published_or_final_version / Biological Sciences / Doctoral / Doctor of Philosophy

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Thesis (Ph.D.)--George Mason University, 2008. / Vita: p. 221. Thesis director: Ancha Baranova. Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Biosciences. Title from PDF t.p. (viewed Aug. 28, 2008). Includes bibliographical references (p. 168-220). Also issued in print.

Thesis (M. Sc.)(Genetics)--University of Pretoria, 2003. / Summaries in Afrikaans and English. Includes bibliographical references.

The embryonic source and chemical nature of those factor/s directing the in vivo differentiation of melanocytes from crest cells are as yet unknown. To begin to address this issue, it is important to establish exactly when and where these signa/s first exert their effects. Therefore, in the present study, overtly differentiated melanocytes containing melanin were quantitated in developing Black Australorp X New Hampshire Red chick embryos. In contrast to previous studies, it was found that embryos synthesize melanin from as early as Day 5 of development, and that at this stage, the melanocytes are predominantly dermally located. Between 5 and 8 days, the numbers of both dermal and epidermal melanocytes increase, after which the dermal melanocyte population declines rapidly while the number of epidermal melanocytes continues to increase. These findings suggest that premelanocytes do not have to be epidermally located to initiate terminal differentiation and implicate the dermis as a possible source of melanocyte inducing factor/s. The next step was to examine stages of development prior to the onset of pigment production. For this reason, tyrosinase was purified for use as antigen in the production of a polyclonal antibody. The antibody was tested for specificity by western blotting, - immunocytochemistry and immunoinhibition procedures. Lack of specificity was demonstrated, rendering it unsuitable as an antibody marker for early melanocytes. Fowl melanocytes are thought to differentiate into either eumelanosome- or pheomelanosome synthesizing cells. To test the validity of this concept, embryonic skin of the red/black cross breed were screened for possible mixed type melanocytes by electron microscopy. The melanocytes contained melanosomes with a matrix of irregularly arranged filaments amongst typical eumelanogenic melanosomes. This suggests that these chick melanocytes may synthesize both eumelanosomes and pheomelanosomes in single cells. In a further study on pure breeding New Hampshire Reds, it was found that the melanocytes contained a mixture of typical and less typical pheomelanosomes. Outer membrane indentations in the latter melanosome type suggest that tyrosinase may enter these pheomelanosomes by a mechanism related to that proposed for the melanosomes of goldfish.

A luz solar apresenta ondas eletromagnéticas em ampla faixa espectral, incluindo as regiões do ultravioleta (UV-C, UV-B, UV-A), visível e infravermelho. Cada região interage com a pele de forma dependente da fotofísica e da fotoquímica dos seus respectivos compostos absorvedores. A luz UV-A causa a geração de espécies reativas de oxigênio e de nitrogênio (EROs e ERNs) através da fotossensibilização de moléculas endógenas (co-enzimas de flavina, porfirinas, melaninas). Quando fotossensibilizadores produzem quantidades de EROs e ERNs maiores do que a capacidade celular de supressão destas espécies, caracteriza-se um quadro de desbalanço redox, que causa lesão em biomoléculas como os ácidos nucleicos, lipídeos e as proteínas. Essas lesões podem levar à morte celular ou a outras transformações fenotípicas e genotípicas e também estimulam a liberação de citocinas pró-inflamatórias. Com a finalidade de melhor compreender a dinâmica dos mecanismos de resposta celular após exposição ao UV-A e ao visível, nós caracterizamos inicialmente as propriedades fotofísicas da melanina e detectamos a produção de oxigênio singlete (1O2) pela fotossensibilização no visível e a supressão desta espécie excitada pela reação do oxigênio singlete com a dupla ligação reativa dos grupos indóis presentes na melanina. Estes processos também foram observados no cabelo e levaram-nos a propor um modelo que explica o efeito da luz visível na estrutura e cor dos cabelos. Demonstramos também que a feomelanina produz mais (30%) 1O2 do que a eumelanina, que sofre maior modificação na sua estrutura por fotodegradação. O efeito destes processos na pele foi estudado a nível celular. Demonstramos que células epiteliais com maior teor de melanina apresentaram maior geração de 1O2 que causa lesão no DNA e morte necro-apoptótica após irradiação com luz visível. A foto-oxidação da melanina pela luz visível nos motivou a estudar um pigmento que fosse foto-protetor não somente contra luz UV-B mas também contra luz visível. A pigmentação com Acetil-Tirosina se mostrou atóxica e protetora contra luz UV-B e visível ao contrário do pigmento com tirosina, que se mostrou protetor do UV-B mas tóxico no visível. Este efeito foi relacionado com a localização celular do polímero e não com a estrutura do mesmo. A luz UV-A, por sua vez, promove o acúmulo de lipofuscina dentro dos vacúolos autofágicos de queratinócitos da pele e que também ativa a fototoxicidade pela luz visível. A lipofuscina dentro dos vacúolos autofágicos é foto-oxidada pela luz visível, causando lesão no DNA e morte celular programada tipo II. Doses UV-A que desencadeiam a liberação de citocinas também foram caracterizados. / Sunlight presents electromagnetic radiation over a wide spectral range, including the regions of ultraviolet (UV-C, UV-B, UV-A), visible and infrared. Each region interacts with skin dependending on the photophysics and photochemistry of the respective absorbing compounds. UV-A light causes the generation of reactive oxygen and nitrogen species (ROS and RNS) by photosensitization of endogenous molecules (flavin coenzymes, porphyrins, melanins). When photosensitizers produce amounts of ROS and RNS larger than the cell capacity to suppress these species, a set of redox imbalance, which damages biomolecules such as nucleic acids, lipids and proteins. This damage cause cell death and to other phenotypic and genotypic changes and also stimulates the release of proinflammatory cytokines. In order to better understand the dynamics of the mechanisms of cellular responses after exposure to UV-A and visible light, we initially characterized the photophysical properties of melanin and detected the production of singlet oxygen (1O2) by photosensitization in the visible, as well as the suppression of these excited species by reaction of singlet oxygen with the double bonds of the reactive groups presented in the melanin indols. These processes were also observed in hair and led us to propose a model that explains the effects of visible light on the structure and color of hair. We also demonstrated that pheomelanin produces more (30%) 1O2 than eumelanin, which undergoes a quick change on its structure by photodegradation. The effect of these processes in the skin was studied at the cellular level. We demonstrated that epithelial cells with larger melanin content have stronger generation of 1O2, which causes DNA damage and necro-apoptotic death after irradiation with visible light. The photo-oxidation of melanin by visible light has motivated us to study a pigment that was not only able to protect against UV-B but also against visible. Pigmentation with Acetyl-Tyrosine proved nontoxic and protective against UV-B and visible light instead of pigmentation with Tyrosine, which shielded against UV-B but showed toxicity in the visible. This effect was associated with the polymer, cell location and not with its structure. UV-A light, in turn, promotes the accumulation of lipofuscin, within autophagic vacuoles of keratinocytes also enabling phototoxicity in the visible light. The lipofuscin within the autophagic vacuoles is fotooxidized by visible light, causing DNA damage and programmed cell death type II. Linear dose of UV-A that trigger the release of cytokines were also characterized.

A parte ventral da área pré-óptica medial (MPOA) apresenta o RNAm do prépró-hormônio concentrador de melanina (ppMCH) e o MCH apenas durante a lactação, especialmente entre os dias 19º e 21º. Fibras imunorreativas ao MCH (MCH-ir) e ocitocinérgicas (OT-ir) de origem desconhecida transitam na lâmina interna da eminência mediana (MEi) e na hipófise posterior (PPit). Utilizamos ratas lactantes da linhagem Long-Evans para identificar a origem dessas fibras, caracterizar sua relação na MEi e PPit e quantificar o ppMCH e OT na PPit. A imuno-histoquímica mostrou que não há colocalização entre as fibras MCH-ir e OT-i e há uma proximidade entre suas fibras na MEi e PPit. A dupla hibridização in situ e imuno-histoquímica mostrou que os neurônios retrogradamente marcados com FG após injeção intravascular expressam o RNAm do ppMCH na MPOA e no núcleo paraventricular do hipotálamo. O Western Blotting mostrou uma maior presença do ppMCH na PPit no 19º dia de lactação. Os dados sugerem que o MCH atua no controle neuroendócrino para o término do período de lactação. / The ventral part of the medial preoptic area (MPOA) has been described as the novel harbor of the expression of prepro-melanin-concentrating hormone (ppMCH) mRNA and MCH peptide, only during the end of lactation, especially between the 19th and 21st days. MCH-ir and OT-ir fibers are described as passing in the internal layer of the median eminence (MEi). However, the origin of MCH-ir fibers and its possible relationship with the OT-ir fibers are not known. Long-Evans rats were used to identify the origin of these fibers and characterize their relationship into MEi and PPit and quantify ppMCH and OT in PPit. Immunohistochemistry showed no colocalization between MCH-ir and OT-ir fibers, but a closeness between these fibers into MEi and PPit. Using a combination of in situ hybridization and immunohistochemistry we have showed that neurons retrogradely labeled with FG after intravascular injection express the ppMCH mRNA into MPOA and paraventricular nucleus of the hypothalamus. The Western blotting showed an increase of ppMCH in the PPit parallel with a decrease of OT-ir on the 19th day of lactation. The data suggest that MCH acts on the neuroendocrine control towards the end of the lactation period.

A parte ventral da área pré-óptica medial (MPOA) apresenta o RNAm do prépró-hormônio concentrador de melanina (ppMCH) e o MCH apenas durante a lactação, especialmente entre os dias 19º e 21º. Fibras imunorreativas ao MCH (MCH-ir) e ocitocinérgicas (OT-ir) de origem desconhecida transitam na lâmina interna da eminência mediana (MEi) e na hipófise posterior (PPit). Utilizamos ratas lactantes da linhagem Long-Evans para identificar a origem dessas fibras, caracterizar sua relação na MEi e PPit e quantificar o ppMCH e OT na PPit. A imuno-histoquímica mostrou que não há colocalização entre as fibras MCH-ir e OT-i e há uma proximidade entre suas fibras na MEi e PPit. A dupla hibridização in situ e imuno-histoquímica mostrou que os neurônios retrogradamente marcados com FG após injeção intravascular expressam o RNAm do ppMCH na MPOA e no núcleo paraventricular do hipotálamo. O Western Blotting mostrou uma maior presença do ppMCH na PPit no 19º dia de lactação. Os dados sugerem que o MCH atua no controle neuroendócrino para o término do período de lactação. / The ventral part of the medial preoptic area (MPOA) has been described as the novel harbor of the expression of prepro-melanin-concentrating hormone (ppMCH) mRNA and MCH peptide, only during the end of lactation, especially between the 19th and 21st days. MCH-ir and OT-ir fibers are described as passing in the internal layer of the median eminence (MEi). However, the origin of MCH-ir fibers and its possible relationship with the OT-ir fibers are not known. Long-Evans rats were used to identify the origin of these fibers and characterize their relationship into MEi and PPit and quantify ppMCH and OT in PPit. Immunohistochemistry showed no colocalization between MCH-ir and OT-ir fibers, but a closeness between these fibers into MEi and PPit. Using a combination of in situ hybridization and immunohistochemistry we have showed that neurons retrogradely labeled with FG after intravascular injection express the ppMCH mRNA into MPOA and paraventricular nucleus of the hypothalamus. The Western blotting showed an increase of ppMCH in the PPit parallel with a decrease of OT-ir on the 19th day of lactation. The data suggest that MCH acts on the neuroendocrine control towards the end of the lactation period.

A luz solar apresenta ondas eletromagnéticas em ampla faixa espectral, incluindo as regiões do ultravioleta (UV-C, UV-B, UV-A), visível e infravermelho. Cada região interage com a pele de forma dependente da fotofísica e da fotoquímica dos seus respectivos compostos absorvedores. A luz UV-A causa a geração de espécies reativas de oxigênio e de nitrogênio (EROs e ERNs) através da fotossensibilização de moléculas endógenas (co-enzimas de flavina, porfirinas, melaninas). Quando fotossensibilizadores produzem quantidades de EROs e ERNs maiores do que a capacidade celular de supressão destas espécies, caracteriza-se um quadro de desbalanço redox, que causa lesão em biomoléculas como os ácidos nucleicos, lipídeos e as proteínas. Essas lesões podem levar à morte celular ou a outras transformações fenotípicas e genotípicas e também estimulam a liberação de citocinas pró-inflamatórias. Com a finalidade de melhor compreender a dinâmica dos mecanismos de resposta celular após exposição ao UV-A e ao visível, nós caracterizamos inicialmente as propriedades fotofísicas da melanina e detectamos a produção de oxigênio singlete (1O2) pela fotossensibilização no visível e a supressão desta espécie excitada pela reação do oxigênio singlete com a dupla ligação reativa dos grupos indóis presentes na melanina. Estes processos também foram observados no cabelo e levaram-nos a propor um modelo que explica o efeito da luz visível na estrutura e cor dos cabelos. Demonstramos também que a feomelanina produz mais (30%) 1O2 do que a eumelanina, que sofre maior modificação na sua estrutura por fotodegradação. O efeito destes processos na pele foi estudado a nível celular. Demonstramos que células epiteliais com maior teor de melanina apresentaram maior geração de 1O2 que causa lesão no DNA e morte necro-apoptótica após irradiação com luz visível. A foto-oxidação da melanina pela luz visível nos motivou a estudar um pigmento que fosse foto-protetor não somente contra luz UV-B mas também contra luz visível. A pigmentação com Acetil-Tirosina se mostrou atóxica e protetora contra luz UV-B e visível ao contrário do pigmento com tirosina, que se mostrou protetor do UV-B mas tóxico no visível. Este efeito foi relacionado com a localização celular do polímero e não com a estrutura do mesmo. A luz UV-A, por sua vez, promove o acúmulo de lipofuscina dentro dos vacúolos autofágicos de queratinócitos da pele e que também ativa a fototoxicidade pela luz visível. A lipofuscina dentro dos vacúolos autofágicos é foto-oxidada pela luz visível, causando lesão no DNA e morte celular programada tipo II. Doses UV-A que desencadeiam a liberação de citocinas também foram caracterizados. / Sunlight presents electromagnetic radiation over a wide spectral range, including the regions of ultraviolet (UV-C, UV-B, UV-A), visible and infrared. Each region interacts with skin dependending on the photophysics and photochemistry of the respective absorbing compounds. UV-A light causes the generation of reactive oxygen and nitrogen species (ROS and RNS) by photosensitization of endogenous molecules (flavin coenzymes, porphyrins, melanins). When photosensitizers produce amounts of ROS and RNS larger than the cell capacity to suppress these species, a set of redox imbalance, which damages biomolecules such as nucleic acids, lipids and proteins. This damage cause cell death and to other phenotypic and genotypic changes and also stimulates the release of proinflammatory cytokines. In order to better understand the dynamics of the mechanisms of cellular responses after exposure to UV-A and visible light, we initially characterized the photophysical properties of melanin and detected the production of singlet oxygen (1O2) by photosensitization in the visible, as well as the suppression of these excited species by reaction of singlet oxygen with the double bonds of the reactive groups presented in the melanin indols. These processes were also observed in hair and led us to propose a model that explains the effects of visible light on the structure and color of hair. We also demonstrated that pheomelanin produces more (30%) 1O2 than eumelanin, which undergoes a quick change on its structure by photodegradation. The effect of these processes in the skin was studied at the cellular level. We demonstrated that epithelial cells with larger melanin content have stronger generation of 1O2, which causes DNA damage and necro-apoptotic death after irradiation with visible light. The photo-oxidation of melanin by visible light has motivated us to study a pigment that was not only able to protect against UV-B but also against visible. Pigmentation with Acetyl-Tyrosine proved nontoxic and protective against UV-B and visible light instead of pigmentation with Tyrosine, which shielded against UV-B but showed toxicity in the visible. This effect was associated with the polymer, cell location and not with its structure. UV-A light, in turn, promotes the accumulation of lipofuscin, within autophagic vacuoles of keratinocytes also enabling phototoxicity in the visible light. The lipofuscin within the autophagic vacuoles is fotooxidized by visible light, causing DNA damage and programmed cell death type II. Linear dose of UV-A that trigger the release of cytokines were also characterized.

Please read the abstract in Chapter 6: Summary, of this document / Dissertation (MSc (Genetics))--University of Pretoria, 2005. / Genetics / unrestricted