Orientador: Roger Frigério Castilho / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Ciências Médicas / Made available in DSpace on 2018-08-24T17:18:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Michelini_LuizGuilhermeBueno_M.pdf: 1602537 bytes, checksum: f58032fd3eaf359e8f094658a3612c02 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: A inibição parcial do Complexo I da cadeia respiratória mitocondrial em ratos tratados cronicamente com rotenona está associada com o desenvolvimento de características neuroquímicas, comportamentais e neuropatológicas da doença de Parkinson. Os objetivos deste trabalho foram (i) caracterizar os efeitos de uma inibição parcial do Complexo I por rotenona na produção de peróxido de hidrogênio (H2O2) por mitocôndrias de cérebro de ratos (MCR) em diferentes estados respiratórios e (ii) avaliar a suscetibilidade de MCR velhos (24 meses) à inibição do consumo de oxigênio (O2) e ao estímulo da produção de H2O2 por rotenona em comparação a MCR adultos (3-4 meses). A análise do potencial de membrana por citometria de fluxo em mitocôndrias isoladas indicou que a adição de rotenona promoveu uma inibição uniforme da respiração mitocondrial nestas organelas. Quando mitocôndrias foram incubadas na presença de uma baixa concentração de rotenona (10 nM) e de substratos geradores de NADH, o consumo de O2 foi reduzido de 45,9±1,0 para 26,4±2,6 nmol O2.mg-1.min-1 e de 7,8±0,3 para 6,3±0,3 nmol O2.mg-1.min-1 nos estados respiratórios 3 (respiração estimulada por ADP) e 4 (respiração de repouso), respectivamente. Nessas condições, a produção mitocondrial de H2O2 foi estimulada de 12,2±1,1 para 21,0±1,2 pmol H2O2.mg-1.min-1 e de 56,5±4,7 para 95,0±11,1 pmol H2O2.mg-1.min-1 nos estados respiratórios 3 e 4, respectivamente. Resultados similares foram observados ao comparar preparações mitocondriais enriquecidas com organelas sinápticas e não-sinápticas ou quando o íon 1-metil-4-fenilpiridina (MPP+) foi utilizado como inibidor de Complexo I mitocondrial. O estímulo da produção de H2O2 por rotenona nos estados respiratórios 3 e 4 foi associado a um aumento do estado reduzido de nucleotídeos de nicotinamida endógenos. Na respiração mitocondrial com succinato, onde a maior parte da produção de H2O2 se origina do fluxo reverso de elétrons do Complexo II para o I, baixas concentrações de rotenona inibiram a produção de H2O2. Rotenona não exerceu efeito sobre a eliminação mitocondrial de concentrações micromolares de H2O2. Em sinaptossomas intactos, observamos que rotenona 10 nM estimulou a liberação de H2O2 em 20,2±3,3% no estado respiratório basal. Ao compararmos MCR adultos e velhos, verificamos que o consumo de O2 no estado respiratório 3 e a atividade da citrato sintase foram 21,0±3,3% e 17,0±5,4% mais baixos em MCR velhos. Experimentos conduzidos na presença de diferentes concentrações de rotenona (5, 10 e 100 nM) demonstraram sensibilidade similar à inibição do consumo de O2 por rotenona no estado respiratório 3, com IC50 de 7,8±0,4 e 6,5±0,5 nM para MCR adultos e velhos, respectivamente. De acordo com esses resultados, o estímulo da produção de H2O2 observado foi similar em MCR adultos e velhos, tratadas com diferentes concentrações de rotenona. Concluímos que, uma inibição parcial do Complexo I pode resultar em uma crise energética e/ou estresse oxidativo mitocondrial, enquanto o primeiro evento predominaria numa situação de alta demanda de fosforilação oxidativa, o segundo ocorreria em condições de respiração de repouso. Em adição, os experimentos com ratos velhos indicaram que rotenona exerce efeitos similares no consumo de O2 e na produção de H2O2 em MCR adultos e velhos / Abstract: Partial inhibition of mitochondrial Complex I is associated with the development of neurochemical, behavioral, and neuropathological features of Parkinson's disease in rats chronically and systemically treated with rotenone. The aims of this work were (i) to characterize the effects of partial inhibition of respiratory Complex I by rotenone on H2O2 production by rat brain mitochondria in different respiratory states and (ii) to evaluate the susceptibility of brain mitochondria from old rats (24 month-old) to rotenone-induced inhibition of oxygen consumption and increased generation of H2O2 when compared with organelles from adult rats (3-4 month-old). Flow cytometric analysis of membrane potential in isolated mitochondria indicated that rotenone leads to uniform respiratory inhibition when added to a suspension of these organelles. When mitochondria were incubated in the presence of a low concentration of rotenone (10 nM) and NADH-linked substrates, oxygen consumption was reduced from 45.9±1.0 to 26.4±2.6 nmol O2.mg-1.min-1 and from 7.8±0.3 to 6.3±0.3 nmol O2.mg-1.min-1 in respiratory states 3 (ADP-stimulated respiration) and 4 (resting respiration), respectively. Under these conditions, mitochondrial H2O2 production was stimulated from 12.2±1.1 to 21.0±1.2 pmol H2O2.mg-1.min-1 and 56.5±4.7 to 95.0±11.1 pmol H2O2.mg-1.min-1 in respiratory states 3 and 4, respectively. Similar results were observed when comparing mitochondrial preparations enriched with synaptic or nonsynaptic organelles or when 1-methyl-4-phenylpyridinium (MPP+) ion was used as a respiratory Complex I inhibitor. Rotenone-stimulated H2O2 production in respiratory states 3 and 4 was associated with a high reduction state of endogenous nicotinamide nucleotides. In succinate-supported mitochondrial respiration, where most of the mitochondrial H2O2 production relies on electron backflow from Complex II to Complex I, low rotenone concentrations inhibited H2O2 production. Rotenone had no effect on mitochondrial elimination of micromolar concentrations of H2O2. In intact synaptosomes, we observed that 10 nM rotenone stimulated H2O2 release by 20.2 ± 3.3% under basal respiratory state. When comparing isolated brain mitochondria from adult and old rats we observed that oxygen consumption under respiratory state 3 and citrate synthase activity were 21.0±3.3% and 17.0±5.4% lower in mitochondria from old rats. Experiments conducted in the presence of different rotenone concentrations (5, 10 and 100 nM) showed that brain mitochondria from adult and old rats have similar sensitive to rotenone-induced inhibition of oxygen consumption in respiratory state 3, with IC50 of 7.8±0.4 and 6.5±0.5 nM for adult and old rats, respectively. In line with these results, similar stimulations in H2O2 production were observed in mitochondria from adult and old rats treated with different concentrations of rotenone. We conclude that partial Complex I inhibition may result in mitochondrial energy crisis and oxidative stress, the former being predominant under oxidative phosphorylation and the latter under resting respiration conditions. Rotenone exerts similar effects on oxygen consumption and H2O2 production by isolated brain mitochondria from adult and old rats / Mestrado / Biologia Estrutural, Celular, Molecular e do Desenvolvimento / Mestre em Ciências

Ein Schlüsselbefund der Parkinson-Krankheit auf zellulärer Ebene ist das Auftreten von Protein-Einschlusskörperchen, sogenannten Lewykörperchen. Der Hauptbestandteil dieser Lewykörperchen ist pathologisch aggregiertes, fibrilläres α-Synuklein, ein Protein, welches Einfluss auf präsynaptische Vesikel, Protein- und Enzymfunktionen sowie den Dopaminstoffwechsel und den axonalen Transport hat. Bis heute ungeklärt ist die Ursache der Aggregation des Proteins. Zahlreiche Forschungsaktivitäten werden in diese Richtung unternommen. Die pathologischen Mechanismen, die zur abnormen Aggregation von α-Synuklein führen, bleiben noch weitgehend unbekannt. Ein großer Teil der Literatur unterstützt die Hypothese, dass α-Synuklein bei Punktmutationen oder erhöhter Expression anfällig für Aggregationen ist und damit Neuronen geschädigt werden. Die Einzelheiten dieses sukzessiven Aggregationsprozesses und die Mechanismen, die dabei letztlich den Zelltod verursachen, bleiben unklar. Alterungsprozesse und Umweltfaktoren sind entscheidende Risikofaktoren. Obwohl es immer mehr Hinweise gibt, dass α-Synuklein-Aggregate eine wichtige pathophysiologische Rolle spielen, wird bisher noch unzulänglich verstanden, wie die für die dopaminergen Neurone toxische Wirkung entfaltet wird. Als gesicherter Pathomechanismus der Degeneration der dopaminergen Nervenzellen gilt ein erhöhter oxidativer Stress. Es wird vermutet, dass er zur Aggregation des α-Synukleins beitragen kann. Ziel dieser vorgelegten Arbeit ist es, durch die Verwendung eines geeigneten Zellkulturmodells zur Aufklärung der beschriebenen pathologischen Mechanismen beizutragen. In dieser Studie wurden zwei artifizielle Modellsubstanzen in einer dopaminergen Primärzellkultur eingesetzt, die Pestizide Rotenon und Paraquat, um die pathologischen Verhältnisse in der Substantia nigra zu simulieren. Sie erzeugen oxidativen Stress durch Hemmung der mitochondrialen Atmungskette bzw. Redoxreaktionen mit molekularem Sauerstoff, was zum dopaminergen Zelltod führt. Im Rahmen dieser Studie gelang es, beide Parkinson-Zellkulturmodelle anhand der Lokalisierung, des Aggregationsverhaltens, des Einflusses auf die Mikroglia-Aktivierung sowie des Abbaus von α-Synuklein näher zu charakterisieren. Hierzu wurde α-Synuklein durch Fluoreszenzfärbung, Westernblot und Immunpräzipitation analysiert. Eine kurzzeitige Behandlung mit hoch konzentrierten Toxinen löst eine akute Degeneration dopaminerger Neurone aus, die so nicht der des Idiopathischen Parkinsons entspricht. Beim IPS erfolgt die Degeneration über Jahre hinweg. Um auch den Einfluss der zellulären Alterung auf die α-Synuklein-Aggregation zu zeigen, wurden die in dieser Arbeit verwendeten Zellkulturen über 46 Tage kultiviert und die Pestizid-Konzentration so eingestellt, dass etwa 25-50 % der dopaminergen Neurone absterben. Es konnte gezeigt werden, dass es nach chronischer Behandlung mit dem jeweiligen Pestizid zu den verschiedenen Zeitpunkten Unterschiede in der Lokalisation sowie in der Konformation von α-Synuklein gibt. Die zum Vergleich nur bis zum Tag 11 kultivierten Zellkulturen zeigten nach kurzer Behandlung mit hochkonzentrierter Toxin-Menge eine Ansammlung von α-Synuklein im Soma, aber keine Auswanderung und Lokalisierung in und an den Neuriten, wie es nach chronischer Rotenon-Behandlung beobachtet werden konnte. Bei den Rotenon-behandelten Zellen ist ein Prozess der Verlagerung und Anhäufung des α-Synuklein aus dem Soma in die Neuriten bereits ab einem früheren Zeitpunkt zu beobachten als in den Kontrollen, welche sich aber mit zunehmendem Alter ähnlich verhalten. Außerdem konnte in den Kulturen, besonders bei den Rotenon-behandelten dopaminergen Neuronen, ein punktförmiges Verteilungsmuster und größere Ansammlungen des Proteins in den Neuriten beobachtet werden, was für eine aggregierte Form des α-Synukleins spricht. Diese Aggregate ließen sich durch die Proteo-Aggreosom-Färbung nachweisen. Auch der Nachweis von am Serin 129 phosphoryliertem α-Synuklein in diesen größeren Ansammlungen gilt als Zeichen für eine aggregierte Form. Die Beobachtung, dass α-Synuklein mit zunehmendem Kulturalter aus dem Soma in die Peripherie austritt, konnte bei der chronischen Paraquat-Behandlung so nicht getätigt werden. Unter Paraquat-Behandlung war keine Herauf-Regulierung der Gesamt-α-Synuklein Expression in der Kultur zu beobachten, wie dies sowohl bei Kontrolle als auch bei Rotenon der Fall ist. Wir vermuten im Paraquat-Modell, dass die sich im Soma ansammelnde Form von α-Synuklein durch vermehrte Einschleusung in den Zellkern zur Toxizität beitragen kann. Auch eine Interaktion von α-Synuklein mit der Zellmembran könnte unter Paraquat-Einfluss zum dopaminergen Zelltod beitragen. Durch Immunpräzipitation und Fluoreszenz-Doppelfärbung von α-Synuklein und Ubiquitin konnten wir den Abbau des fehlgefalteten α-Synukleins in der Zelle durch Ubiquitinierung nachweisen. Unter Rotenon ist ab DIV 14 eine starke Kolokalisation von α-Synuklein und Ubiquitin zu erkennen, die im Verlauf der Kultur nachlässt und nur noch in punktförmigen Aggregaten außerhalb der Zelle zu sehen ist. Unter Paraquat zeigte sich während der gesamten Kultivierung Polyubiquitinierung und Kolokalisation der beiden Proteine in der gesamten Zelle. Die Aggregationsform von α-Synuklein scheint das Proteinabbausystem durch Ubiquitinierung zu beeinflussen, da wir davon ausgehen, dass es sich bei der α-Synuklein-Konformation zu verschiedenen Zeitpunkten in den Paraquat-behandelten dopaminergen Neuronen nicht um die Aggregationsform handelt, die wir unter Rotenon beobachten konnten.

Ein Schlüsselbefund der Parkinson-Krankheit auf zellulärer Ebene ist das Auftreten von Protein-Einschlusskörperchen, sogenannten Lewykörperchen. Der Hauptbestandteil dieser Lewykörperchen ist pathologisch aggregiertes, fibrilläres α-Synuklein, ein Protein, welches Einfluss auf präsynaptische Vesikel, Protein- und Enzymfunktionen sowie den Dopaminstoffwechsel und den axonalen Transport hat. Bis heute ungeklärt ist die Ursache der Aggregation des Proteins. Zahlreiche Forschungsaktivitäten werden in diese Richtung unternommen. Die pathologischen Mechanismen, die zur abnormen Aggregation von α-Synuklein führen, bleiben noch weitgehend unbekannt. Ein großer Teil der Literatur unterstützt die Hypothese, dass α-Synuklein bei Punktmutationen oder erhöhter Expression anfällig für Aggregationen ist und damit Neuronen geschädigt werden. Die Einzelheiten dieses sukzessiven Aggregationsprozesses und die Mechanismen, die dabei letztlich den Zelltod verursachen, bleiben unklar. Alterungsprozesse und Umweltfaktoren sind entscheidende Risikofaktoren. Obwohl es immer mehr Hinweise gibt, dass α-Synuklein-Aggregate eine wichtige pathophysiologische Rolle spielen, wird bisher noch unzulänglich verstanden, wie die für die dopaminergen Neurone toxische Wirkung entfaltet wird. Als gesicherter Pathomechanismus der Degeneration der dopaminergen Nervenzellen gilt ein erhöhter oxidativer Stress. Es wird vermutet, dass er zur Aggregation des α-Synukleins beitragen kann. Ziel dieser vorgelegten Arbeit ist es, durch die Verwendung eines geeigneten Zellkulturmodells zur Aufklärung der beschriebenen pathologischen Mechanismen beizutragen. In dieser Studie wurden zwei artifizielle Modellsubstanzen in einer dopaminergen Primärzellkultur eingesetzt, die Pestizide Rotenon und Paraquat, um die pathologischen Verhältnisse in der Substantia nigra zu simulieren. Sie erzeugen oxidativen Stress durch Hemmung der mitochondrialen Atmungskette bzw. Redoxreaktionen mit molekularem Sauerstoff, was zum dopaminergen Zelltod führt. Im Rahmen dieser Studie gelang es, beide Parkinson-Zellkulturmodelle anhand der Lokalisierung, des Aggregationsverhaltens, des Einflusses auf die Mikroglia-Aktivierung sowie des Abbaus von α-Synuklein näher zu charakterisieren. Hierzu wurde α-Synuklein durch Fluoreszenzfärbung, Westernblot und Immunpräzipitation analysiert. Eine kurzzeitige Behandlung mit hoch konzentrierten Toxinen löst eine akute Degeneration dopaminerger Neurone aus, die so nicht der des Idiopathischen Parkinsons entspricht. Beim IPS erfolgt die Degeneration über Jahre hinweg. Um auch den Einfluss der zellulären Alterung auf die α-Synuklein-Aggregation zu zeigen, wurden die in dieser Arbeit verwendeten Zellkulturen über 46 Tage kultiviert und die Pestizid-Konzentration so eingestellt, dass etwa 25-50 % der dopaminergen Neurone absterben. Es konnte gezeigt werden, dass es nach chronischer Behandlung mit dem jeweiligen Pestizid zu den verschiedenen Zeitpunkten Unterschiede in der Lokalisation sowie in der Konformation von α-Synuklein gibt. Die zum Vergleich nur bis zum Tag 11 kultivierten Zellkulturen zeigten nach kurzer Behandlung mit hochkonzentrierter Toxin-Menge eine Ansammlung von α-Synuklein im Soma, aber keine Auswanderung und Lokalisierung in und an den Neuriten, wie es nach chronischer Rotenon-Behandlung beobachtet werden konnte. Bei den Rotenon-behandelten Zellen ist ein Prozess der Verlagerung und Anhäufung des α-Synuklein aus dem Soma in die Neuriten bereits ab einem früheren Zeitpunkt zu beobachten als in den Kontrollen, welche sich aber mit zunehmendem Alter ähnlich verhalten. Außerdem konnte in den Kulturen, besonders bei den Rotenon-behandelten dopaminergen Neuronen, ein punktförmiges Verteilungsmuster und größere Ansammlungen des Proteins in den Neuriten beobachtet werden, was für eine aggregierte Form des α-Synukleins spricht. Diese Aggregate ließen sich durch die Proteo-Aggreosom-Färbung nachweisen. Auch der Nachweis von am Serin 129 phosphoryliertem α-Synuklein in diesen größeren Ansammlungen gilt als Zeichen für eine aggregierte Form. Die Beobachtung, dass α-Synuklein mit zunehmendem Kulturalter aus dem Soma in die Peripherie austritt, konnte bei der chronischen Paraquat-Behandlung so nicht getätigt werden. Unter Paraquat-Behandlung war keine Herauf-Regulierung der Gesamt-α-Synuklein Expression in der Kultur zu beobachten, wie dies sowohl bei Kontrolle als auch bei Rotenon der Fall ist. Wir vermuten im Paraquat-Modell, dass die sich im Soma ansammelnde Form von α-Synuklein durch vermehrte Einschleusung in den Zellkern zur Toxizität beitragen kann. Auch eine Interaktion von α-Synuklein mit der Zellmembran könnte unter Paraquat-Einfluss zum dopaminergen Zelltod beitragen. Durch Immunpräzipitation und Fluoreszenz-Doppelfärbung von α-Synuklein und Ubiquitin konnten wir den Abbau des fehlgefalteten α-Synukleins in der Zelle durch Ubiquitinierung nachweisen. Unter Rotenon ist ab DIV 14 eine starke Kolokalisation von α-Synuklein und Ubiquitin zu erkennen, die im Verlauf der Kultur nachlässt und nur noch in punktförmigen Aggregaten außerhalb der Zelle zu sehen ist. Unter Paraquat zeigte sich während der gesamten Kultivierung Polyubiquitinierung und Kolokalisation der beiden Proteine in der gesamten Zelle. Die Aggregationsform von α-Synuklein scheint das Proteinabbausystem durch Ubiquitinierung zu beeinflussen, da wir davon ausgehen, dass es sich bei der α-Synuklein-Konformation zu verschiedenen Zeitpunkten in den Paraquat-behandelten dopaminergen Neuronen nicht um die Aggregationsform handelt, die wir unter Rotenon beobachten konnten.

Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) stellt eines der wichtigsten zellulären Abbausysteme dar. Es vermittelt die Degradation fehlgefalteter, beschädigter sowie regulatorischer Proteine. Folglich ist es essentiell für die Proteinqualitätskontrolle und für eine Vielzahl zellulärer Prozesse. Eine Störung des UPS steht im engen Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen und malignen Tumoren. Adaptive Mechanismen ermöglichen es der Zelle das UPS an den stetig schwankenden Bedarf proteolytischer Aktivität anzupassen. So wirkt eine erhöhte Expression proteasomaler Gene einem Abfall der proteasomalen Aktivität entgegen. Der Transkriptionsfaktor TCF11/Nrf1 wurde hierbei als Hauptregulator identifiziert. Unter physiologischen Bedingungen ist TCF11/Nrf1 in der ER-Membran lokalisiert und wird über das ER-assoziierte Degradationssystem (ERAD) abgebaut. In Antwort auf Proteasominhibition wird der Transkriptionsfaktor aktiviert und in den Nukleus transferiert. Hier vermittelt er durch Bindung der regulatorischen antioxidative response elements die Genexpression proteasomaler Untereinheiten. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass es sich bei diesem autoregulatorischen Rückkopplungsmechanismus um einen generellen adaptiven Regulationsmechanismus in Mammalia handelt. Zudem ergaben weitere Untersuchungen, dass der durch Proteasominhibition hervorgerufene oxidative Stress, die TCF11/Nrf1-vermittelte Aktivierung der Genexpression fördert. Die induzierende Wirkung von oxidativem Stress wurde ferner unter Verwendung des Pro-Oxidans Rotenon bekräftigt. Dieses Neurotoxin induziert die TCF11/Nrf1-abhängige Transkription proteasomaler Untereinheiten und folglich die Neubildung aktiver Proteasomkomplexe. Der Transkriptionsfaktor förderte ferner die Zellviabilität Rotenon-behandelter SH-SY5Y Zellen. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass die TCF11/Nrf1-vermittelte Genexpression proteasomaler Untereinheiten bedeutend für die Aufrechterhaltung der Redox- sowie der Protein Homöostase ist. / The ubiquitin proteasome system (UPS) represents a major protein degradation machinery. It facilitates the degradation of misfolded and damaged as well as regulatory proteins, thereby ensuring protein quality control and regulation of various cellular processes. Disturbances of the UPS are strongly associated with neurodegeneration and cancer. Adaptive mechanisms enable the cell to deal with changing demand in proteolytic activity. A rise in proteasomal gene expression compensates for decreased proteasomal activity. This adaption is mainly regulated by the transcription factor TCF11/Nrf1. Under unstressed conditions TCF11/Nrf1 resides in the ER-membrane where it is degraded via the ER-associated protein degradation system (ERAD). Proteasome inhibition causes the nuclear translocation of TCF11/Nrf1. In the nucleus, it mediates the gene expression of proteasomal subunits by interacting with their regulatory antioxidant response elements. Within this thesis, it was shown, that this autoregulatory feedback loop represents a general adaptive mechanism in mammalian cells. Moreover, experiments using antioxidative compounds revealed, that the oxidative stress induced by proteasomal inhibition promotes the TCF11/Nrf1-dependent proteasomal gene expression. The inducing effect of oxidative stress was verified using the pro-oxidant rotenone. This neurotoxin activates the transcription of the proteasomal genes resulting in the formation of newly synthesised, active proteasome complexes. Thus, TCF11/Nrf1 exerts a cytoprotective function in response to oxidative and proteotoxic stress in SH-SY5Y cells. In conclusion, this thesis revealed that TCF11/Nrf1-dependent induction of the proteasome expression promotes the maintenance of the redox as well as protein homeostasis.

Neurotoxlns represent unique chemical tools, providing a means to 1) gain insight into cellular mechanisms of apopotosis and necrosis, 2) achieve a morphological template for studies otherwise unattainable, 3) specifically produce a singular phenotype of denervation, and 4) provide the starting point to delve into processes and mechanisms of nerve regeneration and sprouting. There are many other notable uses of neurotoxins in neuroscience research, and ever more being discovered each year. The objective of this review paper is to highlight the broad areas of neuroscience in which neurotoxins and neurotoxicity mechanism come into play. This shifts the focus away from neurotoxins per se, and onto the major problems under study today. Neurotoxins broadly defined are used to explore neurodegenerative disorders, psychiatric disorders and substance use disorders. Neurotoxic mechanisms relating to protein aggregates are indigenous to Alzheimer disease, Parkinson's disease. NeuroAIDS is a disorder in which microglia and macrophages have enormous import. The gap between the immune system and nervous system has been bridged, as neuroinflammation is now considered to be part of the neurodegenerative process. Related mechanisms now arise in the process of neurogenesis. Accordingly, the entire spectrum of neuroscience is within the purview of neurotoxins and neurotoxicity mechanisms. Highlights on discoveries in the areas noted, and on selective neurotoxins, are included, mainly from the past 2 to 3 years.

Neurotoxins, in the general sense, represent novel chemical structures which when administered in vivo or in vitro, are capable of producing neuronal damage or neurodegeneration - with some degree of specificity relating to neuronal phenotype or populations of neurons with specific characteristics (.e., receptor type, ion channel type, astrocyte-dependence, etc.). The broader term 'neurotoxin' includes this categorization but extends the term to include intra- or extracellular mediators involved in the neurodegenerative event, including necrotic and apoptotic factors. Moreover, as it is recognized that astrocytes are essential supportive satellite cells for neurons, and because damage to these cells ultimately affects neuronal function, the term 'neurotoxin' might reasonably be extended to include those chemical species which also adversely affect astrocytes. This review is intended to highlight developments that have occurred in the field of 'neurotoxins' during the past 5 years, including MPTP/MPP+, 6-hydroxydopamine (6-OHDA), meth-amphetamine; salsolinol; leukoaminochrome-o-semi-quinone; rotenone; iron; paraquat; HPP+; veratridine; soman; glutamate; kainate; 3-nitropropionic acid; peroxynitrite anion; and metals (copper, manganese, lead, mercury). Neurotoxins represent tools to help elucidate intra- and extra-cellular processes involved in neuronal necrosis and apoptosis, so that drugs can be developed towards targets that interrupt the processes leading towards neuronal death.

A alteração do tráfego mitocondrial em neurônios leva ao aumento do estresse oxidativo, privação de energia, deficiência da comunicação intercelular e neurodegeneração. Há evidências de que essas alterações de tráfego antecedem a morte neuronal associada à agregação proteica. Portanto, conhecer a relação entre a mobilidade mitocondrial e a formação de agregados proteicos pode ser um passo importante para o melhor entendimento dos mecanismos da neurodegeneração. Com isso, o objetivo do presente estudo é analisar a mobilidade das mitocôndrias em culturas de células do hipocampo, substância negra e locus coeruleus expostas a rotenona e MPTP, como agentes neurodegenerativos, e à rapamicina como ativador da autofagia. Um outro objetivo do estudo é avaliar o papel do cálcio (através do emprego de EGTA e ionomicina) no modelo experimental. Os resultados mostraram aumento da mobilidade mitocondrial no hipocampo e diminuição na substância negra, já no locus coeruleus houve aumento seguido de diminuição da mobilidade mitocondrial dependendo da concentração de rotenona. O emprego do EGTA e ionomicina mostra que a ação da rotenona sobre o tráfego mitocondrial envolve o cálcio, mas não se relaciona com uma possível alteração da integridade mitocondrial, já que não foi observada alteração no potencial de membrana mitocondrial. Foram também realizados experimentos a fim de avaliar a mobilidade mitocondrial em modelo utilizando rapamicina para ativar a autofagia e MPTP como indutor da neurodegeneração em culturas de células, onde foi observado aumento da mobilidade no hipocampo e no locus coeruleus quando exposto a rapamicina e aumento da mobilidade mitocondrial em cultura de células do hipocampo exposto a MPTP já no locus coeruleus houve uma diminuição significativa da mobilidade mitocondrial. Os resultados permitem concluir que o tráfego mitocondrial está alterado antes da agregação proteica podendo contribuir com a neurodegeneração / Altered mitochondrial traffic in neurons can lead to increased oxidative stress, energy deprivation, impaired intercellular communication and neurodegeneration. There are evidences mitochondria disturbing precedes neuronal death associated with protein aggregation. Therefore, the study of mitochondrial traffic and protein aggregation can be an important step towards a better understanding of the mechanisms of neurodegeneration. Thus, the aim of this study is to analyze mitochondria mobility in cultured cells of the hippocampus, substantia nigra and locus coeruleus exposed to rotenone and MPTP, as neurodegeneration-promoting agents, and rapamycin to activate autophagy. The other objective of the study was to analyze the role of calcium (through EGTA and ionomycin) in the experimental model. The results showed increased and decreased mobility mitochondrial in cells from hippocampus and substantia nigra, respectively, while the locus coeruleus cell culture has increased followed by decreased mitochondrial mobility depending upon rotenone concentration. The use of EGTA and ionomycin showed that alteration of mitochondrial traffic is associated with calcium, however it is not related with changes in mitochondrial membrane potential. Additional experiments were also conducted to assess mitochondrial mobility in a model using rapamycin to activate autophagy and MPTP to induce neurodegeneration in cell cultures. The results of these experiments showed increased mitochondrial mobility in the hippocampus and locus coeruleus when exposed to rapamycin; while MPTP also increased mitochondria mobility in hippocampal cell cultures, but decreased it in locus coeruleus. Results suggest that mitochondrial traffic is altered before protein aggregation, which may contribute to neurodegeneration

O desenvolvimento das doenças neurodegenerativas, como a doença de Alzheimer, está associado à presença de agregados proteicos contendo Tau hiperfosforilada (p-Tau). Esta disfunção da Tau leva a prejuízos na homeostase celular. Um mecanismo chave para diminuir e/ou prevenir os danos promovidos pelos agregados contendo Tau seria o estímulo de sua degradação. Neste sentido, a proposta do presente estudo foi analisar a degradação da proteína Tau após aumento da expressão exógena da cochaperona Bag-2, a qual influencia o sistema proteassomal de degradação; bem como avaliar a ativação dos sistemas de degradação, a fim de correlacionar estes sistemas em cultura de células primárias e organotípica do hipocampo de ratos. Os resultados mostraram que a rotenona foi capaz de aumentar os níveis de p-Tau e que a superexpressão de Bag-2, foi eficiente em prevenir e degradar a p-Tau. O mecanismo envolvido neste processo envolve a coordenação dos sistemas proteassomal e lisossomal, já que a Rab7 e a Rab24 (envolvidas na via lisossomal) mostraram-se diminuídas na fase que antecede a agregação proteica, enquanto houve aumento da Rab24 na presença dos agregados proteicos. Com relação ao peptídeo beta amiloide, foi demonstrado tendência de aumento de p-Tau acompanhado de diminuição da atividade proteassomal e lisossomal. O tratamento com PADK (ativador lisossomal) foi capaz de reverter este efeito nestas diferentes condições. A análise da interrelação entre os sistemas mostrou que uma inibição do proteassoma favorece a via lisossomal e que o inverso não se repete. Os resultados sugerem que a modulação das vias de degradação pode ser interessante para o estudo, prevenção e tratamento das doenças neurodegenerativas associadas à agregação de proteínas / Neurodegenerative diseases, such as Alzheimer\'s, are associated to protein inclusions containing hyperphosphorylated Tau (p-Tau). It is well established that Tau dysfunction impairs cell homeostasis. A key mechanism to prevent and/or reduce the damage promoted by aggregates of Tau might be its degradation. In view of this, the aims of the present study are to evaluate p- Tau clearance following exogenous expression of Bag-2, which stimulates proteasome; as well as to analyze the activation of both lysosome and proteasome pathways in order to understand the crosstalk between these two systems in primary and organotypic cultures of rat hippocampus. Results showed that rotenone was able of increasing p-Tau that was prevented and degraded by Bag-2 overexpression. Mechanisms involved in this process involve the coordination of cell degradation systems, depending upon aggregation status, since Rab7 and Rab24 (involved in lysosomal pathway) were decreased before protein aggregation, while Rab24 increased in the presence of protein inclusions. Amyloid-beta peptide also increased p-Tau accompanied by decreased proteasome and lysosome activity. PADK (lysosomal activator) treatment reverted the inhibition promoted by amyloidbeta peptide. Inhibition of proteasome leads to activation of lysosome, but lysosome inhibition does not affect proteasome. Overall, results suggest that targeting degradation pathways might be useful to understand, prevent and treat neurodegenerative diseases associated with protein deposits

A alteração do tráfego mitocondrial em neurônios leva ao aumento do estresse oxidativo, privação de energia, deficiência da comunicação intercelular e neurodegeneração. Há evidências de que essas alterações de tráfego antecedem a morte neuronal associada à agregação proteica. Portanto, conhecer a relação entre a mobilidade mitocondrial e a formação de agregados proteicos pode ser um passo importante para o melhor entendimento dos mecanismos da neurodegeneração. Com isso, o objetivo do presente estudo é analisar a mobilidade das mitocôndrias em culturas de células do hipocampo, substância negra e locus coeruleus expostas a rotenona e MPTP, como agentes neurodegenerativos, e à rapamicina como ativador da autofagia. Um outro objetivo do estudo é avaliar o papel do cálcio (através do emprego de EGTA e ionomicina) no modelo experimental. Os resultados mostraram aumento da mobilidade mitocondrial no hipocampo e diminuição na substância negra, já no locus coeruleus houve aumento seguido de diminuição da mobilidade mitocondrial dependendo da concentração de rotenona. O emprego do EGTA e ionomicina mostra que a ação da rotenona sobre o tráfego mitocondrial envolve o cálcio, mas não se relaciona com uma possível alteração da integridade mitocondrial, já que não foi observada alteração no potencial de membrana mitocondrial. Foram também realizados experimentos a fim de avaliar a mobilidade mitocondrial em modelo utilizando rapamicina para ativar a autofagia e MPTP como indutor da neurodegeneração em culturas de células, onde foi observado aumento da mobilidade no hipocampo e no locus coeruleus quando exposto a rapamicina e aumento da mobilidade mitocondrial em cultura de células do hipocampo exposto a MPTP já no locus coeruleus houve uma diminuição significativa da mobilidade mitocondrial. Os resultados permitem concluir que o tráfego mitocondrial está alterado antes da agregação proteica podendo contribuir com a neurodegeneração / Altered mitochondrial traffic in neurons can lead to increased oxidative stress, energy deprivation, impaired intercellular communication and neurodegeneration. There are evidences mitochondria disturbing precedes neuronal death associated with protein aggregation. Therefore, the study of mitochondrial traffic and protein aggregation can be an important step towards a better understanding of the mechanisms of neurodegeneration. Thus, the aim of this study is to analyze mitochondria mobility in cultured cells of the hippocampus, substantia nigra and locus coeruleus exposed to rotenone and MPTP, as neurodegeneration-promoting agents, and rapamycin to activate autophagy. The other objective of the study was to analyze the role of calcium (through EGTA and ionomycin) in the experimental model. The results showed increased and decreased mobility mitochondrial in cells from hippocampus and substantia nigra, respectively, while the locus coeruleus cell culture has increased followed by decreased mitochondrial mobility depending upon rotenone concentration. The use of EGTA and ionomycin showed that alteration of mitochondrial traffic is associated with calcium, however it is not related with changes in mitochondrial membrane potential. Additional experiments were also conducted to assess mitochondrial mobility in a model using rapamycin to activate autophagy and MPTP to induce neurodegeneration in cell cultures. The results of these experiments showed increased mitochondrial mobility in the hippocampus and locus coeruleus when exposed to rapamycin; while MPTP also increased mitochondria mobility in hippocampal cell cultures, but decreased it in locus coeruleus. Results suggest that mitochondrial traffic is altered before protein aggregation, which may contribute to neurodegeneration

O desenvolvimento das doenças neurodegenerativas, como a doença de Alzheimer, está associado à presença de agregados proteicos contendo Tau hiperfosforilada (p-Tau). Esta disfunção da Tau leva a prejuízos na homeostase celular. Um mecanismo chave para diminuir e/ou prevenir os danos promovidos pelos agregados contendo Tau seria o estímulo de sua degradação. Neste sentido, a proposta do presente estudo foi analisar a degradação da proteína Tau após aumento da expressão exógena da cochaperona Bag-2, a qual influencia o sistema proteassomal de degradação; bem como avaliar a ativação dos sistemas de degradação, a fim de correlacionar estes sistemas em cultura de células primárias e organotípica do hipocampo de ratos. Os resultados mostraram que a rotenona foi capaz de aumentar os níveis de p-Tau e que a superexpressão de Bag-2, foi eficiente em prevenir e degradar a p-Tau. O mecanismo envolvido neste processo envolve a coordenação dos sistemas proteassomal e lisossomal, já que a Rab7 e a Rab24 (envolvidas na via lisossomal) mostraram-se diminuídas na fase que antecede a agregação proteica, enquanto houve aumento da Rab24 na presença dos agregados proteicos. Com relação ao peptídeo beta amiloide, foi demonstrado tendência de aumento de p-Tau acompanhado de diminuição da atividade proteassomal e lisossomal. O tratamento com PADK (ativador lisossomal) foi capaz de reverter este efeito nestas diferentes condições. A análise da interrelação entre os sistemas mostrou que uma inibição do proteassoma favorece a via lisossomal e que o inverso não se repete. Os resultados sugerem que a modulação das vias de degradação pode ser interessante para o estudo, prevenção e tratamento das doenças neurodegenerativas associadas à agregação de proteínas / Neurodegenerative diseases, such as Alzheimer\'s, are associated to protein inclusions containing hyperphosphorylated Tau (p-Tau). It is well established that Tau dysfunction impairs cell homeostasis. A key mechanism to prevent and/or reduce the damage promoted by aggregates of Tau might be its degradation. In view of this, the aims of the present study are to evaluate p- Tau clearance following exogenous expression of Bag-2, which stimulates proteasome; as well as to analyze the activation of both lysosome and proteasome pathways in order to understand the crosstalk between these two systems in primary and organotypic cultures of rat hippocampus. Results showed that rotenone was able of increasing p-Tau that was prevented and degraded by Bag-2 overexpression. Mechanisms involved in this process involve the coordination of cell degradation systems, depending upon aggregation status, since Rab7 and Rab24 (involved in lysosomal pathway) were decreased before protein aggregation, while Rab24 increased in the presence of protein inclusions. Amyloid-beta peptide also increased p-Tau accompanied by decreased proteasome and lysosome activity. PADK (lysosomal activator) treatment reverted the inhibition promoted by amyloidbeta peptide. Inhibition of proteasome leads to activation of lysosome, but lysosome inhibition does not affect proteasome. Overall, results suggest that targeting degradation pathways might be useful to understand, prevent and treat neurodegenerative diseases associated with protein deposits