduladas por resveratrol, o qual diminuiu a ativação glial, reduziu a fosforilação da JNK, diminuiu a translocação nuclear de NF- κB, reduzindo sua ativação e seus possíveis substratos iNOS e COX-2. A seguir avaliamos o efeito do resveratrol em promover a angiogênese em células endoteliais cerebrais e demonstramos que ele foi capaz de promover a proliferação, migração e indução da formação de tubo vascular in vitro. Além da função da célula, o RSV mostrou mudar o aspecto morfológico de células endoteliais do cérebro associadas com o rearranjo do citoesqueleto e relocalização de β-catenina e VE-caderina. A avaliação de vias de sinalização associadas com a angiogênese promovida pelo resveratrol, mostrou o envolvimento das vias PI3-K/Akt e MAPK/ERK, que regularam eNOS modulando os níveis de VEGF e metaloproteinases. Considerando que angiogênese e neurogênese são processos acoplados, investigamos o efeito do RSV no aumento de fatores tróficos e na plasticidade neuronal. Demonstramos que o RSV promoveu a recuperação funcional e está intimamente relacionada com o aumento da angiogênese e neurogênese após a isquemia cerebral focal. Em conjunto, nossos resultados abrem a perspectiva para o desenvolvimento de uma nova estratégia terapêutica para o tratamento da isquemia cerebral. / Recent studies with resveratrol (RSV) have been growing exponentially throughout the years, especially focusing on its beneficial effect on human health. Recently published studies, showing strong neuroprotective effects of RSV, not only reduce brain damage, but also promotes functional recovery after stroke. However, the molecular basis for neuroprotection is still unknown. In this study, we evaluated various mechanisms that are modulated by RSV in experimental models of cerebral ischemia. Initially, we demonstrated that by administering RSV, for 7 days prior to global cerebral ischemia, decreased neuronal cell death in the cerebral cortex and hippocampus of rats as well as reducing the generation of oxygen and nitrogen reactive species. The observed neuroprotection was associated with increased endogenous antioxidants, a decrease of Na+ K+ ATPase, and the prevention of lipid peroxidation. With an ischemic insult, levels of ROS rapidly increase which may lead to a decrease in lipids. However, we investigated the effects of RSV on lipid profiles and it showed that it was able to prevent a decrease in the amount of gangliosides, phospholipids, and cholesterol observed in the hippocampus and cortex of ischemic rats. There are several possible signaling pathways of RSV. Analysis of these pathways reveals that the neuroprotective effects of RSV involve the modulation of PI3-K/Akt survival pathway by activating its substrates GSK-3β and CREB. Furthermore, RSV modulates pathways involved in neuroinflammation, decreasing glial activation, phosphorylation of JNK, nuclear translocation and activation of NF- κB and its possible substrates of iNOS and COX-2. Additionally, we also investigated the effects of RSV on angiogenesis in brain endothelial cells. Results showed that RSV was able to promote proliferation, migration and vascular tube formation in vitro. Signaling pathways associated with angiogenesis by RSV, involves PI3-K/Akt and MAPK/ERK pathways which both regulate eNOS in the modulation of VEGF and metalloproteinase levels. Furthermore, RSV showed that the morphological change of brain endothelial cells was associated with cytoskeletal rearrangement and relocation of β-catenin and VE-cadherin. Considering that angiogenesis and neurogenesis are coupled processes, we investigated the effects of RSV on the increase of trophic factors and neuronal plasticity. We demonstrate that RSV increased functional recovery as well as intimately related to the increase of angiogenesis and neurogenesis after focal cerebral ischemia. Therefore, our results open the perspective for the development of a new therapeutics for the treatment of stroke.