Thesis (Ph. D.)--University of Oklahoma. / Bibliography: leaves 173-211.

Haemophilus influenzae is a pathogenic Gram-negative bacterium that colonizes the upper respiratory tract of humans and can cause otitis media, upper and lower respiratory infections, and meningitis. Factors important for H. influenzae to colonize humans and cause disease are not fully understood. Different bacterial pathogens are armed with virulence mechanisms unique to their specific strategies for interacting with their hosts. Many of the proteins mediating these interactions are secreted and contain disulfide bonds required for function or stability. I postulated that identifying the set of secreted proteins in H. influenzae that require periplasmic disulfide bonds would provide better understanding of this bacterium's pathogenic mechanisms. In this thesis, the periplasmic disulfide bond oxidoreductase protein, DsbA, was found to be essential for colonization and virulence of H. influenzae. Mutants of dsbA were also found to be sensitive to the bactericidal effects of serum. However, the DsbA-dependent proteins important for pathogenesis of this organism have not been previously identified. To find them, putative targets of the periplasmic disulfide bond pathway were identified and examined for factors which might be important for mediating critical virulence aspects. By doing so, novel virulence factors were discovered including those important for heme and zinc acquisition, as well as resistance to complement. Overall, the work presented here provides insight into requirements for H. influenzae to survive within various host environments.

A Dissulfeto Isomerase Proteica (PDI) é uma chaperona ditiol-dissulfeto oxidoredutase da superfamília tiorredoxina que catalisa o enovelamento de proteínas secretadas ou de membrana por meio da introdução, redução ou isomerização de pontes dissulfeto. A PDI é primariamente localizada no lúmen do retículo endoplasmático, no entanto a presença de uma pequena fração da PDI na superfície celular e no meio extracelular tem sido documentada em diversos tipos celulares. Particularmente em plaquetas e células endoteliais, a PDI epi/pericelular (pecPDI) está envolvida em diversos processos incluindo ativação de plaquetas/trombose, infecções virais e remodelamento vascular. A ausência de PDI (e outras tiol isomerases) na circulação tem sido proposta como mecanismo para prevenir trombose na ausência de lesão vascular. No entanto, esta questão permanece obscura e existe pouca informação sobre a concentração circulante da PDI e outras tiol isomerases vasculares. Neste estudo, investigamos a ocorrência e implicações fisiológicas de um pool circulante de PDI em indivíduos saudáveis e validamos um ensaio para detecção da PDI. Os resultados mostraram um pool detectável de PDI no plasma por ELISA, confirmados por imunoprecipitação e ensaio de atividade (inibição da redução da sonda di-eosina-GSSG pela rutina, um inibidor específico da PDI). A concentração de PDI no plasma (mediana=330 pg/mL) indicam uma alta variabibilidade interindividual, com valores muito baixos/indetectáveis (plasmas pobres em PDI [PP-PDI], definidos como <= 330 pg/mL) até valores superiores a 1000 pg/mL (plasmas ricos em PDI [PR-PDI], designados como > 330 pg/mL). Por outro lado, um resultado importante foi o fato de que valores de PDI mostraram variabilidade intraindividual muito baixa ao longo do tempo, detectada através de medidas repetidas em diferentes ocasiões e/ou condições. A fração de PDI presente em micropartículas plasmáticas foi variável, mas em geral pequena em relação ao pool total de PDI. O pool da PDI no plasma está majoritariamente reduzido (60-80%) sem diferenças entre os grupos PP-PDI e PR-PDI. Importante, os valores de PDI associaram-se a distintos perfis proteômicos plasmáticos. Enquanto os PR-PDI se associaram preferencialmente a proteínas relacionadas a diferenciação celular, processamento de proteínas, funções housekeepings, entre outras, os PP-PDI mostraram expressão diferencial de proteínas associadas a coagulação, respostas inflamatórias e imunoativação. A atividade de plaquetas medida por agregação foi semelhante entre os indivíduos com PP-PDI vs. PR-PDI. No entanto, a PDI solúvel foi diminuída após agregação plaquetária na maioria dos indivíduos em ambos os grupos, sugerindo captura devida a exposição de moléculas adesivas. Em outras séries de experimentos, mostramos que tais perfis proteômicos plasmáticos se correlacionaram ao fenótipo e função endotelial. Células endoteliais em cultura incubadas com PP-PDI ou PR-PDI recapitularam padrões de expressão gênica e de secreção de proteínas similares aos perfis plasmáticos correspondentes. Além disso, as assinaturas proteômicas identificadas em ambos os tipos de plasma traduziram-se em distintas respostas funcionais endoteliais. Os PP-PDI promoveram comprometimento da adesão de células endoteliais à fibronectina e perturbaram o padrão de migração celular associado à reparação de lesão endotelial. Em contraste, os PR-PDI não afetaram significativamente a adesão celular e sustentaram um padrão de migração organizado. Em outra população de pacientes com eventos cardiovasculares, os valores de PDI no plasma (mediana= 35 pg/mL) foram significativamente inferiores aos de indivíduos saudáveis. Em conclusão, o pool detectável de PDI presente no plasma se associou a distintos perfis proteômicos e parece se comportar como um indicador/ marcador de assinaturas proteômicas relacionadas à função e sinalização endotelial. Este é o primeiro estudo descrevendo valores circulantes de PDI diretamente relacionados a distintos fenótipos endoteliais / Protein disulfide isomerase (PDI) is a dithiol-disulfide oxidoreductase chaperone from thioredoxin superfamily which catalyzes introduction, reduction or isomerization of disulfide bonds in nascent proteins, typically destined to extracellular secretion or membrane insertion. PDI is primarily located into the endoplasmic reticulum; however, there are clear evidences for the presence of a small PDI fraction at the cell surface and extracellular milieu in several cell types. Particularly in platelets and endothelial cells, such peri/epicellular pool of PDIA1 (pecPDI) is involved in distinct processes including platelet activation/thrombosis, viral infection and vascular remodeling. The absence of PDI (and other thiol isomerases) from circulating plasma has been proposed as a mechanism to prevent thrombogenesis in the absence of vascular injury. However, this question remains unclear, as there is little information on the circulating levels of PDI and other vascular thiol isomerases. Here we investigated the occurrence and physiological significance of a circulating pool of PDI in healthy humans. We validated an assay for detecting PDI in plasma of healthy individuals. The results showed a detectable pool of plasma PDI by ELISA, confirmed by immunoprecipitation and activity assay (dieosin-GSSG inhibitable by rutin, a specific PDI inhibitor). PDI levels (median= 330 pg/mL) exhibited high interindividual variability, ranging from undetectable/low (PDI-poor plasma, defined as <= 330 pg/mL) until 1000 pg/mL (PDI-rich plasma, > 330 pg/mL). Remarkably, opposite to interindividual variability, the intra-individual variability was quite low, so that values assessed under distinct conditions over time were close and reproducible. The majority (60-80%) of plasma PDI is in the reduced state, without any difference among individuals with PDIpoor and PDI-rich plasma. Importantly, plasma PDI levels could discriminate between distinct plasma proteome signatures, with PDI-rich plasma differentially expressing proteins related to cell differentiation, protein processing, housekeeping functions and others, while PDI-poor plasma differentially displayed proteins associated with coagulation, inflammatory responses and immunoactivation. Platelet activity assessed by aggregation was similar between PDI-poor vs. PDI-rich plasma. However, soluble PDI was decreased after platelet activation in both groups, suggesting sequestration of plateletderived PDI by its potential substrates. In other set of experiments, we showed that such protein signatures closely correlated with endothelial function and phenotype, since cultured endothelial cells incubated with PDI-poor or PDI-rich plasma recapitulated gene expression and secretome patterns in line with their corresponding plasma signatures. Furthermore, such signatures translated into functional responses, with PDI-poor plasma promoting impairment of endothelial adhesion to fibronectin and a disturbed pattern of wound-associated migration and recovery area. In contrast, PDI-rich plasma did not significantly affect cell adhesion and supported organized endothelial migration. In another dataset, patients with cardiovascular events had lower PDI levels (median= 35 pg/mL) vs. healthy individuals. In conclusion, a PDI pool detectable in plasma from healthy individuals is associated with distinct proteomic profiles and seems to behave as an indicator/marker of proteomic signatures related with endothelial function and signaling. This is the first study describing PDI levels as reporters of specific plasma proteome signatures directly promoting contrasting endothelial phenotypes and functional responses

A Síndrome de Marfan (SMF) é a enfermidade hereditária mais comum dentre as que afetam o sistema conjuntivo, causada por mutações da glicoproteína fibrilina-1, o principal componente estrutural das microfibrilas elásticas da matriz extracelular. As manifestações fenotípicas da SMF são sistêmicas e acometem tipicamente os sistemas ocular, esquelético e cardiovascular, este uma importante causa de morbi-mortalidade. Entretanto, não está claro como a mutação induz a doença. Estudos anteriores sugerem anomalias morfológicas do retículo endoplasmático (RE) ou retenção intracelular da fibrilina-1 nos estágios avançados da SMF. Entretanto, a contribuição do enovelamento da fibrilina-1 mutada e do estresse do RE na fisiopatologia celular da SMF não é conhecida. Proteínas mal-enoveladas podem levar à retenção intracelular e/ou aumento da degradação através da via de degradação associada ao RE (ERAD), além da indução da resposta a proteínas mal-enoveladas (UPR), ambas com potencial contribuição à fisiopatologia de doenças, incluindo a SMF. Assim, estudamos em fibroblastos embrionários isolados de camundongos (MEFs) com SMF se a fibrilina-1 mutada é reconhecida pelo controle de qualidade do RE pelo seu mal- enovelamento e induz estresse do RE por sua retenção intracelular. Demonstramos que a mutação na fibrilina-1 per se não promoveu chaperonas marcadoras de UPR ou geração de oxidantes. Além disso, não levou a uma maior sensibilização das células à indução exógena de estresse do RE, nem promoveu maior morte celular após inibição do proteassoma. Além disso, não foi observada retenção intracelular da fibrilina-1 nas células SMF, e mesmo após inibição da via secretora ou indução de estresse do RE, a inibição da secreção da fibrilina-1 foi similar nos MEFs SMF e wild-type (WT). A dissulfeto isomerase proteica (PDI), uma importante chaperona redox do RE, interage com fibrilina-1, e seu silenciamento levou a um aumento na secreção da fibrilina-1 pelos MEFs WT, mas não SMF. Além disso, o silenciamento da PDI promoveu a desorganização da matriz extracelular depositada de fibrilina-1 nos MEFs WT, enquanto nos MEFs SMF, a desorganização basal da matriz não foi adicionalmente alterada. Em paralelo, investigações in vivo mostraram que o estresse do RE não é induzido em camundongos SMF com 1 ou 3 meses de idade, apesar de manifestações fenotípicas evidentes. Entretanto, concomitante à progressão da doença, detectamos a ocorrência de estresse do RE nas aortas ascendentes dos camundongos aos 6 meses. Esta detecção foi exclusiva desta região da aorta e não ocorreu em outros órgãos afetados ou não afetados pela SMF. Assim, a manifestação do fenótipo clássico da SMF não requer uma perda da homeostase do RE diretamente induzida pela fibrilina-1 mutada. Ao contrário, esta é capaz de evadir mecanismos de controle de qualidade mediados pela PDI, sendo secretada normalmente. Assim, esta evasão do controle de qualidade pela PDI é uma condição permissiva essencial para o fenótipo da SMF. Por outro lado, o estresse do RE é uma característica evolutiva do aneurisma da aorta ascendente na SMF concomitante ao agravamento do fenótipo neste tecido / Marfan syndrome (MFS) is the most common connective tissue hereditary disease, caused by mutations in the glycoprotein fibrillin-1, the main structural component of extracellular matrix elastic microfibrils. MFS phenotypic manifestations are systemic and typically involve the ocular, skeletal and cardiovascular systems, the latter a major cause of morbidity/mortality. However, how gene mutation induxes disease is yet unclear. Previous studies suggest endoplasmic reticulum (ER) morphological abnormalities or fibrillin-1 intracellular retention in advanced MFS stages. However, the contribution of mutated fibrillin-1 folding and ER stress to MFS cellular pathophysiology is unknown. Un/misfolded proteins may associate with their intracellular retention and/or increased degradation through ER-associated degradation (ERAD), in addition to inducing the unfolded protein response (UPR), both sharing potential contributions to disease pathophysiology, including MFS. Thus, we studied in embryonic fibroblasts (MEFs) isolated from WT and MFS mice, if mutated fibrillin-1 can be recognized by ER quality control as a misfolded protein, able to induce ER stress due to its intracellular retention. We showed that fibrillin-1 mutation by itself did not promote UPR chaperone markers or oxidant generation. Moreover, it did not sensitize cells to exogenous ER stress nor affected cell survival curves after proteasome inhibition. Furthermore, no intracellular retention of fibrillin-1 was observed in MFS cells, and even after secretory pathway inhibition or ER stress induction, fibrillin-1 secretion inhibition was similar in MFS and wild-type (WT) MEFs. Protein disulfide isomerase (PDI), an important ER redox chaperone, interacts with fibrillin-1 and its silencing induced an increased fibrillin-1 secretion in WT, but not MFS MEFs. Besides, PDI silencing promoted fibrillin-1 extracellular matrix disorganization in WT MEFs, whereas in MFS MEFs, the basal matrix disorganization was not further modified. Parallel in vivo evaluations demonstrated that ER stress is also not induced in 1 and 3 month-old mice MFS, despite evident phenotypical manifestations. However, concomitant to accelerated disease progression at 6 months, ER stress was detectable in ascendant aorta, but not in other disease-affected or unaffected organs. Thus, classic MFS phenotype manifestations do not require loss of ER homeostasis directly induced by mutated fibrillin-1. Contrarily, the latter can evade a PDI-mediated quality control mechanism to be normally secreted. Therefore, evading such PDI-mediated quality control is an essential permissive condition for enabling the MFS phenotype. On the other hand, ER stress is an evolutive feature of MFS ascendant aorta aneurysm concomitant to phenotype progression in this tissue

Dissulfeto isomerase protéica (PDIA1 ou PDI) é uma chaperona e ditiol-dissulfeto oxido-redutase residente do reticulo endoplasmático (RE). PDI é essencial à regulação da proteostase por ter função no enovelamento oxidativo de proteínas e na via de degradação associada ao RE (ERAD). Além disso, PDI interage fisicamente e regula a atividade de NADPH oxidases, e fora da célula é um regulador redox essencial à atividade de proteínas extracelulares. Este pool epi/pericelular da PDI (pecPDI) regula função de proteínas de membrana/secretadas, como integrinas, glicoproteínas gp120 do virus HIV e outras, com múltiplas funções que incluem: trombose, ativação plaquetária, adesão celular, infecção viral e remodelamento vascular. A rota de externalização da PDI permanece obscura, e seu conhecimento pode indicar mecanismos dos efeitos (fisio)patológicos da PDI. A secreção da PDI pela rota RE-Golgi foi sugerida em células endoteliais infectadas pelo vírus da dengue, células pancreáticas e tireoideanas. No entanto, uma varredura sistemática das possíveis rotas de externalização da PDI não foi previamente realizada. Neste estudo, mostramos que células endoteliais (EC) externalizam constitutivamente, por rotas distintas, dois pools de PDI, de superfície celular e solúvel, enquanto na EC não estimulada PDI não foi detectada significativamente em micropartículas. PDI externalizada corresponde a ca.1,4% do pool total de PDI celular. Tanto a PDI de superfície celular como a solúvel foram majoritariamente secretadas pela via de secreção não-convencional do tipo IV independente de GRASP. Contudo, a via de secreção clássica também contribui para externalização basal da PDI de superfície celular, mas não da solúvel basal ou estimulada por PMA, ATP e trombina indicando que todas envolvem escape do Golgi. Além disso, a externalização constitutiva da PDI de superfície em célula muscular lisa vascular também ocorre por via independente de Golgi. Externalização da PDI não foi detectavelmente mediada pela secreção não-convencional do tipo I, II, III, lisossomos secretórios, endossoma de reciclagem e transporte ativo (dependente de ATP) em EC. Considerando que chaperonas são vias essenciais de resposta a estresses, investigamos o efeito de estresse do RE e choque térmico na pecPDI. Estresse do RE não altera a PDI de superfície celular, mas aumenta PDI solúvel. Ambos os pools de PDI não foram alterados por choque térmico, embora a recuperação desse estresse diminua a secreção de PDI. Estes dados sugerem que a liberação de PDI é um processo regulado, dependente da natureza do estresse. Bloqueio da síntese de proteínas com cicloheximida não altera pecPDI, indicando que PDI recém-sintetizada não é preferencialmente externalizada e que o tráfego da PDI independe de outras proteínas recém-sintetizadas. Um aspecto importante do estudo foi indicar uma resiliência da pecPDI à modulação individual de distintas vias secretoras, consistente com uma estrita auto-regulação e possibilidade de vias sinérgicas e complementares. Estes resultados indicam que a externalização da PDI de superfície e PDI secretada possam ser externalizadas por mecanismos independentes. Estes processos compõem um processo regulado estritamente, consistente com papel homeostático da pecPDI / Protein disulfide isomerase (PDIA1 or PDI) is dithiol-disulfide oxireductase chaperone resident in the endoplasmic reticulum (ER). PDI is essential for proteostasis, due to its support of oxidative protein folding and ER-associated protein degradation (ERAD). In addition, PDI associates with NADPH oxidase(s) and regulate its activity, while outside of the cell, PDI redox-dependently modulates extracellular proteins. This epi/pericellular PDI (pecPDI) pool is known to regulate membrane/secreted proteins such as integrins, HIV glycoprotein gp120 and others, with functions that involve thrombosis, platelet function, cell adhesion, viral infection and vascular remodeling. PDI externalization route remains enigmatic and its elucidation can help understand some (patho)physiological PDI effects. An ER-Golgi route for PDI secretion has been as described on dengue virus-infected endothelial cells pancreatic and thyroid) cells. However, none of these papers addressed PDI secretion routes in a systematic fashion. Here, we show that endothelial cells (EC) constitutively externalize, through different routes, two PDI pools, a cell-surface and a secreted one, while in nonstimulated ECs PDI was not significantly detected in microparticles. Externalized PDI corresponds to < 2% of total cellular PDI pool. Both cell-surface and soluble PDI were predominantly externalized through unconventional type IV GRASP-independent pathway(s). However, the classical secretory pathway also contributes to basal cell-surface, but not soluble, PDI externalization, as PMA, ATP or thrombin-stimulated secretion also involve Golgi bypass. Furthermore, constitutive cell-surface PDI externalization in vascular smooth muscle cells also occurs in a Golgi-independent way. PDI externalization was not detectably mediated by non-conventional type I, II and III secretion routes, secretory lysosomes, recycling endosomes and ATP dependent active transport in EC. Since chaperones are essential for cellular stress response, we assessed the effects of ER stress and heat-shock on pecPDI. ER stress did not affect cell-surface PDI but increased the soluble pool. Both PDI pools were unaltered by heat shock, while stress recovery decreased PDI secretion. These data suggest that PDI release is finely tuned and dependent on the type of stress. Blockade of protein synthesis with cycloheximide did not change pecPDI levels, suggesting that newly-synthesized PDI is not preferentially externalized and that PDI traffic does not require newly-synthesized proteins. An important aspect of the study was the evidence for pecPDI resilience to individual modulation of distinct secretion routes, consistent with strict auto-regulation and possible synergic or complementary pathways. Overall, our data suggest that cell-surface and secreted PDI pool externalization are regulated through independent mechanisms, which in both cases involve Type IV non-conventional routes, with some minor contribution of Golgi-dependent secretory pathway. These patterns compose a strictly regulated process, consistent with an important homeostatic role for pecPDI

Dissulfeto isomerase protéica (PDIA1 ou PDI) é uma chaperona e ditiol-dissulfeto oxido-redutase residente do reticulo endoplasmático (RE). PDI é essencial à regulação da proteostase por ter função no enovelamento oxidativo de proteínas e na via de degradação associada ao RE (ERAD). Além disso, PDI interage fisicamente e regula a atividade de NADPH oxidases, e fora da célula é um regulador redox essencial à atividade de proteínas extracelulares. Este pool epi/pericelular da PDI (pecPDI) regula função de proteínas de membrana/secretadas, como integrinas, glicoproteínas gp120 do virus HIV e outras, com múltiplas funções que incluem: trombose, ativação plaquetária, adesão celular, infecção viral e remodelamento vascular. A rota de externalização da PDI permanece obscura, e seu conhecimento pode indicar mecanismos dos efeitos (fisio)patológicos da PDI. A secreção da PDI pela rota RE-Golgi foi sugerida em células endoteliais infectadas pelo vírus da dengue, células pancreáticas e tireoideanas. No entanto, uma varredura sistemática das possíveis rotas de externalização da PDI não foi previamente realizada. Neste estudo, mostramos que células endoteliais (EC) externalizam constitutivamente, por rotas distintas, dois pools de PDI, de superfície celular e solúvel, enquanto na EC não estimulada PDI não foi detectada significativamente em micropartículas. PDI externalizada corresponde a ca.1,4% do pool total de PDI celular. Tanto a PDI de superfície celular como a solúvel foram majoritariamente secretadas pela via de secreção não-convencional do tipo IV independente de GRASP. Contudo, a via de secreção clássica também contribui para externalização basal da PDI de superfície celular, mas não da solúvel basal ou estimulada por PMA, ATP e trombina indicando que todas envolvem escape do Golgi. Além disso, a externalização constitutiva da PDI de superfície em célula muscular lisa vascular também ocorre por via independente de Golgi. Externalização da PDI não foi detectavelmente mediada pela secreção não-convencional do tipo I, II, III, lisossomos secretórios, endossoma de reciclagem e transporte ativo (dependente de ATP) em EC. Considerando que chaperonas são vias essenciais de resposta a estresses, investigamos o efeito de estresse do RE e choque térmico na pecPDI. Estresse do RE não altera a PDI de superfície celular, mas aumenta PDI solúvel. Ambos os pools de PDI não foram alterados por choque térmico, embora a recuperação desse estresse diminua a secreção de PDI. Estes dados sugerem que a liberação de PDI é um processo regulado, dependente da natureza do estresse. Bloqueio da síntese de proteínas com cicloheximida não altera pecPDI, indicando que PDI recém-sintetizada não é preferencialmente externalizada e que o tráfego da PDI independe de outras proteínas recém-sintetizadas. Um aspecto importante do estudo foi indicar uma resiliência da pecPDI à modulação individual de distintas vias secretoras, consistente com uma estrita auto-regulação e possibilidade de vias sinérgicas e complementares. Estes resultados indicam que a externalização da PDI de superfície e PDI secretada possam ser externalizadas por mecanismos independentes. Estes processos compõem um processo regulado estritamente, consistente com papel homeostático da pecPDI / Protein disulfide isomerase (PDIA1 or PDI) is dithiol-disulfide oxireductase chaperone resident in the endoplasmic reticulum (ER). PDI is essential for proteostasis, due to its support of oxidative protein folding and ER-associated protein degradation (ERAD). In addition, PDI associates with NADPH oxidase(s) and regulate its activity, while outside of the cell, PDI redox-dependently modulates extracellular proteins. This epi/pericellular PDI (pecPDI) pool is known to regulate membrane/secreted proteins such as integrins, HIV glycoprotein gp120 and others, with functions that involve thrombosis, platelet function, cell adhesion, viral infection and vascular remodeling. PDI externalization route remains enigmatic and its elucidation can help understand some (patho)physiological PDI effects. An ER-Golgi route for PDI secretion has been as described on dengue virus-infected endothelial cells pancreatic and thyroid) cells. However, none of these papers addressed PDI secretion routes in a systematic fashion. Here, we show that endothelial cells (EC) constitutively externalize, through different routes, two PDI pools, a cell-surface and a secreted one, while in nonstimulated ECs PDI was not significantly detected in microparticles. Externalized PDI corresponds to < 2% of total cellular PDI pool. Both cell-surface and soluble PDI were predominantly externalized through unconventional type IV GRASP-independent pathway(s). However, the classical secretory pathway also contributes to basal cell-surface, but not soluble, PDI externalization, as PMA, ATP or thrombin-stimulated secretion also involve Golgi bypass. Furthermore, constitutive cell-surface PDI externalization in vascular smooth muscle cells also occurs in a Golgi-independent way. PDI externalization was not detectably mediated by non-conventional type I, II and III secretion routes, secretory lysosomes, recycling endosomes and ATP dependent active transport in EC. Since chaperones are essential for cellular stress response, we assessed the effects of ER stress and heat-shock on pecPDI. ER stress did not affect cell-surface PDI but increased the soluble pool. Both PDI pools were unaltered by heat shock, while stress recovery decreased PDI secretion. These data suggest that PDI release is finely tuned and dependent on the type of stress. Blockade of protein synthesis with cycloheximide did not change pecPDI levels, suggesting that newly-synthesized PDI is not preferentially externalized and that PDI traffic does not require newly-synthesized proteins. An important aspect of the study was the evidence for pecPDI resilience to individual modulation of distinct secretion routes, consistent with strict auto-regulation and possible synergic or complementary pathways. Overall, our data suggest that cell-surface and secreted PDI pool externalization are regulated through independent mechanisms, which in both cases involve Type IV non-conventional routes, with some minor contribution of Golgi-dependent secretory pathway. These patterns compose a strictly regulated process, consistent with an important homeostatic role for pecPDI

A Síndrome de Marfan (SMF) é a enfermidade hereditária mais comum dentre as que afetam o sistema conjuntivo, causada por mutações da glicoproteína fibrilina-1, o principal componente estrutural das microfibrilas elásticas da matriz extracelular. As manifestações fenotípicas da SMF são sistêmicas e acometem tipicamente os sistemas ocular, esquelético e cardiovascular, este uma importante causa de morbi-mortalidade. Entretanto, não está claro como a mutação induz a doença. Estudos anteriores sugerem anomalias morfológicas do retículo endoplasmático (RE) ou retenção intracelular da fibrilina-1 nos estágios avançados da SMF. Entretanto, a contribuição do enovelamento da fibrilina-1 mutada e do estresse do RE na fisiopatologia celular da SMF não é conhecida. Proteínas mal-enoveladas podem levar à retenção intracelular e/ou aumento da degradação através da via de degradação associada ao RE (ERAD), além da indução da resposta a proteínas mal-enoveladas (UPR), ambas com potencial contribuição à fisiopatologia de doenças, incluindo a SMF. Assim, estudamos em fibroblastos embrionários isolados de camundongos (MEFs) com SMF se a fibrilina-1 mutada é reconhecida pelo controle de qualidade do RE pelo seu mal- enovelamento e induz estresse do RE por sua retenção intracelular. Demonstramos que a mutação na fibrilina-1 per se não promoveu chaperonas marcadoras de UPR ou geração de oxidantes. Além disso, não levou a uma maior sensibilização das células à indução exógena de estresse do RE, nem promoveu maior morte celular após inibição do proteassoma. Além disso, não foi observada retenção intracelular da fibrilina-1 nas células SMF, e mesmo após inibição da via secretora ou indução de estresse do RE, a inibição da secreção da fibrilina-1 foi similar nos MEFs SMF e wild-type (WT). A dissulfeto isomerase proteica (PDI), uma importante chaperona redox do RE, interage com fibrilina-1, e seu silenciamento levou a um aumento na secreção da fibrilina-1 pelos MEFs WT, mas não SMF. Além disso, o silenciamento da PDI promoveu a desorganização da matriz extracelular depositada de fibrilina-1 nos MEFs WT, enquanto nos MEFs SMF, a desorganização basal da matriz não foi adicionalmente alterada. Em paralelo, investigações in vivo mostraram que o estresse do RE não é induzido em camundongos SMF com 1 ou 3 meses de idade, apesar de manifestações fenotípicas evidentes. Entretanto, concomitante à progressão da doença, detectamos a ocorrência de estresse do RE nas aortas ascendentes dos camundongos aos 6 meses. Esta detecção foi exclusiva desta região da aorta e não ocorreu em outros órgãos afetados ou não afetados pela SMF. Assim, a manifestação do fenótipo clássico da SMF não requer uma perda da homeostase do RE diretamente induzida pela fibrilina-1 mutada. Ao contrário, esta é capaz de evadir mecanismos de controle de qualidade mediados pela PDI, sendo secretada normalmente. Assim, esta evasão do controle de qualidade pela PDI é uma condição permissiva essencial para o fenótipo da SMF. Por outro lado, o estresse do RE é uma característica evolutiva do aneurisma da aorta ascendente na SMF concomitante ao agravamento do fenótipo neste tecido / Marfan syndrome (MFS) is the most common connective tissue hereditary disease, caused by mutations in the glycoprotein fibrillin-1, the main structural component of extracellular matrix elastic microfibrils. MFS phenotypic manifestations are systemic and typically involve the ocular, skeletal and cardiovascular systems, the latter a major cause of morbidity/mortality. However, how gene mutation induxes disease is yet unclear. Previous studies suggest endoplasmic reticulum (ER) morphological abnormalities or fibrillin-1 intracellular retention in advanced MFS stages. However, the contribution of mutated fibrillin-1 folding and ER stress to MFS cellular pathophysiology is unknown. Un/misfolded proteins may associate with their intracellular retention and/or increased degradation through ER-associated degradation (ERAD), in addition to inducing the unfolded protein response (UPR), both sharing potential contributions to disease pathophysiology, including MFS. Thus, we studied in embryonic fibroblasts (MEFs) isolated from WT and MFS mice, if mutated fibrillin-1 can be recognized by ER quality control as a misfolded protein, able to induce ER stress due to its intracellular retention. We showed that fibrillin-1 mutation by itself did not promote UPR chaperone markers or oxidant generation. Moreover, it did not sensitize cells to exogenous ER stress nor affected cell survival curves after proteasome inhibition. Furthermore, no intracellular retention of fibrillin-1 was observed in MFS cells, and even after secretory pathway inhibition or ER stress induction, fibrillin-1 secretion inhibition was similar in MFS and wild-type (WT) MEFs. Protein disulfide isomerase (PDI), an important ER redox chaperone, interacts with fibrillin-1 and its silencing induced an increased fibrillin-1 secretion in WT, but not MFS MEFs. Besides, PDI silencing promoted fibrillin-1 extracellular matrix disorganization in WT MEFs, whereas in MFS MEFs, the basal matrix disorganization was not further modified. Parallel in vivo evaluations demonstrated that ER stress is also not induced in 1 and 3 month-old mice MFS, despite evident phenotypical manifestations. However, concomitant to accelerated disease progression at 6 months, ER stress was detectable in ascendant aorta, but not in other disease-affected or unaffected organs. Thus, classic MFS phenotype manifestations do not require loss of ER homeostasis directly induced by mutated fibrillin-1. Contrarily, the latter can evade a PDI-mediated quality control mechanism to be normally secreted. Therefore, evading such PDI-mediated quality control is an essential permissive condition for enabling the MFS phenotype. On the other hand, ER stress is an evolutive feature of MFS ascendant aorta aneurysm concomitant to phenotype progression in this tissue

Dissulfeto isomerase proteica como a PDIA1 tem sido implicada na progressão do câncer, porém os mecanismos envolvidos ainda não foram claramente identificados. Previamente, nós demonstramos um importante efeito da PDIA1 induzindo a superexpressão da Nox1 NADPH oxidase, associada à geração de espécie reativas de oxigênio (ROS). Uma vez que a perda na regulação de ROS envolve o crescimento tumoral, nós propusemos que a PDIA1 atua como um mecanismo regulador proximal na produção de ROS em tumores. No presente estudo, nós focamos no câncer colorretal (CRC) com distintos efeitos na ativação de KRas. Resultados provenientes de bancos de dados de RNAsec e validação direta, indicam um significante aumento na expressão de PDIA1 em CRC com alta ativação constitutiva da Kras (HCT116) vs. ativação intermediária (HKE3) ou basal (Caco2). A PDIA1 sustenta a produção de superóxido dependente da Nox1 em CRC; entretanto, observamos pela primeira vez uma ação dupla da PDIA1 correlacionada ao nível de ativação da Ras: em células Caco2 e HKE3, experimentos de perda de função indicam que o PDIA1 sustenta a produção de superóxido dependente de Nox1; no entanto, em células HCT116, PDIA1 limita a produção de superóxido pela Nox1. Este comportamento da PDIA1 é associado ao aumento da expressão / atividade da Rac1. A transfecção do mutante constitutivamente ativo Rac1G12V em células HKE3 faz com que a PDIA1 se torne restritiva a produção de superóxido dependente de Nox1, paralelamente, em células HCT116 tratadas com inibidor da Rac1, PDIA1 se torna favorável à produção de superóxido. Um screening em importantes vias de sinalização celular em HKE3 mostrou que a perda de função da PDIA1 promove inativação da GSK3? em paralelo à diminuicão da ativacção de Stat3; em HCT116 em estado basal, GSK3beta é inativada enquanto Stat3 está ativa, já o silenciamento da PDIA1 não resulta em nenhum efeito adicional. As implicações funcionais do silenciamento da PDIA1 incluíram uma diminuição da proliferação e migração celular em HKE3, não detectável em HCT116. Além disso, a PDIA1 parece sustentar a transição epitélio-mesenquimal (EMT), uma vez que após o silenciamento da PDIA1, observamos um aumento da expressão da E-caderina em HKE3 e uma diminuição em HCT116. Assim, a superativação da Ras se associa a uma alteração no padrão de regulação da Nox1 pela PDIA1. A supressão do efeito regulador da PDIA1 pela Kras é provavelmente devido a uma ativação sustentada da Rac1. Portanto, PDIA1 pode exercer um papel redox-dependente adaptativo crucial relacionado à progressão tumoral / Protein disulfide isomerases such as PDIA1 have been implicated in cancer progression, but the underlying mechanisms are unclear. We showed previously important PDIA1 effects enabling vascular Nox1 NADPH oxidase expression and associated generation of reactive oxygen species (ROS). Since deregulated ROS production underlies tumor growth, we proposed that PDIA1 acts as an upstream regulatory mechanism of tumor-associated ROS production. We focused on colorectal cancer (CRC) with distinct levels of KRas activation. Our results from RNAseq databanks and direct validation indicate significant increase in PDIA1 expression in CRC with constitutive high (HCT116) vs. moderate (HKE3) or basal (e.g. Caco2) Ras activity. PDIA1 supported Nox1-dependent superoxide production in CRC; however, we observed for the first time a dual effect correlated with Ras level activity: in Caco2 and HKE3 cells, loss-of-function experiments indicate that PDIA1 sustains Nox1-dependent superoxide production; however, in HCT116 cells, PDIA1 restricted Nox1-dependent superoxide production. This PDIA1 behavior in HCT116 is associated with increased Rac1 expression/activity. Transfection of Rac1G12V active mutant into HKE3 cells induced PDIA1 to become restrictive of Nox1-dependent superoxide; accordingly, in HCT116 cells treated with Rac1 inhibitor, PDIA1 became supportive of superoxide production. Screening of cell signaling routes affected by PDIA1 silencing showed induced GSK3beta inactivation and parallel decrease of active Stat3 in HKE3 cells; in baseline HCT116 cells, GSK3beta was inactivated and Stat3 active, whereas PDIA1 silencing had no further effect. Functional implications of PDIA1 silencing included a decrease of cell proliferation and migration in HKE3, not detectable in HCT116 cells. Also, PDIA1 may support epithelial-mesenchymal transition (EMT), since after PDIA1 silencing, E-cadherin expression increased in HKE3 and decreased in HCT116. Thus, Ras overaction associates with a switched in PDIA1 pattern regulation of Nox1. Ras-induced PDIA1 bypass may involve direct Rac1 activation. Therefore, PDIA1 may be a crucial regulator of redox-dependent adaptive processes related to cancer progression

Dissulfeto isomerase proteica como a PDIA1 tem sido implicada na progressão do câncer, porém os mecanismos envolvidos ainda não foram claramente identificados. Previamente, nós demonstramos um importante efeito da PDIA1 induzindo a superexpressão da Nox1 NADPH oxidase, associada à geração de espécie reativas de oxigênio (ROS). Uma vez que a perda na regulação de ROS envolve o crescimento tumoral, nós propusemos que a PDIA1 atua como um mecanismo regulador proximal na produção de ROS em tumores. No presente estudo, nós focamos no câncer colorretal (CRC) com distintos efeitos na ativação de KRas. Resultados provenientes de bancos de dados de RNAsec e validação direta, indicam um significante aumento na expressão de PDIA1 em CRC com alta ativação constitutiva da Kras (HCT116) vs. ativação intermediária (HKE3) ou basal (Caco2). A PDIA1 sustenta a produção de superóxido dependente da Nox1 em CRC; entretanto, observamos pela primeira vez uma ação dupla da PDIA1 correlacionada ao nível de ativação da Ras: em células Caco2 e HKE3, experimentos de perda de função indicam que o PDIA1 sustenta a produção de superóxido dependente de Nox1; no entanto, em células HCT116, PDIA1 limita a produção de superóxido pela Nox1. Este comportamento da PDIA1 é associado ao aumento da expressão / atividade da Rac1. A transfecção do mutante constitutivamente ativo Rac1G12V em células HKE3 faz com que a PDIA1 se torne restritiva a produção de superóxido dependente de Nox1, paralelamente, em células HCT116 tratadas com inibidor da Rac1, PDIA1 se torna favorável à produção de superóxido. Um screening em importantes vias de sinalização celular em HKE3 mostrou que a perda de função da PDIA1 promove inativação da GSK3? em paralelo à diminuicão da ativacção de Stat3; em HCT116 em estado basal, GSK3beta é inativada enquanto Stat3 está ativa, já o silenciamento da PDIA1 não resulta em nenhum efeito adicional. As implicações funcionais do silenciamento da PDIA1 incluíram uma diminuição da proliferação e migração celular em HKE3, não detectável em HCT116. Além disso, a PDIA1 parece sustentar a transição epitélio-mesenquimal (EMT), uma vez que após o silenciamento da PDIA1, observamos um aumento da expressão da E-caderina em HKE3 e uma diminuição em HCT116. Assim, a superativação da Ras se associa a uma alteração no padrão de regulação da Nox1 pela PDIA1. A supressão do efeito regulador da PDIA1 pela Kras é provavelmente devido a uma ativação sustentada da Rac1. Portanto, PDIA1 pode exercer um papel redox-dependente adaptativo crucial relacionado à progressão tumoral / Protein disulfide isomerases such as PDIA1 have been implicated in cancer progression, but the underlying mechanisms are unclear. We showed previously important PDIA1 effects enabling vascular Nox1 NADPH oxidase expression and associated generation of reactive oxygen species (ROS). Since deregulated ROS production underlies tumor growth, we proposed that PDIA1 acts as an upstream regulatory mechanism of tumor-associated ROS production. We focused on colorectal cancer (CRC) with distinct levels of KRas activation. Our results from RNAseq databanks and direct validation indicate significant increase in PDIA1 expression in CRC with constitutive high (HCT116) vs. moderate (HKE3) or basal (e.g. Caco2) Ras activity. PDIA1 supported Nox1-dependent superoxide production in CRC; however, we observed for the first time a dual effect correlated with Ras level activity: in Caco2 and HKE3 cells, loss-of-function experiments indicate that PDIA1 sustains Nox1-dependent superoxide production; however, in HCT116 cells, PDIA1 restricted Nox1-dependent superoxide production. This PDIA1 behavior in HCT116 is associated with increased Rac1 expression/activity. Transfection of Rac1G12V active mutant into HKE3 cells induced PDIA1 to become restrictive of Nox1-dependent superoxide; accordingly, in HCT116 cells treated with Rac1 inhibitor, PDIA1 became supportive of superoxide production. Screening of cell signaling routes affected by PDIA1 silencing showed induced GSK3beta inactivation and parallel decrease of active Stat3 in HKE3 cells; in baseline HCT116 cells, GSK3beta was inactivated and Stat3 active, whereas PDIA1 silencing had no further effect. Functional implications of PDIA1 silencing included a decrease of cell proliferation and migration in HKE3, not detectable in HCT116 cells. Also, PDIA1 may support epithelial-mesenchymal transition (EMT), since after PDIA1 silencing, E-cadherin expression increased in HKE3 and decreased in HCT116. Thus, Ras overaction associates with a switched in PDIA1 pattern regulation of Nox1. Ras-induced PDIA1 bypass may involve direct Rac1 activation. Therefore, PDIA1 may be a crucial regulator of redox-dependent adaptive processes related to cancer progression