Lesão do DNA mitocondrial (mtDNA) promove disfunção desta organela, contribuindo para a gênese do envelhecimento e fisiopatologia de doenças como aterosclerose e diabetes. A mitocôndria é a principal fonte quantitativa de espécies reativas de oxigênio (ROS) em células, e o complexo NAD(P)H oxidase a principal fonte de ROS envolvidas na sinalização celular. A possível inter-relação entre estas duas importantes vias produtoras de ROS não está definida. O objetivo deste estudo foi investigar o perfil de alterações na expressão e atividade da NAD(P)H oxidase de células musculares lisas vasculares (VSMC) em resposta a perturbações mínimas da função mitocondrial análogas às esperadas em doenças crônico-degenerativas vasculares. Inicialmente, validamos modelo in vitro de disfunção mitocondrial induzida por incubação de VSMC com brometo de etídio (24 - 72 h). Lesões mínimas do mtDNA foram documentadas por alterações nos produtos de amplificação (PCR) da região repetitiva da D-loop e redução da taxa de consumo de oxigênio total em ~15% vs. basal (p<0,05). Este grau de lesão não foi suficiente para induzir alterações morfológicas evidentes ou apoptose, e foi associado ao retardo de 25 - 30% no aumento de população celular induzido por soro fetal bovino. Nestas condições, não se detectou aumento da produção basal de superóxido ou mudanças nos níveis de glutationa, óxidos de nitrogênio, ou da atividade superóxido dismutase. A produção basal de peróxido de hidrogênio aumentou ~15%. Após disfunção mitocondrial, houve significativo aumento (30 - 45%) na atividade basal do complexo NAD(P)H oxidase em fração de membrana de VSMC. Entretanto, a ativação da oxidase pela AII, conhecido agonista da oxidase vascular, foi essencialmente abolida, indicando dependência funcional da ativação da oxidase com a integridade da mitocôndria. Em sintonia com esses dados, na condição basal, ocorreu aumento de expressão da isoforma Nox4 da oxidase, enquanto o aumento do mRNA da Nox1 normalmente visto após AII foi minimizado. Por outro lado, o aumento da atividade da NADPH oxidase causado pelo estressor do RE tunicamicina (indutor de Nox4) foi também abolido pela disfunção mitocondrial, entretanto, ocorreu aumento do mRNA da Nox4, indicando que as alterações funcionais da oxidase nesta situação não decorrem apenas de mudanças da expressão. Dissociação semelhante entre expressão e atividade ocorreu após exposição de 72 horas ao EtBr (i.e., durante adaptação). Nesta, ocorreu maior expressão do mRNA de Nox1 e Nox4 com AII, sem aumento da atividade da oxidase em membranas. Incubação do EtBr por 24 horas não induziu per se aumento consistente nos índices de estresse do RE e induziu inversão do padrão do tráfego subcelular da dissulfeto isomerase protéica (PDI), uma chaperona redox descrita recentemente como reguladora da NADPH oxidase. Após 72 horas de incubação com EtBr, a expressão de chaperonas marcadoras de estresse do RE foi bastante diminuída e o tráfego da PDI teve o padrão restaurado. Demonstramos por microscopia confocal evidências preliminares de possível co-localização entre Nox1 e mitocôndria. Estes dados sugerem uma relevante inter-relação funcional entre mitocôndria e complexo NAD(P)H oxidase, associada pelo menos a alterações de expressão e/ou tráfego subcelular de subunidades catalíticas e reguladoras desse complexo. / Mitochondrial DNA (mtDNA) damage induces dysfunction of this organelle, contributing to the genesis of aging and to the pathophysiology of diseases such as atherosclerosis and diabetes. Mitochondria are the main quantitative source of reactive oxygen species (ROS) in cells, while NAD(P)H oxidase complex is a major source of cell signaling-associated ROS. The possible crosstalk between these two relevant sources of ROS is unclear. The aim of this study was to investigate changes in activity and/or expression of vascular smooth muscle cell (VSMC) NAD(P)H oxidase in response to minor perturbations of mitochondrial function similar to those expected to occur in chronic degenerative vascular diseases. Initially, we validated an in vitro model of mitochondrial dysfunction in VSMC, through incubation with ethidium bromide (24 - 72 h). Minimal mtDNA damage after EtBr was shown by distinct amplification patterns (at PCR) of D-loop repetitive region and by ~ 15% oxygen consumption decrease vs. basal (p<0.05). Such mtDNA damage was not sufficient to induce morphologic changes or apoptosis, whereas serum-stimulated increase in cell number was prevented by 25-30%. Under those conditions, baseline superoxide production, as well as levels of glutathione or nitrogen oxides or superoxide dismutase activity were unchanged. Baseline hydrogen peroxide production increased ~15%. VSMC membrane fraction NADPH oxidase activity was increased by 30-45% after mitochondrial dysfunction. However, oxidase activation due to AII (100 nM, 4h) was markedly abrogated, indicating that A-II-driven oxidase activation requires integrity of mitochondrial function. Accordingly, there were increases in baseline mRNA expression of Nox4 oxidase isoform, while the expected increase in Nox1 by AII was minimized. On the other hand, the NADPH oxidase activity induced by the endoplasmic reticulum stressor tunicamycin (Nox4 inducer) after mitochondrial dysfunction was abrogated, however simultaneously with increased Nox4 mRNA, thus indicating that the observed functional alterations in the oxidase complex in these conditions cannot be associated only to mRNA expression changes. After VSMC EtBr incubation for 72 h, similar dissociation between expression and activity was observed, with increase in Nox 1 and Nox4 mRNA by AII, without parallel increase in membrane fraction oxidase activity. Although there was little change in ER stress markers after 24h EtBr, protein disulfide isomerase (PDI), a redox chaperone recently described by us as a novel NAD(P)H oxidase regulator, exhibited a reversal of its subcellular traffic pattern. After 72 h EtBr, the expression of ER markers was strongly decreased and normal PDI traffic was restored. Confocal microscopy suggested possible co-localization between Nox1 and mitochondria. These results suggest a functionally relevant crosstalk between mitochondria and NADPH oxidase complex associated at least to changes in expression and/or subcellular traffic of catalytic or regulatory subunits of this complex.

INTRODUÇÃO: A ativação da NADPH oxidase de neutrófilos requer o acoplamento das subunidades citosólicas p47phox, p67phox, p40phox e Rac2 ao componente de membrana citocromo b558. Em trabalhos anteriores, nós mostramos que as isoformas vasculares da oxidase são reguladas pela proteína dissulfeto isomerase (PDI), uma chaperona redox. Neste trabalho, nós utilizamos um sistema cellfree semirecombinante como ferramenta para investigar o papel da PDI na ativação da NADPH oxidase do neutrófilo. RESULTADOS: Inibidores da PDI, scrambled RNAse (100g/mL) ou bacitracina (1mM), praticamente suprimiram a geração de superóxido. Para avaliação dos efeitos do estado redox da PDI sobre a atividade da oxidase, amostras de PDI foram previamente oxidadas (H2O2; 0,5 mM) ou reduzidas (DTT; 0,5 mM). A PDI oxidada (100 nM) aumentou a produção de superóxido em aproximadamente 30%, enquanto a mesma concentração de PDI reduzida promoveu efeito inverso, inibindo a atividade do complexo. A adição de um peptídeo contendo a seqüência peptídica do sítio ativo da PDI inibiu a produção de superóxido em 70%. Dados de imunolocalização e colocalização demonstraram que a interação da PDI com a subunidade p47phox parece ser intensificada pelo estímulo com PMA e envolvem modificações do estado redox de ambas as proteínas. CONCLUSÕES: Nossos dados confirmam a associação física e funcional entre a PDI e o complexo NADPH oxidase. Além disso, sugerem que a PDI exerça um importante papel como fator de regulação redox da ativação da oxidase. / Activation of the leukocyte NADPH oxidase requires the assembly of the cytosolic subunits p47phox, p67phox and p40phox and Rac2 with the membranebound cytochrome b558. We have previously shown that the vascular oxidase is regulated by the redox chaperone protein disulfide isomerase (PDI). Taking advantage of the semirecombinant cellfree system, we sought to investigate the role of PDI in the activation of neutrophil NADPH oxidase. The PDI thiol inhibitors scrambled RNase (100g/mL) or bacitracin (1mM), almost suppressed superoxide generation. In order to investigate if the redox status of PDI thiols could modulate superoxide generation, PDI was oxidized or reduced by treatment with H2O2 (0.5mM) or DTT (1mM), respectively. Oxidized PDI increased by 30% superoxide production, while reduced PDI diminished superoxide generation also in 30%. The addition of a peptide (1M) containing PDI´s exact active site sequence inhibited superoxide production by 70 %. Immuno and colocalization data demonstrated the interaction of PDI with the subunit p47phox to be intensified by PMA stimulation and to involve redox status exchange of both proteins. Our data confirm the physical and functional association between PDI and the oxidase complex. Moreover, we show a relevant role for PDI as a redoxdependent supportive factor for NADPH oxidase activation.

Foi estudado o efeito da lactona sesquiterpênica licnofolido sobre o \"burst\" respiratório de leucócitos polimorfonucleares inflamatórios (PMN) estimulados por forbol (PMA), pelo peptídeo quimiotático fMLP ou zimozan opsonizado (OZ). O licnofolido inibiu de forma dose-dependente a liberação de O2&#8226;- pelos PMN, sem alteração do período \"Iag\" do complexo NADPH. oxidase. O efeito foi mais acentuado quando os PMN foram estimulados diretamente pela via de proteína quinase C. A adição de ditiotreitol ou glutationa reduzida (GSH) às suspensões celulares antes da incubação com licnofolido preveniu parcialmente o efeito inibitório. O tratamento dos PMN com a lactona determinou uma queda drástica dos níveis celulares de GSH livre, sem incremento de glutationa oxidada (GSSG). A reação direta entre GSH e licnofolido foi confirmada com a detecção de um aduto glutationil-licnofolido através de identificação por espectrometria de massa (ESI-MS/MS). A S-tiolação protéica induzida pelo PMA foi reduzida em PMN tratados com Iicnofo/ido, como detectado através de determinação de incorporação de [35S], sendo que 80% desses tióis foram identificados como GSH. Uma série de proteínas S-glutationadas foi detectada através de autoradiografias, sendo que aquelas correspondentes a 38 e 24 kDa tiveram essa modificação póstraducional suprimida pelo tratamento com dose de licnofolido capaz de suprimir o \"burst\" respiratório dos PMN. Estes resultados indicam que a depleção celular de GSH causada pelo licnofolido impede a sustentação do \"burst\" respiratório pelos PMN, em correlação direta com a diminuição de S-glutationação protéica. / An investigation was made into the action of the sesquiterpene lactone lychnopholide on the respiratory burst of inflammatory polymorphonuclear leukocytes. Lychnopholide determined concentration-related inhibition of the generation of phorbol 12-myristate 13-acetate-, chemotatic peptide-, and opsonized zymozan-induced superoxide anion with no effect on the lag time of the assembly of the NADPH oxidase complex, such action was greater on the protein kinase C pathway that on both membrane receptor dependent stimuli via. Subsequent additions of D-glucose, Ca2+, Mg2+, dithiothreitol ar reduced glutathione (GSH) did not reverse the inhibitory action. The addition of both thiols prior to the lychnopholide treatment partially hindered the inhibition rate. The endogenous level of GSH in leukocytes was drastically depleted under the lychnopholide treatment, without corresponding increases occurring in the oxidized form (GSSG). A direct reaction between glutathione and lychnopholide was confirmed from a glutathionyl-lychnopholide adduct detected by electrospray mass spectrometry analysis and identified by tandem mass analysis in cellular extracts. Protein S-thiolation induced by PMA stimulation was decreased in lactone-treated PMN as detected by [35S] scintillation count, which indicated that about 80% of the thiols were glutathione. A subset of S-glutathionylated proteins was identified through gel electrophoresis, which revealed that the modification of the phorbol-triggered protein sulfhydryl in the protein bands corresponding to 38 and 24 kDa was precluded by the lychnopholide treatment correlated with respiratory burst inhibition. These results show that GSH depletion determined by lychnopholide treatment renders PMN to sustain respiratory burst, whose action is proportional to protein S-glutahionylation decrease.

O estresse oxidativo e a enzima NADPH oxidase-2 (NOX2) estão associados com a diminuição da massa funcional de células-&#946; em pacientes com diabetes do tipo 2 (DT2). Neste estudo, testamos o papel da NOX2 sobre a glicotoxicidade em células-&#946;. Ilhotas de camundongo C57BL/6J nocautes ou não para NOX2 (NOX2-KO e WT, respectivamente) foram isoladas e cultivadas por até 3 semanas em 10 ou 30 mmol/l de glucose (G10 e G30, respectivamente). A secreção de insulina foi maior nas ilhotas NOX2-KO vs. WT sem apresentar diferenças metabólicas ou do potencial redox da glutationa citosólica (EGSH). O cultivo de ilhotas em G30 aumenta a concentração de H2O2 e a oxidação de tióis no compartimento citosólico, seguido por aumento de apoptose de células-&#946;, mas, preservando a reposta máxima secretória. Estas respostas foram quase idênticas em ambos os tipos de ilhotas. Em conclusão, a NOX2 regula negativamente a secreção de insulina em ilhotas de camundongos C57BL/6J, mas não é um componente crítico para a sobrevivência de células &#946; em um modelo in vitro de glicotoxicidade. / Oxidative stress and NADPH oxidase-2 (NOX2) enzyme are associated to the decline of the functional &#946;-cell mass in type 2 diabetes (T2D). Here, we tested the role of NOX2 on &#946;-cell glucotoxicity. NOX2 knockout (NOX2 KO) and wild type (WT) C57BL/6J mice islets were isolated and cultured up to 3 weeks at 10 or 30 mmol/l glucose concentrations (G10 and G30, respectively). The insulin secretion was higher in NOX2-KO vs. WT islets despite similar metabolic and cytosolic glutathione-redox potential (EGSH) changes. The prolonged culture at G30 increases the H2O2 concentration and cytosolic thiol oxidation, followed by increased &#946;cell apoptosis but preserving maximal secretory response. These responses were almost identical in both types of islets. In conclusion, NOX2 is a negative regulator of insulin secretion in C57BL/6J mouse islets, but is not a critical component for &#946;-cell survival in a model of glucotoxicity in vitro.

Introdução e Objetivos: A Doença hepática gordurosa não alcóolica (DHGNA) é claramente marcada por influência ambiental, no entanto, fatores genéticos têm sido associados a progressão para formas mais graves de DHGNA. O estresse oxidativo tem sido cada vez mais enfatizado nesta evolução e o sistema NADPH parece ser uma importante fonte de produção de espécies reativas de oxigênio. O papel dos polimorfismos do sistema NADPH nessa população e sua possível relação com progressão de doença e síndrome metabólica são desconhecidos. Desta maneira, investigamos dois polimorfismos de nucleotídeo único (SNPs) na região reguladora dos genes que codificam a NADPH oxidase 4 subunidade catalítica (NOX4) e sua subunidade regulatória p22phox (CYBA) e sua relação com variáveis histológicas e bioquímicas em pacientes com DHGNA. Métodos: 207 pacientes com DHGNA com biópsia hepática (esteatose=27; esteato-hepatite=180), sendo (70% do sexo feminino), foram genotipados para SNPs da Nox4 (rs3017887) e CYBA -675 T/A. O DNA genômico foi extraído a partir de células do sangue periférico e a genotipagem foi realizada utilizando primers específicos e sondas fluorescentes marcadas por sequenciamento. A análise histológica foi baseada na classificação de Kleiner et al (2005). Todos os pacientes eram negativos para os marcadores de hepatites virais, doença de Wilson, hemocromatose, doenças auto-imunes e tinham ingestão diária de álcool < 100 g/semana. Resultados:Associação do CYBA -675 T/A com triglicerídeos foi observada: 176,87 ± 12,93 (TT) versus 228,70 ± 21,66 (XA), p = 0,007 . Quando a população é estratificada, a associação aparece apenas entre os pacientes que possuem esteatohepatite não alcoólica (EHNA). Foi observada uma associação do CYBA-675 T / A com HDL: 48,05 ± 1,71 (TT) vs 41,70 ± 2,91 (TA) vs 28,03 ± 9,47 mg / dL (AA), p = 0,001. Quando a população é estratificada, a associação aparece apenas entre os pacientes que possuem EHNA. Quando se estudou o SNP no gene da NOX4, observou-se associação com ALT (CA + AA: 60,10 ± 6,01 U/L vs CC: 44,23 ± 4,36 U/L; P = 0,02). Porém, quando a população foi estratificada em esteatose e EHNA não se verificou diferença estatisticamente significante na frequência dos genótipos. Não houve associação de SNPs de genes que codificam proteínas do sistema NADPH oxidase nos genes CYBA (não registrado) e Nox4 (rs 3017887) e a presença de EHNA, nos portadores de DHGNA. Quanto aos resultados clínicos, observou-se que os graus de fibrose mais avançados ocorreram em pacientes com diagnóstico de Diabetes Mellitus tipo 2 (66,9% vs 37,5%; p= 0,007), além de serem mais obesos (32,2% vs 29%; p=0,003). Além disso, os níveis séricos de glicose e insulina aumentaram significantemente, de acordo com a presença de EHNA. A frequência da SM foi significativamente maior em pacientes com EHNA. Conclusões: 1) Houve associação entre a presença do genótipo CC na Nox4 SNP com uma maior concentração de ALT na população em geral 2) Houve associação entre a presença do genótipo AA no polimorfismo do gene -675 T/A CYBA com uma maior concentração de TGL e menor de HDL, nos pacientes com EHNA 3) Houve associação entre a presença de síndrome metabólica e graus avançados de fibrose hepática em portadores de DHGNA. No entanto, a amostra deve ser ampliada para confirmar estas associações, bem como, para melhor explorar possíveis relações com escores de fibrose e inflamação / Background/Aims: Oxidative stress has been implicated in progression to severe forms of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). NADPH oxidase appears to be an important source of production of reactive oxygen species. We investigated by the first time two single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the regulatory region of genes encoding the NADPH oxidase 4 (NOX4) and p22phox (CYBA) in NAFLD. Methods: 207 biopsy-proven NAFLD patients (27 = steatosis; 180= NASH) were evaluated. Genomic DNA was extracted from peripheral blood cells and on Nox4 and CYBA polymorphisms were determined by direct sequencing of PCR. All the patients were negative for markers of viral hepatitis, Metabolic diseases, autoimmune diseases and had daily intake of alcohol < 100 g/week. Results: An association of CYBA -675 T / A with triglycerides was observed: 176.87 ± 12.93 (TT) versus 228.70 ± 21.66 (XA), mean ± SEM, p = 0.007. When the population is stratified, the association appears only among patients who have non-alcoholic steatohepatitis (NASH). An association of CYBA-675 T/A with HDL was observed: 48.05 ± 1.71 (TT) vs 41.70 ± 2.91 (TA) vs 28.03 ± 9.47 mg/dL (AA), mean ± SEM, p = 0.001. When the population is stratified, the association appears only among patients who have NASH. When the NOX4 (rs 3017887) gene was studied, there was association with ALT (CA + AA: 60.10 ± 6.01 U / L vs CC: 44.23 ± 4.36 U/L; P = 0, 02). However, when the population was stratified in steatosis and NASH, there was no statistically significant difference in the frequency of genotypes. There was no association of SNPs from genes encoding NADPH oxidase system proteins in the CYBA (unregistered) and Nox4 (rs 3017887) genes and the presence of NASH in the DHGNA carriers. Regarding the clinical results, it was observed that the most advanced degrees of fibrosis occurred in patients diagnosed with Type 2 Diabetes Mellitus (66.9% vs 37.5%, p = 0.007), in addition to being more obese (32.2% % vs 29%, p = 0.003). In addition, serum glucose and insulin levels increased significantly, according to the presence of NASH. The frequency of MS was significantly higher in patients with NASH. Conclusions: 1) There was an association between the presence of the CC genotype in the Nox4 SNP with a higher concentration of ALT in the general population. 2) There was an association between the presence of the AA genotype in the CYBA gene -675 T / A polymorphism with a higher concentration of TGL and lower HDL in patients with NASH. 3) There was an association between the presence of metabolic syndrome and advanced degrees of hepatic fibrosis in patients with NAFLD. However, the sample should be expanded to confirm these associations, as well as to better explore possible relationships with fibrosis and inflammation scores

Em quadros mais avançados da insuficiência cardíaca (IC), além do comprometimento do miocárdio, observa-se uma importante perda de massa muscular esquelética, a qual contribui para o mau prognóstico e orbimortalidade dos pacientes. As espécies reativas de oxigênio (ROS) parecem estar diretamente envolvidas no desenvolvimento e progressão da atrofia muscular em doenças crônico-degenerativas. De fato, já é sabido que a IC está associada ao estresse oxidativo na musculatura esquelética, o qual parece contribuir para o catabolismo proteico culminando em atrofia muscular na síndrome, apesar desta relação de causa e efeito ainda ser pouco investigada. No entanto, as fontes envolvidas na produção exacerbada de ROS na musculatura esquelética em ratos com infarto do miocárdio ainda não foram caracterizadas. Como a NADPH oxidase é um complexo enzimático especializado em produzir ROS, e sabendo que esta família de enzimas pró-oxidantes é ativada for agentes pró-inflamatórios e alguns agonistas de receptores acoplados à proteína G que estão aumentados na IC, na primeira parte do projeto de pesquisa testou-se a hipótese de que as NADPH oxidases estariam hiperativadas nos músculos plantar e sóleo de ratos submetidos ao infarto do miocárdio, contribuindo para um quadro de estresse oxidativo e consequente hiperativação do sistema proteolítico ubiquitina proteassoma (SUP), culminando assim na atrofia deste tecido. Para testar esta hipótese, ratos Wistar foram submetidos à cirurgia de infarto do miocárdio ou Sham e, quatro semanas pós-cirurgias, foram submetidos a oito semanas de tratamento com uma substância inibidora da NADPH oxidase (apocinina) ou placebo. Foram quantificados nos músculos plantar e sóleo: níveis de mRNA de componentes da família Nox da NADPH oxidase presentes no tecido muscular, bem como a atividade desse complexo enzimático; marcadores de estresse oxidativo; atividade de enzimas antioxidantes e concentração total de glutationa; níveis de mRNA de componentes do SUP e atividade do proteassoma; e o trofismo muscular (Subprojeto 1). A segunda parte deste projeto testou a hipótese de que o treinamento físico aeróbico (TFA) previniria a hiperativação das NADPH oxidases na musculatura esquelética de ratos submetidos ao infarto do miocárdio, contribuindo para uma diminuição do quadro de estresse oxidativo e menor ativação do SUP, prevenindo assim a atrofia deste tecido. Para testar esta hipótese, ratos Sham e infartados foram submetidos a oito semanas de TFA ou permaneceram sedentários (Subprojeto 2). As variáveis estudadas foram as mesmas relacionadas ao subprojeto 1. Os resultados do subprojeto 1 demonstraram que o infarto do miocárdio em ratos promove atrofia do músculo plantar desencadeada em parte pela ativação da NADPH oxidase, promovendo uma maior produção de ROS e consequente hiperativação do SUP. Além disso, o infarto do miocárdio promove atrofia do músculo sóleo, a qual também está associada a um aumento dos níveis de ROS e da atividade do proteassoma, porém independente da ativação da NADPH oxidase. Em relação ao subprojeto 2, nossos dados também demonstram que o TFA previne parcialmente a atrofia do músculo plantar de ratos infartados, prevenindo a hiperativação da NADPH oxidase e a hiperativação do SUP induzida pelo infarto do miocárdio. Essa intervenção não farmacológica também previne a atrofia do músculo sóleo dos ratos infartados associada à redução das ROS e à redução da hiperativação do SUP induzida pelo infarto do miocárdio, porém de forma independente da atividade do complexo enzimático NADPH oxidase. Dessa forma, concluímos que a NADPH oxidase está envolvida de maneira músculo-específica com a produção de ROS levando a ativação do SUP e à atrofia muscular associada ao infarto crônico do miocárdio. O TFA é capaz de prevenir a atrofia muscular esquelética induzida pelo infarto do miocárdio associada a redução das ROS em ambos os músculos estudados. No musculo plantar, esta resposta esta relacionada a uma redução na hiperativação do complexo enzimático NADPH oxidase, ressaltando a contribuição desse complexo para a geração de ROS em músculos glicolíticos de ratos infartados. O TFA consiste em importante ferramenta não farmacológica agindo na homeostase redox e proteica no musculo esquelético de ratos infartados / Although heart failure (HF) is a syndrome of cardiac origin, it promotes significant skeletal muscle atrophy in more advanced stages, which contributes to poor prognosis and increased mortality rate. Reactive oxygen species (ROS) seem to be directly involved in the development and progression of muscle atrophy in chronic degenerative diseases. In fact, HF is associated with skeletal muscle oxidative stress, which seems to contribute to protein catabolism and muscle atrophy. However, it is important to highlight that the sources involved in the exacerbated skeletal muscle ROS production in HF have not been characterized yet. NADPH oxidase enzyme complex is an important source of ROS production activated by proinflammatory cytokines and some G-protein-coupled receptors, which are increased in HF. Therefore, in the first part of the thesis, we tested whether NADPH oxidases would be overactivated in plantaris and soleus muscles of rats submitted to myocardial infarction, thus contributing to oxidative stress and consequent ubiquitin proteasome proteolytic system (UPS) hyperactivation, ultimately leading to muscle atrophy. To test this hypothesis, Wistar rats underwent myocardial infarction or Sham surgery and, four weeks post-surgery, rats underwent eight weeks of treatment with an NADPH oxidase inhibitor (apocynin) or placebo. It was quantified in plantaris and soleus muscles: mRNA levels of skeletal muscle-NOX family, as well as NADPH oxidase activity; oxidative stress markers; antioxidant enzymes activity and total glutathione concentration; mRNA levels of UPS components and proteasome activity; and muscle trophicity (Subproject 1). In the second part of the thesis we tested whether aerobic exercise training (AET) would prevent NADPH oxidases overactivity in plantaris and soleus muscles of rats submitted to myocardial infarction, thus decreasing oxidative stress and UPS hyperactivation, preventing skeletal muscle atrophy. To test this hypothesis, Sham and infarcted rats underwent eight weeks of AET or remained sedentary (Subproject 2). The variables studied were the same as in Subproject 1. The results of the subproject 1 demonstrated that myocardial infarction in rats induces plantaris muscle atrophy triggered in part by overactivation of NADPH oxidase promoting increased ROS production paralleled by UPS hyperactivation. Moreover, myocardial infarction induced soleus muscle atrophy, which was also associated with increased ROS levels and proteasome overactivity, but independently of NADPH oxidase activation. Regarding the subproject 2, our data showed that AET partially prevented plantaris muscle atrophy in infarcted rats, preventing myocardial infarction-induced NADPH oxidase hyperactivation and UPS hyperactivation. AET also prevented soleus muscle atrophy in infarcted rats, which was associated with a ROS levels reduction and prevention of myocardial infarction-induced UPS hyperactivation, but independently of NADPH oxidase activity. Collectively, our data give support for the involvement of NADPH oxidase as a source of ROS production leading to UPS activation and skeletal muscle atrophy associated with chronic myocardial infarction, however this occurs in a muscle specific pattern. AET prevents myocardial infarction-induced skeletal muscle atrophy and exacerbated ROS levels in both plantaris and soleus muscles. In plantaris muscle, this response is related to a prevention of NADPH oxidase hyperactivation, highlighting the contribution of this enzyme complex to ROS production in glycolytic muscles of infarcted rats. Finally, AET is an important nonpharmacologic tool acting in skeletal muscle redox and protein homeostasis of infarcted rats

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / A hipóxia isquemia (HI) pré-natal é uma das principais causas de mortalidade e doenças neurológicas crônicas em neonatos, que podem apresentar déficits remanentes como: retardamento, paralisia cerebral, dificuldade de aprendizado ou epilepsia. Estes prejuízos, provavelmente, estão relacionados com o atraso no desenvolvimento neural, astrogliose e com a perda de neurônios e oligodendrócitos. Déficits funcionais e cognitivos estão associados à degeneração de vias dopaminérgicas e de estruturas hipocampais. A enzima tirosina hidroxilase (TH) é a enzima limitante na síntese de dopamina e seus níveis são alterados em eventos de HI. O óxido nítrico (NO) é um gás difusível que atua modulando diferentes sistemas, participando de eventos como plasticidade sináptica e neuromodulação no sistema nervoso central e é produzido em grandes quantidades em eventos de injúria e inflamação, como é o caso da HI. O presente estudo teve por objetivos avaliar, utilizando o modelo criado por Robinson e colaboradores em 2005, os efeitos da HI sobre o comportamento motor e avaliar o desenvolvimento de estruturas encefálicas relacionadas a este comportamento como a substância negra (SN) e o complexo hipocampal. A HI foi induzida a partir do clampeamento das artérias uterinas da rata grávida, por 45 minutos no décimo oitavo dia de gestação (grupo HI). Em um grupo de fêmeas a cirurgia foi realizada, mas não houve clampeamento das artérias (grupo SHAM). A avaliação do comportamento motor foi realizada com os testes ROTAROD e de campo aberto em animais de 45 dias. Os encéfalos foram processados histologicamente nas idades de P9, P16, P23 e P90, sendo então realizada imunohistoquímica para TH e histoquímica para NADPH diaforase (NADPH-d), para avaliação do NO. Nossos resultados demonstraram redução da imunorreatividade para a TH em corpos celulares na SN aos 16 dias no grupo HI e aumento na imunorreatividade das fibras na parte reticulada aos 23 dias, com a presença de corpos celulares imunorreativos nesta região no grupo HI. Demonstramos também aumento do número de células marcadas para NADPH-d no giro dentado nos animais HI, nas idades analisadas, assim como aumento na intensidade de reação no corno de Ammon (CA1 e CA3) aos 9 dias no grupo HI, e posterior redução nesta marcação aos 23 e 90dias neste mesmo grupo. Nos testes comportamentais, observamos diminuição da atividade motora no grupo HI com uma melhora do desempenho ao longo dos testes no ROTAROD, sem entretanto atingir o mesmo nível do grupo SHAM. Os animais HI não apresentaram maior nível de ansiedade em relação ao grupo SHAM, descartando a hipótese das alterações observadas nos testes de motricidade estarem relacionadas a fatores ansiogênicos. O modelo de clampeamento das artérias uterinas da fêmea se mostrou uma ferramenta importante no estudo das alterações decorrentes do evento de HI pré-natal, por produzir diversos resultados que são similares aos ocorridos em neonatos que passam por este evento. / Perinatal hypoxia-ischemia (HI) is one of the major causes of mortality and chronic neurological diseases in newborns that can show permanent effects such as mental retardation, cerebral palsy, learning difficulty and epilepsy. It is probable that these impairs may be related to a delay in the neural development, astrogliosis and to the death of neurons and oligodendrocytes. Cognitive and functional deficits are related to degeneration of dopaminergic pathways and hippocampus. The enzyme tyrosine hydroxylase (TH) is a limiting step in the dopamine synthesis and its levels are impaired in HI insults. Nitric oxide (NO) is a diffusible gas that acts by modulating different systems and participates in several phenomena such as synaptic plasticity and neuromodulation in the central nervous system and is produced in higher levels in events of injury and inflamation as in the case of HI. This study aimed to evaluate the effects of HI on the motor behavior and to evaluate the development of brain structures related to this behavior as the substantia nigra (SN) and the hippocampal complex, using the model developed by Robinson and colleagues in 2005. HI was induced by clamping the uterine arteries of pregnant rats, for 45 minutes, on the eighteenth day of gestation (group HI). In a group of females, the surgery was performed, but no clamping of the arteries (group SHAM) was made. Assessment of motor behavior was performed with the ROTAROD test and open field test in animals of 45 days (P45) of age. The brains were processed histologically at ages P9, P16, P23 and P90, and then submitted to immunohistochemistry for TH and NADPH diaphorase (NADPH-d) histochemistry for evaluation of NOS. Our results demonstrated an apparent decrease in TH immunoreactivity in cell bodies in the SN at P16 in the HI group and an increase in immunoreactivity of the fibers in the SN pars reticulata at P23 with the presence of TH immunoreactive cell bodies at this same region in the HI group. We also showed an increase in the number of NADPH-d stained cells in the dentate gyrus in the HI group, at all ages, as also an increase in the intensity of staining in the Ammons horn (CA1 and CA3) at P9 in the HI group and, after that, a decrease in this staining at P23 and P90 in this same group. In the behavioral tests we observed a decrease in the motor activity in the HI group with a partial recovery all over the several sessions in the ROTAROD test, however this group did not reach the same performance as the SHAM group. HI animals did not show a higher level of anxiety when compared to SHAM animals, ruling out the hypothesis that anxiogenic factors may be impairing the results in the motor behavior tests. Our results showed that the model of uterine arteries clamping could be an important tool in the study of the effects of perinatal HI, by producing several consequences that are very similar to the effects observed in newborn children who suffered an HI event.

Dans cette étude, nous avons développé un composé dérivé du NADPH, nommé Nanoshutter (NS). NS a été conçu pour inhiber l'activité catalytique de la NOS, c'est à dire la synthèse de NO, en occupant la place du NADPH dans le domaine réductase du NOS. La voie de synthèse de NO chez les mammifère correspond à l'oxydation de la L-arginine catalysée par la NOS, qui se produit dans son domaine oxygénase. Basée sur des données de modélisation moléculaire, la structure de NS est composée deux sous-unités: (i) le motif nucléotidique de reconnaissance du NADPH a été retenu, permettant au composé NS un ciblage approprié du site de liaison au NADPH de la NOS, (ii) le motif nicotinamide de NADPH a été remplacé par un groupe stilbène lié à un groupement terminal accepteur d'électrons. De plus, ce fragment est caractérisé par une très bonne section efficace d'absorption à deux photons (130 GM à 840 nm). NS1, le composé prototype de la famille NS, contient un groupe terminal NO2 en tant que groupe accepteur d'électrons. La valeur de Kd (~ 4,2 µM) a été estimée dans des expériences de titrage sous excitation un- ou deux-photons, et suggère une bonne affinité de liaison de NS1 à la NOS. De façon inattendue, NS1 présente une bonne sélectivité, en terme de rendement quantique de fluorescence, pour les isoformes de NOS par rapport à d'autres protéines qui contiennent ou non un site de liaison NADPH. En outre, il a été montré que NS1 inhibait de façon compétitive NOS par rapport au NADPH. Dans les expériences d'imagerie de fluorescence réalisées sur des cellules endothéliales (HUVEC), NS1 a démontré une internalisation rapide et efficace, avec un signal de fluorescence mis en évidence principalement dans la région périnucléaire, accompagné d’un signal plus sporadique à la membrane plasmique. Cette observation est en parfait accord avec la colocalisation de NS1 et eNOS mesurée par immunomarquage, démontrant ainsi que NS1 cible eNOS dans les cellules endothéliales. La vasoconstriction NO-dépendante attendue dans les anneaux aortiques isolés de souris a été montrée, mais uniquement en présence de catalase qui convertit H2O2 en H2O et O2. En revanche, en l'absence de catalase, la vasorelaxation a plutôt été observée. Ce résultat indique que la NOS n’est très certainement pas l’unique cible de NS1 dans le système endothélial, et que d’autres cibles en rapport avec la modulation de ROS (Reactive Oxygen Species) sont impliquées. En accord avec ce résultat, NS1 provoque une réponse biphasique de la production de ROS dans les cellules HUVEC : Une phase d'augmentation est observée aux faibles concentrations de NS1 (en dessous de 2 µM), suivie d'une diminution (inhibition de ROS) pour des concentrations de NS1 plus élevées. En outre, NS1 inhibe la production de O2- dans les macrophages de souris et les productions de H2O2 et de O2- survenant dans des conditions de découplage de nNOS in vitro. Des explications possibles pour interpréter ces données sont: NS1 probablement inhibe la production de ROS, soit produites au niveau de la NADPH oxydase ou (et) au cours du découplage de la NOS. L'origine de la phase d’augmentation reste plus difficile à interpréter, mais pourrait correspondre au ciblage de la glucose-6-phosphate deshydrogénase. Enfin, NS1 exerce un effet anti -angiogénique sur les cellules endothéliales et empêche la prolifération de cellules du mélanome. En conclusion, NS1 rempli l'objectif principal de cibler et inhiber la NOS en ciblant plus particulièrement le domaine réductase - il est aussi caractérisé par des propriétés d’absorption et de fluorescence à deux photons intéressantes permettant des applications in vitro et in vivo. L’ensemble de ces caractéristiques présentent un profil intéressant pour de futures applications d’imagerie en temps réel et non-invasive, avec également un fort potentiel pour des applications cliniques liées aux maladies NO-dépendantes. / In this study, we introduced a NADPH derivative named as Nanoshutter (NS). NS was designed to inhibit the catalytic activity of NOS, i.e. synthesis of NO, by occupying the NADPH site in the reductase domain of NOS. In mammals, NO participates in extensive physiological/pathological processes in the cardiovascular, nervous and immune systems. The pathway of mammal NO synthesis is the oxidation of L-arginine catalyzed by NOS, which occurs in its oxygenase domain. The catalysis requires three co-substrates (L-arginine, NADPH, and O2) and five cofactors groups (FAD, FMN, calmodulin, BH4 and heme). Guided by molecular modeling, the structure of NS contains two conjugated subunits: (i) the nucleotide recognition motif of NADPH was retained in NS, allowing a proper targeting to the NADPH binding site of NOS- (ii) the nicotinamide moiety of NADPH is replaced by a stilbene moiety linked with a terminal electron acceptor group, preventing electron flow from the reductase to the oxygenase domain of NOS. Furthermore, this moiety is characterized by a large two-photon absorption cross-section (130 at 840 nm). NS1, the first compound of the NS family, contains a NO2 terminal group as an electron acceptor group. NS1 displayed distinct fluorescence properties in its free and NOS-bound states. The Kd value (around 4.2 µM) was estimated in titration experiments performed under one- or two-photon excitation conditions, suggesting an effective binding of NS1 to NOS with a good affinity. Surprisingly, in terms of fluorescence quantum yield, NS1 displayed a good selectivity to the NOS isoforms over other proteins which contain or not a NADPH binding site. Furthermore, NS1 was shown to competitively inhibit nNOS in a dose-dependent manner. In fluorescence imaging experiments with endothelial cells (HUVEC), NS1 displayed a rapid and efficient internalization, with highlighted fluorescence signal at the perinucleus region and sporadic signal at the plasma membrane. This observation was in accordance with the colocalization imaging between NS1 and eNOS as shown by immunostaining, showing that NS1 actually targets eNOS in endothelial cells. The expected NO-dependent vasoconstriction in isolated mouse aortic rings was only evidenced in the presence of catalase, which converts H2O2 into H2O and O2. By contrast, in the absence of catalase, a contradictory vasorelaxation was observed. This result indicates that NS1 may target more than NOS in endothelium system, which is (are) likely related to Reactive Oxygen Species (ROS) production. Accordingly, NS1 led to a biphasic response of ROS production in HUVEC cells: An increasing phase occurred at low NS1 concentration (below 2 µM) and followed by a decreasing phase (ROS inhibition) at higher NS1 concentrations. Furthermore, NS1 was shown to inhibit O2- production in mouse macrophages and H2O2 and O2- production in uncoupled nNOS in vitro. Altogether, the possible but not exclusive explanations for current data are: in addition to its inhibition effect on NO production, NS1 probably also inhibits the ROS production either produced by NADPH Oxidase or by electron leakage from uncoupled NOS, or a combination of both. The origin of the increasing phase remains more elusive but could correspond to the targeting of glucose-6-phosphate-dehydrogenase (G6PD). Additionally, NS1 displayed anti-angiogenesis effect on endothelial cells and prevented proliferation of melanoma. In conclusion, NS1 fulfilled the goal as a new NOS inhibitor targeting the reductase domain and displayed a unique two-photon property in vitro and in vivo, these features may provide a promising future for non-invasive real-time imaging, and to potential clinical applications in the NO-dependent diseases.

Os ácidos graxos (AG) podem influenciar o processo secretório de insulina induzido pela glicose. Os AG &#969;3 interferem em diversos processos fisiológicos, sendo que nas ilhotas pancreáticas, os AG &#969;3 colaboram para a diminuição da lipotoxicidade induzida pelo ácido palmítico. Ao ácido palmítico são atribuídos efeitos deletérios em diversos tecidos, assim como nas células &#946;, onde ele promove a alteração da composição dos fosfolípides de membrana, do potencial elétrico da mesma e consequentemente do processo de extrusão dos grânulos de insulina. A exposição crônica das células &#946; ao excesso de ácido palmítico é tóxica, provocando diminuição da resposta secretória de insulina, redução da oxidação e captação de glicose e aumento de espécies reativas de oxigênio (EROs) que, em quantidades suprafisiológicas, irão contribuir para a falência e morte da célula &#946;. As EROs podem ser de origem mitocondrial, através do metabolismo dos nutrientes ou ainda proveniente da ativação do complexo enzimático NADPH oxidase, o qual é modulado pela glicose e pelos AG, incluindo o ácido palmítico. Em contrapartida, os AG &#969;3 exercem efeitos anti-inflamatórios e antioxidantes em diversos sistemas, contribuindo para melhora de perfil lipídico e resistência periférica à insulina. O objetivo deste trabalho foi verificar o possível efeito protetor dos AG &#969;3 contra os efeitos deletérios do ácido palmítico em células &#946; pancreáticas. Nas células &#946;, a partir dos resultados obtidos, a presença de AG &#969;3 mostrou-se eficaz para prevenir o dano secretório e o aumento de EROs, além de contribuir para manutenção da viabilidade celular e da captação de glicose nas ilhotas tratadas com ácido palmítico, desempenhando um importante papel protetor na célula &#946;. / Fatty acids (FA) may influence the process of glucose-induced insulin. The &#969;3 FA interferes in several physiological processes, and in the pancreatic islets collaborate to decrease the lipotoxicity induced by palmitic acid. Palmitic acid induces deleterious effects in several tissues, as well as in &#946; cells, where it promotes the alteration of the membrane phospholipid composition, the plasma membrane electric potential, and consequently, the process of the insulin granules extrusion. Chronic exposure of &#946; cells to high concentration of palmitic acid is toxic, leading to decreased insulin secretory response, reduced oxidation and uptake of glucose, and an increase in reactive oxygen species (ROS) which, in supraphysiological amounts, will contribute to &#946;-cell failure and death. ROS may be of mitochondrial origin, through the metabolism of nutrients or even from the activation of the enzymatic complex NADPH oxidase, which is modulated by glucose and FA, including palmitic acid. In contrast, &#969;3 FA exerts anti-inflammatory and antioxidant effects in several systems, contributing to the improvement of lipid profile and peripheral resistance to insulin. The aim of this study was verify the protective possible effect of AG &#969;3 against the deleterious effects of palmitic acid on pancreatic &#946; cells. Our results shown that the presence of &#969;3 FA was effective in preventing secretory damage and increase of EROs, also contributing to the maintenance of cell viability and glucose uptake in the islets treated with palmitic acid, playing an important &#946;-cell protective role.

Le métabolisme central de la souche E. coli MG1655 Δpgi ΔudhA Δedd Δqor a été rationnellement modifié afin de produire deux moles de NADPH et deux moles de NADH lors de l’oxydation du glucose en acétyl-CoA, alors qu’une souche sauvage produit quatre moles de NADH. La conséquence de cette modification est une forte diminution de son taux de croissance sur milieu minimum et glucose. Afin d’évaluer les aptitudes de cette souche à s’adapter à un tel stress métabolique, son évolution in vivo a été forcée lors de cultures par repiquages successifs sur glucose. Ainsi, après quatre cultures d’évolution un clone pur a été réisolé et caractérisé : un taux de croissance multiplié par six par rapport à la souche non évoluée a été mesuré. L’analyse par CGS (Séquençage par comparaison de génomes) a permis de corréler l’augmentation du taux de croissance à l’apparition d’une mutation, NuoF*(E183A), dans la sous-unité NuoF du complexe respiratoire I, complexe NADH-dépendant. Des études biochimiques et physiologiques de l’impact de cette mutation ont permis de démontrer que le complexe I évolué peut oxyder à la fois le NADPH et le NADH, créant ainsi une nouvelle voie d’oxydation du NADPH dans la cellule. L’évolution in vivo a ensuite été poursuivie au cours de onze repiquages et un nouveau clone pur a été réisolé et caractérisé : un taux de croissance proche de la souche sauvage et onze fois supérieur à celui de la souche non évoluée a alors été mesuré. L’analyse par CGS a permis cette fois de corréler l’augmentation du taux de croissance à l’apparition de deux mutations : NuoF*(E183A) et d’une deuxième dans la sous-unité α de l’ARN polymérase, rpoA*. Enfin, une deuxième souche E. coli MG1655 ΔpfkAB ΔudhA Δedd Δqor a été construite afin de détourner son métabolisme pour produire cette fois trois moles de NADPH et une mole de NADH lors de l’oxydation du glucose en acétyl-CoA. Cette souche étant incapable de se développer en milieu liquide et glucose, une étape de criblage en milieu solide et glucose a permis de sélectionner des clones capables de croître sur glucose. Tous ces clones possédaient soit la mutation NuoF*(E183A), soit une nouvelle mutation NuoF*(E183G), dont la caractérisation biochimique a montré que les deux enzymes évoluées permettent l’oxydation du NADPH par la chaîne respiratoire. Le phénomène d’évolution in vivo a conduit à la création d’une nouvelle fonction pour le NADPH qui n’est plus seulement impliqué dans les réactions de synthèse anabolique mais qui peut être utilisé pour produire directement de l’énergie catabolique. La compréhension globale du phénomène d’évolution a finalement permis la conception de nouvelles souches adaptées pour la production NADPH-dépendante de composés chimiques d’intérêt / Bacterial metabolism is characterized by robustness and plasticity that allow it to adjust too many metabolic perturbations. This present work demonstrates Escherichia coli abilities of evolution and adaptation under stress of NADPH accumulation. We constructed the E. coli MG1655 Δpgi::FRT ΔudhA::FRT Δedd::FRT Δqor::FRT strain where central metabolism has been rationally engineered to produce two mol of NADPH and two mol of NADH during the oxidation of glucose to acetyl-CoA, while a wild-type strain produces 4 mol of NADH per mole of glucose. Consequently, this strain presents a weak growth on glucose mineral medium. So as to evaluate bacterial abilities to overcome such metabolic stress, in vivo evolution of this strain has been forced in laboratory by serial transfer subcultures. After four evolution subcultures, an individual clone has been characterized by a six fold increased growth rate compared to non-evolved strain. CGS (Comparative Genome Sequencing) analysis allowed us to correlate growth improvement with one mutation apparition in respiratory complex: NuoF*(E183A) in NuoF subunit from the NADH dependant complex I. Further biochemical and physiological studies demonstrated that the evolved respiratory complex is able to oxidize both NADH and NADPH, resulting in a new NADPH reoxydation pathway in the cell. In vivo evolution experiments were then continued until eleven subcultures, where a new individual clone has been characterized by an eleven fold increased growth rate compared to non-evolved strain. Additional CGS analysis allowed us to correlate growth improvement with apparition of two mutations: NuoF*(E183A) and another mutation within the RNA polymerase alpha subunit, rpoA*. Thus, a second E. coli MG1655 ΔpfKA::FRT ΔpfKB::FRT ΔudhA::FRT Δedd::FRT Δqor::FRT strain has been rationally engineered to produce three mol of NADPH and one mole of NADH per mole of glucose oxidized to acetyl-coA. As this train was unable to growth in liquid glucose mineral medium, we performed a solid-state screening on glucose mineral medium that led to two different types of NuoF mutations in strains having recovered growth capacity. In addition to the previously seen E183A mutation other clones showed an E183G mutation, both having NADH and NADPH oxidizing ability. This result highlights need of this new NADPH reoxydation pathway for NADPH accumulating cells. This solution creates a new function for NADPH that is no longer restricted to anabolic synthesis reactions but can now be also used to directly produce catabolic energy. Finally, global understanding of evolution process allowed conception of new engineered strains, well designed for NADPH dependant production of chemicals of interest